JP2003504608A - 第１の部品上の複数の第１の光源の位置を校正する方法および装置 - Google Patents

第１の部品上の複数の第１の光源の位置を校正する方法および装置

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JP2003504608A JP2001509937A JP2001509937A JP2003504608A JP 2003504608 A JP2003504608 A JP 2003504608A JP 2001509937 A JP2001509937 A JP 2001509937A JP 2001509937 A JP2001509937 A JP 2001509937A JP 2003504608 A JP2003504608 A JP 2003504608A
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Abstract

(57)【要約】 第１の光源（１）が取り付けられているときに第１の部品（２）上の複数の第１の光源（１）の位置（11）を校正する方法であって：各々が能動的な光源かまたは照明可能な反射点の何れかである複数の第１の光源（１）の第１の位置（３ｉ）を測定する段階と；第１の光源（１）が位置しているのが第１の部品（２）の何れのファセット（９ｉ）であるかを特定する、ファセットマッピング（４）に対する第1の光源を生成する段階と；第１の位置（３ｉ）を第１の部品（７）の座標フレームに変換する変換（５）を推定し、それによって第１の部品（７）の座標フレーム内にある、第１の部品（２）上の第1の光源（１）の推定された位置（６ｉ）を生成する段階と；推定された位置（６ｉ）と第１の部品（２）の各ファセット（９ｉ）との間の第1の距離（８ｉ）を計算する段階と、第１の距離（６ｉ）を最小自乗平均（ＬＭＳ）誤差関数（10ｂ）へ代入して、複数の誤差を生成する段階と；前記誤差を最適化して、第１の部品上の前記複数の第１の光源の位置（11）を配置する段階とを含む方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の属する技術分野 本発明は、第１の光源が第１の部品に取り付けられたときに、第１の部品上の
複数の第１の光源の位置を校正する方法および装置に関し、限定するわけではな
いが、とくにロボットによる部品処理と作業に適している。
【０００２】 従来の技術 外部センサシステムによる制御でオートメーション式に部品を移動する機能を
含むシステムでは、部品の位置および配向を感知するのに使用される光ターゲッ
トは普通、部品上の既知の位置−すなわち部品の座標系内の既知の位置に固定さ
れる。しかしながらターゲットを極めて正確に部品に固定できると仮定し、とく
に部品が異なる環境と条件の間を移行するときは、実際に達成するのはしばしば
困難である。その外部センサシステムとして写真測量法（photogrammetry）を使
用するロボット応用の大半では、部品上の写真測量法のターゲットの既知の位置
の仮定は次の計算の大半を実証し、何らかの不一致が部品の位置決めまたは作業
、あるいはその両者を不正確にする。
【０００３】 本明細書では、ターゲットが固定されている部品の外部表面はファセットと呼
ばれ、この用語は部品の曲がっていたり平らであったりする外部表面を含む。
【０００４】 したがって部品の座標フレーム内の既知の位置に光ターゲットを位置付けるこ
とを要求せずに、部品上の複数の第１の光源の位置を校正する全体的に向上した
方法および装置が要求されている。
【０００５】 発明が解決しようとする課題 本発明の第１の態様にしたがって、第１の光源が取り付けられたときに第１の
部品上の複数の第１の光源の位置を校正する方法であって、各々が能動的な（ア
クティブな）光源かまたは照明可能な反射点の何れかである複数の第１の光源の
第１の位置を測定する段階と、第１の位置を、第１の部品を幾何学的に記述して
いるデータファイルに整合（一致）させる段階とを含む方法を提供する。
【０００６】 第１の位置をデータファイルに整合することに、ファセットマッピング（写像
）に対する何れの第１の光源が、第１の光源が位置している第１の部品の何れの
ファセットであるかを特定するように、ファセットマッピングに対する第1の光
源を生成することと、第１の位置を第１の部品の座標フレームに変換する変換を
推定し、それによって第１の部品の座標フレーム内にある、第１の部品上の第1
の光源の推定された位置を生成することと、推定された位置と第１の部品の各フ
ァセットとの間の第1の距離を計算することと、第１の距離を最小自乗平均（Ｌ
ＭＳ）誤差関数へ代入して、複数の誤差を生成することと、前記誤差を最適化し
て、第１の部品上の前記複数の第１の光源の位置を配置することとを含むことが
好ましい。
【０００７】 複数の第１の光源の各々に対応する第１の距離の各々は、対応するファセット
のローカル表面の法線ベクトルと推定された位置との間の交差点をとることによ
って与えられ、この法線ベクトルが、第１の部品の幾何学的規定を含む第1のデ
ータファイルから導き出すことができることが好都合である。
【０００８】 本発明の別の態様にしたがって、第１の光源が取り付けられているときに第１
の部品上の複数の第１の光源の位置を校正する装置であって、複数の第１の光源
の第１の位置を測定するように動作可能な測定手段、ファセットマッピングに対
する第1の光源を生成するマッピング手段、第１の位置を第１の部品へ変換する
変換手段、コンピュータの読取りディスク上に記憶され、第１の部品の幾何学的
な定義を与える第１のデータファイル、および測定手段によって測定される第1
の位置を処理し、マッピング手段、変換手段、および第１のデータファイルに関
連して前記第１の位置を操作して、前記第１の光源が第１の部品に付着されると
きに第１の部品上の複数の第１の光源の位置を校正するプロセッサを含む装置を
提供する。
【０００９】 測定手段は、エンドエフェクタ、各々がエンドエフェクタに取付け可能であり
、第１の部品の全てのファセットを作像するよう構成可能な少なくとも２つの作
像デバイス、各々が各作像デバイスに関係している少なくとも２つの第２の光源
、および作像デバイスとプロセッサとの間において第１の位置を示す出力信号を
送る通信リンクを含むことが好ましい。
【００１０】 作像デバイスの各々が、ディジタル化可能な像を生成するように動作可能な測
定用センサであることが好都合である。
【００１１】 複数の第１の光源の各々が反射性ターゲットであることが効果的である。
【００１２】 第１の部品の３つの異なるファセット上に少なくとも６つの光源が位置付けら
れていることが好ましい。
【００１３】 通信リンクが同軸ケーブルおよびフレームグラッバーポートを含むことが好都
合である。
【００１４】 第１のデータファイルが第１の部品のコンピュータエイデッドデザイン（ＣＡ
Ｄ）モデルであることが効果的である。
【００１５】 ここで本発明をより良く理解するため、およびどのように本発明を実行するか
を示すために、ここで例示的に添付の図面を参照することにする。
【００１６】 発明の実施の形態 本発明にしたがう第１の部品上の複数の第１の光源の位置を校正する方法は、
第１の光源の位置が分からないか、または第１の部品の幾何学的形状に関係して
概ねでは分かる状況で使用することを意図されている。したがってこの方法は種
々のオートメーション化されたタスク、とくにロボットによる部品処理および作
業における部品の測定によく適している。
【００１７】 次の記述では種々の方法の段階を各第１の光源1を参照して記載する。したが
って関心のあるパラメータは下付き文字ｉを使用して規定されて、単一の第１の
光源を示す。同様に、第１の部品２をそのファセット９ｊに関して記載し、ここ
で下付き文字ｊによって第１の部品２を含む複数のファセットから単一のファセ
ットを区別する。
【００１８】 したがって添付の図面の図１および２を参照して示したように、第１の光源１
が付着されたときに第１の部品２上の複数の第１の光源１の位置11を校正する本
発明の方法は、各々が第１の光源１は能動的な光源であるか、または照明可能な
反射点である複数の第１の光源１の第１の位置３ｊを測定する段階と、第１の光
源１が第１の部品２の何れのファセット９ｊ上に位置付けられているかを特定す
るファセットマッピング４に対する第1の光源を生成する段階と、第１の位置３
ｉを、第１の部品７の参照用座標フレームへ変換する変換５を推定し、それによ
って第１の部品７の座標フレーム内にある、第１の部品２上の第１の光源１の推
定された位置６ｉを生成することとを含む。この方法はさらに、推定された位置
６ｉと第１の部品２の各ファセット９ｊとの間の10ａの第１の距離８ｉを計算す
ることと、第１の部品２上に前記複数の第１の光源１の位置11を位置付けるよう
に第１の距離８ｉを最適化することも含む。
【００１９】 図３に示したように、各複数の第１の光源１に対応する第１の距離８ｉの各々
は、対応するファセット９ｊのローカル（局部的な）表面に対する法線ベクトル
13と推定された位置６ｉとの間に交差点12をとることによって得られるが、この
法線ベクトル13は第１のデータファイル14から導き出すことができ、第１の部品
２の幾何学的規定を含む第１の部品２のコンピュータエイデッドデザイン（ＣＡ
Ｄ、キャド）モデルであることが好ましい。第１の位置３ｉ、マッピング手段４
、変換手段５、および第１のデータファイル14を結合して、（各光源ごとに）次
に示すやり方で第１の距離８ｉを計算する手段を用意する： ・マッピング手段４を検査して、第１の光源が（９ｘ上に）位置付けられてい
るファセット９ｉを見付け； ・第１のデータファイル14を調べて、関心のあるファセット９ｘの式を見付け
、このファセットに対する法線ベクトル13を計算し； ・変換手段５を使用して光源６ｉの推定された位置を計算し、なおこの計算に
は好ましくは所望の変換マトリックスを使用した光源の第１の位置３ｉのマトリ
ックス乗算を含んでおり； ・推定された位置６ｉと法線ベクトル13との間の交差点12を計算し、交差点12
とファセット９ｊとの間の距離８ｉを計算し、なお図２では10ａが交差点12に対
応している。
【００２０】 第１の光源の全てに対して行なうと、第１の距離８ｉはコスト関数のような誤
差最小化関数10ｂへ入力される。この関数からの出力は別の変換マトリックスで
あり、変換手段５によって利用される所望の変換マトリックスを使用して乗算さ
れ、誤差最小化関数10ｂからの誤差出力を低減する。この結果第１の部品７の座
標フレームにおける位置11、すなわち、第１の光源１の座標アレイが得られる。
【００２１】 上述の方法は第１の光源１の位置決めに依存し、位置11における縮退した解(d
egenerate solution)を避けるために、少なくとも６つの第１の光源１は第１の
部品のファセット９ｊ上において、図４に示したように１つのファセット上に少
なくとも３つおよび他のファセット上に３つか、または図５に示したように異な
るファセット上に６つの光源１を１つづつ位置付けることが好ましい。図４に示
した構成ではファセット９１上に３つの第１の光源を含み、ファセット９１の面
を規定し、ファセット９３上に２つの第１の光源を含み、ファセット９１の面に
関係する軸システムを設定し、ファセット９２上に１つの第１の光源を含み、フ
ァセット９１の面の別の軸における並進方向を区別する。
【００２２】 上述の本発明の方法は、図１に示した測定手段15を含む本発明の装置を使用す
ることによって第１の部品２上の複数の第１の光源１の位置11を校正するように
実行でき、さらに複数の第１の光源１の第１の位置３ｉ、ファセットマッピング
に対する第１の光源を生成するマッピング手段４、第１の位置３ｉを第１の部品
７の座標フレームへ変換する変換手段５、およびコンピュータ読取りディスク上
に記憶されていて、好ましくはＣＡＤ（キャド）であり、第１の部品２の幾何学
的規定を与える第１のデータファイル14を測定するように実行できる。さらに測
定手段15によって測定される第１の位置３ｉを処理し、図２に模式的に示し、既
に記載したようにマッピング手段４、変換手段５、および第１のデータファイル
14に関して第１の位置３ｉを操作するプロセッサ16もある。
【００２３】 測定手段15は、エンドエフェクタ17、各々がエンドエフェクタ17に取付け可能
であり、第１の部品２の全てのファセット９ｊを作像するように構成可能な少な
くとも２つの作像デバイス18ａ、18ｂ、および各々が各作像デバイス18ａ、18ｂ
と関係付けられる少なくとも２つの第２の光源19ａ、19ｂを含む。エンドエフェ
クタ17の代わりに、作像デバイス18ａ、18ｂは三脚台（図示されていない）上に
位置決めされるか、または単一のデバイス18ａが手で保持されて、多数の位置（
図示されていない）から測定されてもよい。
【００２４】 作像デバイス18ａ、18ｂは、識別可能な像を生成するように動作可能な測定用
センサであってもよく、したがって第１の光源１の各々から投影または反射され
る光は暗い背景に対する白のピクセルの像として再生成され、この白のピクセル
は作像デバイス18ａ、18ｂの各々において第１の光源１の２次元の空間的な位置
を定める。これらの像は、測定手段15の一部も形成していて、好ましくは同軸ケ
ーブルである通信リンク21によって出力信号20ａ、20ｂとして、フレームグラッ
バーポート(framegrabber port)を通ってプロセッサ13へ通信することができる
。作像デバイス18ａ、18ｂもカメラであってもよく、この場合作像媒体はディス
クまたはフラッシュカード(flashcard)であってもよく、当業者に知られている
画像処理技術によって情報を抽出する。
【００２５】 複数の第1の光源１は複数の反射ターゲットであり、逆反射材料から形成され
て、第２の光源19ａ、19ｂの各々によって投影される光はこの逆反射材料から入
射光線の正確な方向へ反射され、対応する作像デバイス18ａ、18ｂによって受取
られる。本発明の方法において非縮退の解（non-degenerate solution）を計算
するために、上述で本発明の方法を開示した段落に記載したように、少なくとも
６つの第１の光源を、図４に示したように第１の部品の３つの異なるファセット
９１、９２、９３上に位置付けるか、または図５に示したように各光源を異なる
ファセット上に位置付けなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にしたがって第１の部品上の複数の第１の光源の位置を校正するのに使
用される装置の模式的な斜視図。
【図２】 図１の装置で使用するのに適した方法のブロック図。
【図３】 第１の距離を計算する手段を示す、図1の方法の模式図。
【図４】 第１の部品の３つの異なるファセット上に位置付けられた少なくとも６つの第
１の光源の1つの構成を示す、図１の第１の部品の模式的斜視図。
【図５】 第１の部品の３つの異なるファセット上に位置付けられた少なくとも６つの第
１の光源の別の構成を示す、図１の第１の部品の模式的斜視図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０６Ｔ 1/00 ４００ Ｇ０６Ｔ 1/00 ４００Ｃ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ， ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，Ｋ Ｇ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ， ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA19 AA35 AA51 BB05 BB29 FF04 FF05 FF61 GG13 JJ03 JJ05 JJ26 PP25 QQ03 QQ18 QQ31 RR05 UU09 5B046 AA07 BA08 EA09 FA16 5B047 AA07 AA13 AB02 BB04 BC09 BC12 BC14 BC23 CA12 CA19 CB23 DC09 5B057 AA05 BA02 BA17 DA07 DB03 DB05 DB09 DC30

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の光源が不明な位置に取り付けられているときに第１の
    部品上の複数の第１の光源の位置を校正する方法であって、 各々が能動的な光源かまたは照明可能な反射点の何れかである複数の第１の
    光源の第１の位置を測定する段階と、 第１の部品を幾何学的に記述しているデータファイルと第１の位置とを整合
    させる段階とを含む方法。
  2. 【請求項２】 第１の部品を幾何学的に記述しているデータファイルに第１
    の位置を整合させる段階が、 ファセットマッピングに対する第１の光源の何れが、第１の光源が位置して
    いる第１の部品の何れのファセットであるかを特定する、ファセットマッピング
    に対する第1の光源を生成することと、 第１の位置を第１の部品の座標フレームに変換する変換を推定し、それによ
    って第１の部品上の第1の光源の推定された位置を生成することと、 推定された位置と第１の部品の各ファセットとの間の第1の距離を計算する
    ことと、 第１の距離を最適化して、第１の部品上の前記複数の第１の光源の位置を配
    置することとを含む請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 複数の第１の光源の各々に対応する第１の距離の各々は、対
    応するファセットのローカルな表面の法線ベクトルと推定された位置との間の交
    差点をとることによって与えられ、この法線ベクトルが、第１の部品の幾何学的
    規定を含む第1のデータファイルから導き出すことができる請求項１または２記
    載の方法。
  4. 【請求項４】 複数の第１の光源の第１の位置を測定するように動作する測
    定手段と、 第１の位置を、第１の部品を幾何学的に記述するデータファイルに整合する
    整合手段とを含む、第１の光源が付着されたときに第１の部品上の複数の第１の
    光源を校正する装置。
  5. 【請求項５】 整合手段が、 ファセットマッピングに対する第1の光源を生成するマッピング手段、 第１の位置を第１の部品へ変換する変換手段、 コンピュータの読取りディスク上に記憶され、第１の部品の幾何学的な定義
    を与える第１のデータファイル、および、 測定手段によって測定される第1の位置を処理し、マッピング手段、変換手
    段、および第１のデータファイルに関連して前記第１の位置を操作して、前記第
    １の光源が第１の部品に付着されるときに第１の部品上の複数の第１の光源の位
    置を校正するプロセッサを含む請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 測定手段が、 エンドエフェクタ、 各々がエンドエフェクタに取付け可能であり、第１の部品の少なくとも３つ
    の共面でないファセットを作像するよう構成可能な少なくとも２つの作像デバイ
    ス、 各々が各作像デバイスに関係している少なくとも２つの第２の光源、および
    、 作像デバイスとプロセッサとの間において第１の位置を示す出力信号を送る
    通信リンクを含む請求項４記載の装置。
  7. 【請求項７】 作像デバイスの各々が、ディジタル化可能な像を生成するよ
    うに動作可能な測定用センサである請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】 複数の第１の光源の各々が反射性ターゲットである請求項７
    記載の装置。
  9. 【請求項９】 第１の部品の３つの異なるファセット上に少なくとも６つの
    光源が位置付けられている請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 第１のデータファイルが第１の部品のコンピュータエイデ
    ッドデザイン（ＣＡＤ）モデルである請求項１記載の方法を実施する装置。
  11. 【請求項１１】 第１のデータファイルが第１の部品のコンピュータエイデ
    ッドデザイン（ＣＡＤ）モデルである請求項４記載の装置。
JP2001509937A 1999-07-08 2000-06-29 第１の部品上の複数の第１の光源の位置を校正する方法および装置 Pending JP2003504608A (ja)

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