JP2007533963A - 物体の３ｄ位置の非接触式光学的測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

この発明は物体の３Ｄ位置、すなわち、ある幾何学的特性が公知の物体の３Ｄ位置及び３Ｄ配向の非接触式光学的決定のための方法及び装置に関する。前記発明の目的は単純な手段で、高測定速度、精度で、調査物体に関する完全な３Ｄ情報を調査することである。この目的のため、物体画像がカメラによって生成され、その生成画像に基づく物体の３Ｄ位置が、検出幾何学的特性に関する画像情報によって計算される。

Description

この発明は、物体の３Ｄ（３次元）位置の非接触式光学的測定方法及び測定装置に関するものであって、さらに詳しくは、前記３Ｄ位置の測定が、幾何学的特性が公知である前記物体の３Ｄ配置及び３Ｄ配向を測定するプロセスを有する物体の３Ｄ位置の測定方法及び測定装置に関する。

製造フローの自動化は、工業製造において益々重要な役割を果たしている。
処理される構成部品の正確な位置決めが不可能な製造ラインの場合、前記構成部品の完全な３Ｄ位置、すなわち空間内での３Ｄ配置及び３Ｄ配向を知ることは、ロボットを使用して前記構成部品を把持し、処理することを可能にするために、特に重要である。

さらに、３Ｄ位置の測定は、ロボットの調整のために使用することができる。
そのため、前記幾何学的特性がロボットアーム上に公知の方法で配置され、あるいは調整ターゲットがロボットアーム上に取り付けられている。
前記ロボットアームが、固着されたカメラのレンズ有効範囲内で移動され、その後、ロボットアームの３Ｄ位置の測定が、その配置及び配向を調査及び／又は再調整するために実施される。

他の用途は、取り付け状態における構成部品の３Ｄ位置の測定である。
例えば、基準部品の位置を測定することで、誤って取り付けられた構成部品を判断するために、装着部品の位置が基準部品の位置に一致しているかどうかを調査することが可能である。

昨今では、３Ｄ位置を測定するための公知の装置が殆ど多カメラシステムであり、このようなシステムは、二台以上のカメラを使用するためにかなりのコストを伴う。
一台のカメラを使用する場合には、複数の構成部品を把持するための調整２Ｄ法のみがこれまで公知である。
すなわち、平面内の配置及び配向（３つの自由度）及び更に構成部品の高さについての情報（１つ以上の自由度）が測定される。
しかしながら、この方法を使用したとしても、構成部品の位置について、せいぜい２．５Ｄ情報しか得られず、その結果、例えば、構成部品が傾斜位置にある場合には、構成部品を正確に認識することが不可能である。

ロボットの調整は、６つの自由度全てを設定するために対応した補助手段が欠けているため、当技術の現状によれば殆ど手動で実施されている。
この調整は、かなりの時間を要し、従って保守に長時間を要する。
さらに、手動調整法は、一般に比較的不正確である。

今日、構成部品装着後の位置測定を多カメラシステムだけを使用して実施することも可能である。
また、１つの測定変量の感覚による解決法が公知であり、その解決法では、多センサー評価を使用して実際の全問題を解決する。
そのようなセンサーによる多測定も時間を要し、３Ｄ位置の全体的評価に役に立つことが殆どないことが多い。

この発明の目的は、物体の３Ｄ位置の非接触式光学的測定方法及び測定装置を、単純な手段を使用して高速度及び高精度で、調査すべき物体についての完全な３Ｄ情報を測定することが可能なように設計し、さらに改善することである。

本発明の３Ｄ位置の非接触式光学的測定方法は、請求項１の特徴により前記目的を達成する。
従って、その方法は、物体の画像が一台のカメラによって生成され、前記物体の３Ｄ位置が、検出された幾何学的特性についての画像情報に基づく前記カメラ画像から計算されることを特徴とする。

本発明方法では、３Ｄ位置の測定のために幾つかのカメラを使用することは、コストの点で、またカメラの取り付けと調整に対しても極めて高価であることが先ず分かった。
公知の方法とは異なる方法をとることにより、物体の画像が一台のカメラによって生成され、物体の３Ｄ位置が幾何学的特性に関連する画像情報に基づくカメラ画像から計算される。
単純化及びコンパクト化されるため、製造における一連の動きに対する本発明方法の影響が実質的に低減した。
ロボットを調整する場合、本発明方法を利用して一般に不正確な手動設定を取り除くことが可能であり、従って、信頼性のある高度な手段を保証することができる。
さらに、これにより迅速なロボットの設定が可能となり、それにより保守時間が短縮される。

この方法を特に高効率で達成する目的で、３Ｄ位置の完全な測定が、一台のカメラを使用する１つの画像取り込みによって特に有利な方法で実施される。
３Ｄ位置を計算するための基礎として、カメラの実際の画像プロセスを数学モデルによりモデル化することができる。
画像プロセスの構成において、特に、調査すべき物体とカメラとの間の配置と配向、使用される光学素子の特性（焦点距離、歪など）、遠近法変換、そしてカメラ及び／又はコンピュータ内への画像の取り込み時の照度のデジタル化と不連続化を考慮することが可能である。

このモデルに基づいて、幾何学的特性の公知の３Ｄ位置及び対応する２次元の画像情報とから１つの相関関係が導き出される。
言い換えれば、複数の方程式の系（通常、非線形）を準備することができ、その系に画像プロセスのパラメータが未知の変数として入力される。
例えば、２つの方程式が、物体に関する３Ｄ位置と、その物体の２次元の画像位置との相関関係から得られる。
従って、幾つかの特性を使用することで、画像プロセスの自由なパラメータ全ての方程式の系を挙げること及び数学的方法を使用して未知の変数を決定することが可能である。
有利な方法では、自由なパラメータとして系内でモデル化される多くの方程式が使用される。
それで、そのような方程式の過決定系を解くために、非線形最適化法を使用して最適な解を決定する。

単純化するための高度な手段を確保することを考慮して、カメラを固定保持することができる。
さらに、カメラの位置合わせも固定して予め設定することができる。
特定の用途により、複数の点、複数の直線、複数のアングル、複数の円、複数の楕円の輪郭及び／円錐断面を物体に関して公知の位置を特定する幾何学的特性として使用することができる。
この場合、唯一の重要な点は、これら幾何学的特性が一般に数学的に説明できる輪郭及び形状であり、これらは構成部品に関して公知であり、カメラ画像で十分に観察及び評価できる点である。

幾何学的物体を、調整のため及び位置決定のために使用することができる。
調整の枠組み内で、例えば、カメラの内部パラメータを決定するために幾何学的物体を使用することができる。
この調整を使用して、光学歪を補正することができ、特に、カメラ座標系と物体座標系との間の３Ｄ位置の関係を決定することができる。
物体の幾何学的特性の代わりに、別の調整ターゲットも調整に使用することができる。

カメラ調整の使用と、それによる所謂カメラの外部パラメータ（位置用の３つのパラメータ、回転用の３つのパラメータ）の評価によって、カメラ座標系に対して、物体の３Ｄ位置を測定することができる。
また、他の任意の決定可能な固定座標系に対して、物体の３Ｄ位置を測定することが、別の段取り工程を使用して測定可能な例えば、世界座標系と比較することによって可能である。
基準マスター部品の運動測定値あるいは比較測定値の枠組み内で、物体の３Ｄ位置を動的座標系に対しても測定することができる。

特定の実施形態では、一台又は二台以上の別のカメラが設けられ、それらを使用して物体の画像を、異なったカメラアングルで生成することが好ましい。
別の画像の生成のために、幾つか固定の単一カメラあるいは一台又は二台以上の移動カメラを使用することができる。
別の画像を使用して、計算された３Ｄ位置を別の品質基準を使用して評価することができ、必要なら補正を実施することができる。
その結果として、３Ｄ位置の更に改善された高精度の測定が達成される。

さらに、他の補助センサーを設けることが可能であり、それを使用して３Ｄ位置の測定における誤差を補償及び／又は補正することができる。
特に、例えば、これらのセンサーとして、周囲温度のばらつきを補償する温度センサーを用いることが可能であり、それにより、３Ｄ位置を計算するときに、調査すべき物体の温度依存性膨張を考慮することが可能である。

特に有利な方法では、追跡測定及び／又はキャンバー測定を、リムの幾何学的特性に基づいて自動車に関して実施することができる。
それによりリムに対してマーク付けされた位置が、幾何学的特性として自動的に付与されることが可能である。
このマーク付けされた位置は、例えば、バルブ又はハブキャップとすることができる。
好ましい実施形態では、付与されたマーク付けされた位置がユーザーにより相互に受け入れられるか、あるいは、拒絶される。
リムに関する幾何学的形状を知っているため、結果としてホイールベースをその自由度全てでチェックすることが可能である。
従って、第一に、リムに関する突出パターンの要件が省略され、第二に、緩いサスペンション支柱の場合、正又は負の車軸キャンバーを測定することができる。

この装置に関しては、前記目的が請求項１７の特徴によって達成される。
従って、物体の３Ｄ位置の非接触式光学的測定装置は、物体の３Ｄ位置が、検出された幾何学的特性についての画像情報に基づいて、前記物体の画像を生成する一台のカメラのカメラ画像から計算されることによって測定されることを特徴としている。
この発明に係る装置は、請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の方法を実施するために機能し、その結果として、繰り返しを避けるために前の説明部分を参照する。
前記カメラ画像の迅速な評価と３Ｄ位置の即時計算に関して、この装置は、適当な画像処理ソフトウェアを有した工業用パソコンを備えていることが好ましい。

本発明の教示を有利に設計し、そして更に改善する種々のオプションがある。
このために、第一に、請求項１に従属する複数の請求項と、第二に、図面に基づく以下の発明の好ましい実施形態の説明を参照する必要がある。
一般に、好ましい設計形態と教示形状も、１つの図面に基づくこの発明の好ましい実施形態の説明に関連して説明される。

図は、物体１の３Ｄ位置が軸、ｘ、ｙ、ｚを使用する空間固定座標系に対して測定される物体１の３Ｄ位置の非接触式光学的測定装置を概略的に示している。
この目的のため、物体１の画像が物体１上方に配置された一台のカメラ２で生成される。
カメラ２の位置と調整は、この空間固定座標系ｘｙｚに対して固定して予め設定される必要がある。
画像取り込み時に、カメラ２の近傍円周に配置された光源３が、物体１を十分に照明することができる。

このカメラデータは、モニター５を備える工業用パソコン４に移される。
そこで２Ｄ（２次元）の画像情報と物体１に存在する幾何学的特徴の公知の３Ｄ位置（図示せず）とを相互に関係づけることが行われる。
画像プロセスの自由なパラメータ全てに対して、非線形最適化プロセスの解法には複数の方程式の過決定系が用意されている。
これらの複数の方程式の系の解法後に、物体１の正確な３Ｄ位置を決定することができ、座標をロボット６に移すことができる。
物体１の配置と配向を知ることで、ロボット６が、対応する補正の後、物体１を把持及び／又は処理することができる。
最後に、前記実施形態は、請求された教示内容を説明するためにのみ役立つが、この教示内容を前記実施形態に限定するものではないことを特に指摘する必要がある。

本発明の物体の３Ｄ位置の非接触式光学的測定装置の１つの実施形態の概略図である。

符号の説明

１ 物体
２ カメラ
３ 光源
４ 工業用パソコン
５ モニター
６ ロボット

Claims (24)

1. 物体の３Ｄ位置の非接触式光学的決定のための方法であって、該３Ｄ位置の決定が、前記物体の３Ｄ位置及び３Ｄ配向の決定を有し、前記物体の幾何学的特性が、公知である該方法において、
   前記物体の画像が、カメラによって生成され、前記物体の３Ｄ位置が、検出された幾何学的特性についての画像情報に基づく該カメラ画像から計算されることを特徴とする物体の３Ｄ位置の非接触式光学的決定のための方法。
2. 前記３Ｄ位置の完全な決定が、前記カメラを使用する１つの画像取り込みによって実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記幾何学的特性の公知３Ｄ位置が、各々の場合において、対応する２次元画像情報に対応付けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 複数式の系が、画像プロセスの自由なパラメータ全てに備えられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 非線形最適化方法が、複数式の過決定系の解決に使用されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記カメラが、固定保持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記カメラの位置合わせが、予め設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の装方法。
8. 数学的に記載される一般的な輪郭と形状が、幾何学的特性として使用されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 複数の点、複数の直線、複数のアングル、複数の円、複数の楕円形状及び／又は円錐断面が、幾何学的特性として使用されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記カメラが、前記幾何学的特性を使用して調整されることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 内部のカメラパラメータが、調整の枠組み内で決定されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記物体の３Ｄ位置が、固定座標系に対して決定されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記物体の３Ｄ位置が、カメラ座標系、物体座標系に対してあるいは世界座標系に対して決定されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記物体の３Ｄ位置が、動的座標系に対して決定されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記物体の画像が、１つ又は２つ以上の別なカメラを使用して好適には種々のカメラアングルから生成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記別の画像によって、前記物体の計算された３Ｄ位置の品質が決定され、必要であれば補正が行われることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記３Ｄ位置の決定での誤差が、センサーによって補償され及び／又は補正されることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 追跡測定及び／又はキャンバー測定が、リムの幾何学的特性に基づいて自動車で実施されることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記リムに対して自動的にマーク付き場所が、幾何学的特性として設けられていることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記設けられたマーク付き場所が、ユーザーによって相互作用的に受け入れられるか拒絶されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 物体の３Ｄ位置の非接触式光学的決定のための装置であって、該３Ｄ位置の決定が、前記物体の３Ｄ位置及び３Ｄ配向の決定を有し、前記物体の幾何学的特性が公知であり、好適には請求項１ないし請求項２０のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置において、
    前記物体の３Ｄ位置が、検出された幾何学的特性についての画像情報に基づいてカメラ画像から計算される前記物体の画像を生成するカメラを特徴とする物体の３Ｄ位置の非接触式光学的決定のための装置。
22. 前記カメラが、固定されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 前記カメラ画像を評価し、前記３Ｄ位置を計算するための少なくとも１つの工業用パソコンを特徴とする請求項２１又は請求項２２に記載の装置。
24. 前記工業用パソコン、が画像処理ソフトウェアを特徴とする請求項２３に記載の装置。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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