JP2005342832A - ロボットシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1のロボットR1に視覚センサのカメラを搭載し、第2のロボットR2に特徴部を設ける。ロボットR1、R2に第1の初期状態をとらせ(G1)、そこから特徴部の画像が目標位置/大きさとなるようにロボットR1またはR2を移動させ(G2)、現在位置P1,Q1 を記憶する(G3)。以下、初期状態の各ロボット位置を変えながら、N回(N≧3)繰り返す(G4)。N回の繰り返しによって得られたP1 ・・・PN とQ1 ・・・QN に基づいて、Σb からΣb'への座標変換を表わす行列Tを求める。ロボット制御装置は1台としても、2台としても良い。
【選択図】図7
Description
ステップF1;
ロボットR1、R2の一方あるいは両方を移動させ、「目標値設定用基準状態」とする。ここで、目標値設定用基準状態は、カメラ4の視野で特徴部30を適当な大きさで捕らえ得る状態であれば、一般に、ロボットR1、R2の位置は任意に定めて差し支えなく、例えば、教示操作盤18を使ってロボットR1、R2の一方あるいは両方をジョグ移動させ、カメラ4が特徴部30と適当な距離を隔ててほぼ正対する状態(図1参照)で位置決めし、それを「目標値設定用基準状態」とする。
目標値設定用基準状態で、カメラ4による撮像を実行し、特徴部30の画面上での位置を含む2次元特徴量を検出する。本実施形態では、特徴部30の受光面面上での位置(特徴部代表点31の受光面面上での位置)と大きさを検出し、「目標値」として記憶(設定)する。目標値設定用基準状態における特徴部30の画像の例を図6に示した。ここでは、円形の特徴部30とカメラ4がほぼ正対する状態を目標値設定用基準状態に定めているので、画面のほぼ中央に円形の像30cが映ることになる。31cはその中心点である。なお、一般には円形の特徴部30をカメラ4が斜めから見る可能性を考慮して、「特徴部30の受光面上での大きさ」は、「特徴部30の受光面上での最大径(楕円の長軸に沿った径)」で代表させるものとする。
第2のロボットR2に取り付けられた特徴部30について、カメラ4及び画像処理装置2を用いて、ロボットR2のツール取付面に固定されたメカニカルインターフェイス座標系Σf'から見た位置、即ち、特徴部代表点31を見た位置(行列)Sf'を計測する。この計測には、特願2004−113451号の明細書/図面に記載した手法が利用でできる。その要点については後述する。
ステップF4;
第2のロボットR2に取り付けられた特徴部30について、カメラ4及び画像処理装置2を用いて、ロボットR1のロボット座標系Σb から見た位置、即ち、特徴部代表点31を見た位置(行列)を計測し、結果を記憶する。この計測には、特願2004−特願2004−9848号の明細書/図面に記載した手法が利用できる。その要点については後述する。
ステップF4の結果と、同結果を得た時のロボットR1の現在位置(Σb 上でのΣf の位置)に基づいて、ロボットR1のツール取付面に固定されたメカニカルインターフェイス座標系Σf から見た特徴部30の位置、即ち、特徴部代表点31を見た位置(行列)Vf を求めて記憶し、準備作業を終了する。
ステップG1;第1のロボットR1と第2のロボットR2を第1の初期状態の各位置に移動させる。第1の初期状態の各位置(ロボットR1の第1の初期位置とロボットR2の第1の初期位置)は、後述する第2、第3の初期位置と同様、カメラ4の視野で特徴部30を適当な大きさで捕らえ得る初期状態が得られるのであれば、一般には、3次元空間内に任意に定めて差し支えない。一般には初期状態ではカメラ4と特徴部30は前述した目標値に対応する位置(本実施形態では受光面中央付近;図6参照)からややはずれた位置になる。ここでは、カメラ4による撮像でモニタ3に図8中に符号30aで示したような特徴部(画像)位置が得られる状態が第1の初期状態であるものとする。符号31aは30aの中心位置(特徴部代表点の位置)である。初期状態への移動には、例えば教示操作盤18を用いたジョグ移動が利用できる。
ステップG4;上記したステップG1〜ステップG3を、ステップG1における初期状態の各位置を変えながら、N回(N≧3)繰り返す。例えばN=3の場合、ロボットR1について3つの初期位置、ロボットR2について3つの初期位置をそれぞれ選び、3種類の初期状態を造れば良い。但し、ロボットR1についての3つの初期位置、およびロボットR2についての3つの初期位置は、いずれも一直線上には並ばないようにする。
即ち、上記の各位置のセットPi,Qi (i=1〜N)について、下記の式が成立するので、これらを連立方程式として解くことで、Tが得られることになる。
T*Qi *Sf'=Pi *Vf
ここで、Sf'及びVf のデータは前述の準備作業で記憶済みのものを使用する。
上述した構成を用いて特徴部代表点31の相対位置を求める場合、「視線40を求めること」が基本となる。一般に、視線を求めるためにはいわゆるカメラキャリブレーションの手法が知られているが、ここではそのような手法は必要としない。即ち、カメラキャリブレーションの手法に頼らずに視線40に関する情報を得るために、特徴部代表点31の受光面上での位置を受光面上の所定箇所に向かわせる(到達させる)ようにロボットを移動させる処理が基本となる。ここで、「受光面上の所定箇所」は具体的には例えば「受光面上の中心点(幾何学的な重心位置)」の如く、「所定の点」として予め定義されるので、以下、この処理を「所定点移動処理」と呼ぶことにする。
この場合、像31dが画面上で点Mに向かって斜め左下方向に移動する方向にロボットR2を移動させれば良い訳である。これは、前述した目標値実現のためのロボット移動と同様の移動であり、比較的簡単である。具体的には、例えばメカニカルインターフェイス座標系Σf'のXY平面内で任意のいくつかの方向(複数方向)にロボットR2を動かしてみて、その都度特徴部代表点の像31dが画像上でどの方向に移動したかを観察し、ロボットR2の移動方向と画像上での特徴部代表点の移動方向の関係、及びロボットの移動量と画像上での特徴部代表点の移動量の関係を求める手順を実行すれば良い。
[ステップT3について]
以上が「所定点移動処理」であり、この処理が完了した時点、即ち、図12中に符号31dで示した特徴部代表点像が写っているロボットの初期位置から、上記所定点移動処理により、画像中心Mに符号31eで示した特徴部代表点像が得られるロボット位置に移動が完了したら、ロボット座標系Σb'上での座標系Σf'の位置Qf1を取得し、記憶しておく。
次に、視線40の方向を求める処理に移る。視線40は、画像中心に特徴部代表点像が写っている状態において、画像中心に相当するカメラ撮像面上の点Mと特徴部代表点31を結ぶ直線である。ここでは、この直線がロボットのメカニカルインターフェイスを表わす座標系Σf' に対して、どのような方向を向いているか求める。そのために先ずステップT4の処理によりロボットR2を並進移動させる。図13はこの処理に関連する説明図で、同図において、座標系Σv1は視線40の方向を求めるために考える座標系であり、次の条件を満たすものとする。
(I)座標系Σf' と座標系Σv1とは同一の原点を持つ。
(II)座標系Σv1のZ軸方向は視線40の方向と一致する。
ステップT4による並進移動を行なうと、当然、一般には特徴部代表点31の像は再度画像中心(受光面の中心)Mから外れる。そこで、再度、所定点移動処理を実行する(ステップT5)。所定点移動処理についてはステップT2で説明した通りで、特徴部代表点31の像は再び画像中心(受光面の中心)Mから誤差範囲内の位置に戻る。ステップT5の完了後に、ロボット座標系Σb'上での座標系Σf'の位置Qf2を取得し、記憶する(ステップT6)。
上記ステップT3で得たQf1と上記ステップT6で得たQf2とを結ぶ直線は、視線40の方向を表わしている。ステップT4のロボット移動前のΣf'上で見たQf1からQf2への相対移動量をdX、dY、dZとすると、座標系Σf' 上での座標系Σv1の姿勢を表わすオイラー角(W、P、R)は下記の式で計算できる。これにより、座標系Σv1が定められたことになり、そのZ軸方向が視線40の方向を表わしている。
ステップT7で視線40の方向が求められたので、次に視線40の位置を求める処理に進む。図14(a)、(b)はこの処理に関連する説明図で、図14(b)中、座標系Σv2は視線40の位置と方向を表わす座標系で、図5において座標系Σv として表記されたものに対応し、次の条件を満たすものとする。
(III)座標系Σv2は視線40上に原点を持つ。
(IV)座標系Σv2のZ軸方向は視線40の方向と一致する。
そこで、回転移動完了後にロボット位置Qf3を取得し、記憶する(ステップT10)。そして、このQf1とQf3の中点を座標系Σv2の原点位置として求める。
最後に、視線40の位置・姿勢を利用して、特徴部代表点の位置を求める処理を実行する。図15はこれに関連する説明図である。Qf1を座標系Σv2のY軸周りに傾けた位置にロボットを傾斜移動させる(ステップT12)。そして再度所定点移動処理を実行する(ステップT13)。図15は、この処理完了後の状態がツール30bとともに示されている(座標系Σv2は座標系Σv2'に移動)。なお、符号30aは、傾斜移動前の特徴部を表わしている。ステップT13完了後にロボット位置Qf4を取得し(ステップT14)、記憶する。
ここで、ロボットがQf4 に位置決めされている時のΣf'から見たΣv2'のZ軸はVで表され、ロボットがQf1 に位置決めされている時のΣv2のZ軸は、
Qf4−1・Qf1・V
で表される。両者のZ軸の交点を求めれば、それがロボット位置Qf4における特徴部代表点31の位置(座標系Σb'上での位置)となる。これをロボット位置Qf4を用いてSf'に変換すればそれが求めるものである(ステップT15)。
所定点移動処理は、前述したステップT1、T2と同様のプロセスで行なうものなので詳細説明は省略するが、要するに、受光デバイス(カメラ、PSD等)で捉えられた特徴部代表点31が「受光面上の所定点」に向かうような方向に、受光デバイスを移動させ、実際に、受光面上において所定の誤差内で特徴部代表点31を所定点に一致させる処理のことである。「受光面上の所定点」として、ここでも「受光面(CCDアレイ)の中心点」を採用する。
所定点移動処理が完了した時点、即ち、画像中心に特徴部代表点像が得られるロボット位置に移動が完了したら、ロボット座標系Σb 上での座標系Σf の位置Qf1を取得し、記憶しておく。
次に、視線40の方向を求める処理に移る。視線40は、画像中心に特徴部代表点像が写っている状態において、画像中心に相当するカメラ撮像面上の点Mと特徴部代表点31を結ぶ直線である。ここでは、この直線がロボットR1のメカニカルインターフェイスを表わす座標系Σf に対して、どのような方向を向いているか求める。そのために先ずステップT4’の処理によりロボットR1を並進移動させる。
図17はこの処理に関連する説明図で、同図において、座標系Σv1は視線40の方向を求めるために考える座標系であり、次の条件を満たすものとする。
(I)座標系Σf と座標系Σv1とは同一の原点を持つ。
(II)座標系Σv1のZ軸方向は視線40の方向と一致する。
この座標系Σv1のZ軸が、所定点移動処理完了時に座標系Σf 上でどの方向を向いているかを求める。より具体的には、座標系Σf 上での座標系Σv1の姿勢を表わすオイラー角(W、P、R)の内の(W、P)成分を求めることを考える。
ステップT4’による並進移動を行なうと、当然、一般には特徴部代表点31の像は再度画像中心(受光面の中心)から外れる。そこで、再度、所定点移動処理を実行する(ステップT5’)。所定点移動処理については説明済みであり、特徴部代表点31の像は再び画像中心(受光面の中心)Mから誤差範囲内の位置に戻る。ステップT5’の完了後に、ロボット座標系Σb 上での座標系Σf の位置Qf2を取得し、記憶する(ステップT6’)。
上記ステップT3’で得たQf1と上記ステップT6’で得たQf2とを結ぶ直線は、視線40の方向を表わしている。ステップT4’のロボットR1移動前のΣf 上で見たQf1からQf2への相対移動量をdX、dY、dZとすると、座標系Σf 上での座標系Σv1の姿勢を表わすオイラー角(W、P、R)は下記の式で計算できる。これにより、座標系Σv1が定められたことになり、そのZ軸方向が視線40の方向を表わしている。
ステップT7’で視線40の方向が求められたので、次に視線40の位置を求める処理に進む。図18(a)、(b)はこの処理に関連する説明図で、図18(b)中、座標系Σv2は視線40の位置と方向を表わす座標系で、図5において座標系Σv として表記されたものに対応し、次の条件を満たすものとする。
(III)座標系Σv2は視線40上に原点を持つ。
(IV)座標系Σv2のZ軸方向は視線40の方向と一致する。
既に視線40の方向が座標系Σv1(図18(a)参照)の姿勢でZ軸として求められており、座標系Σv2のZ軸方向は座標系Σv1のZ軸方向と同一である。原点位置を求めるために、Qf1 を座標系Σv1のZ軸周りで180度回転させた位置へロボットR1を移動させ(ステップT8’)、次いで再び所定点移動処理を実行する(ステップT9’)。図18(a)はこの回転移動(矢印B参照)と、所定点移動処理による移動が完了した状態を併記しており、図18(b)には、座標系Σv2の原点位置が示されている。座標系Σv2の原点位置は、回転移動前後の座標系Σf の中点で与えられる。
最後に、視線40の位置・姿勢を利用して、特徴部代表点の3次元位置を求める処理を実行する。図19はこれに関連する説明図である。Qf1を座標系Σv2のY軸周りに傾けた位置にロボットR1を傾斜移動させる(ステップT12’)。
そして再度所定点移動処理を実行する(ステップT13’)。図19は、この処理完了後の状態が視線40bとともに示されている(座標系Σv2は座標系Σv2' に移動)。なお、視線40aは、傾斜移動前の視線を表わしている。ステップT13’完了後にロボットR1の位置Qf4を取得し(ステップT14’)、記憶する。
Qf1−1・Qf4・V
で表わされる。これらの式から、両者のZ軸の交点を求めれば、それが特徴部代表点(被測定ターゲット)31の3次元位置となる。これをロボット位置を用いてVf に変換すればそれが求めるものである(ステップT15’)。
2 画像処理装置
3 モニタ
4 カメラ
11 メインCPU(ロボット制御装置内)
12 メモリ
13 教示操作盤用インターフェイス
14 通信インターフェイス(ロボット制御装置側)
15 サーボ制御器
16 外部装置用の入出力インターフェース
17、50 バス
18 教示操作盤
20 CPU(画像処理装置内)
21 ROM
22 画像処理プロセッサ
23 カメラインターフェイス
24 モニタインターフェイス
25 入力機器
26 フレームメモリ
27 不揮発性メモリ
28 RAM
29 通信インターフェイス(画像処理装置側)
30 特徴部(マーク)
30a、30b、30c、30d、30e 特徴部の像(または移動前後の位置)
31 特徴部代表点
31a、31b、31c、31d、31e 特徴部代表点の像
32 ツール取付面
40、40a、40b 視線
R1 第1のロボット
R2 第2のロボット
Claims (12)
- 第1のロボット座標系が設定された第1のロボットと第2のロボット座標系が設定された第2のロボットを含むロボットシステムであって、
前記第1のロボット又は該第1のロボットに取り付けられた物体上に搭載された、受光デバイスを含む計測装置と、
前記第1のロボットと前記第2のロボットを初期状態の各位置に位置決めする手段と、
前記第2のロボット又は該第2のロボットに取り付けられた物体上の特徴部を前記受光デバイスで捕らえ、前記受光デバイスの受光面上に結像した特徴部を検出する手段と、
前記検出結果に基づいて、前記受光面上における前記特徴部の位置を含む2次元特徴量を予め定めた目標値に一致させるような前記第2のロボットの移動量を求める手段と、
該求められた前記第2のロボットの移動量に応じて前記第2のロボットを移動させる手段と、
該移動後の前記第2のロボットの位置情報を取得し記憶する手段と、
前記初期状態が3つ以上与えられた場合に、各々の初期状態毎に記憶した前記第2のロボットの位置情報を用いて、前記第1のロボット座標系と前記第2のロボット座標系の相対位置を算出する手段とを備えたことを特徴とする、ロボットシステム。 - 前記第2のロボットの前記移動後、前記第2のロボットの位置を取得し記憶する前に、前記受光デバイスの受光面上に結像した特徴部の前記受光面上の位置を含む2次元特徴量が前記目標値に所定の誤差内で一致したことを判定する一致判定手段を備えたことを特徴とする、請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記一致判定手段により、前記所定の誤差内で一致したと判定できなかった場合、前記第2のロボットの位置を再度初期状態とする手段を備えたことを特徴とする、請求項2に記載のロボットシステム。
- 第1のロボット座標系が設定された第1のロボットと第2のロボット座標系が設定された第2のロボットを含むロボットシステムであって、
前記第1のロボット又は該第1のロボットに取り付けられた物体上に搭載された、受光デバイスを含む計測装置と、
前記第1のロボットと前記第2のロボットを初期状態の各位置に位置決めする手段と、
前記第2のロボット又は該第2のロボットに取り付けられた物体上の特徴部を前記受光デバイスで捕らえ、前記受光デバイスの受光面上に結像した特徴部を検出する手段と、
前記検出結果に基づいて、前記受光面上における前記特徴部の位置を含む2次元特徴量を予め定めた目標値に一致させるような前記第1のロボットの移動量を求める手段と、
該求められた前記第1のロボットの移動量に応じて前記第1のロボットを移動させる手段と、
該移動後の前記第1のロボットの位置情報を取得し記憶する手段と、
前記初期状態が3つ以上与えられた場合に、各々の初期状態毎に記憶した前記第1のロボットの位置情報を用いて、前記第1のロボット座標系と前記第2のロボット座標系の相対位置を算出する手段とを備えたことを特徴とする、ロボットシステム。 - 前記第1のロボットの前記移動後、前記第1のロボットの位置を取得し記憶する前に、前記受光デバイスの受光面上に結像した特徴部の前記受光面上での位置を含む2次元特徴量が前記目標値に所定の誤差内で一致したことを判定する一致判定手段を備えたことを特徴とする、請求項4に記載のロボットシステム。
- 前記一致判定手段により、前記所定の誤差内で一致したと判定できなかった場合、前記第1のロボットの位置を再度初期状態とする手段を備えたことを特徴とする、請求項5に記載のロボットシステム。
- 前記第1のロボットは第1のロボット制御装置に接続される一方、前記第2のロボットは、前記第1のロボット制御装置とは別の第2のロボット制御装置に接続されており、
前記第1のロボット制御装置と前記第2のロボット制御装置とは通信手段で接続されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のロボットシステム。 - 前記第1のロボットと前記第2のロボットは、同一のロボット制御装置に接続されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のロボットシステム。
- 前記計測装置の搭載は、前記第1のロボットと前記第2のロボットの相対位置を算出する時に一時的に行われることを特徴とする、請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載されたロボットシステム。
- 前記特徴部は、前記第1のロボットと前記第2のロボットの相対位置を算出する時に一時的に設けられることを特徴とする、請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載されたロボットシステム。
- 前記受光デバイスが、2次元画像を撮像するカメラであることを特徴とする、請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載されたロボットシステム。
- 前記受光デバイスが、PSDであることを特徴とする、請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載されたロボットシステム。
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