JP2010172986A - ロボットビジョンシステムおよび自動キャリブレーション方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】提案するロボットビジョンシステムは、第1および第2のカメラにより構成されるステレオカメラ1と、アームを有するロボット4と、ステレオカメラ1およびロボット4を駆動し制御する制御装置2と、ステレオカメラ1の基礎行列算出に用いる基礎行列算出用冶具3をロボット4のアーム先端部に固定する機構と、を有する。
【選択図】 図1
Description
図1は、本発明の一実施形態に係るロボットビジョンシステムの構成を示す図である。
このロボットビジョンシステムは、図には示されていないが、2台のカメラにより構成されるステレオカメラ1と、ステレオカメラ1により取得した画像を画像処理して三次元計測・認識を行なうパーソナルコンピュータ(以下、“PC”という)2と、先端部に基礎行列算出用冶具としてのチェッカーボード3が取り付けられたアームを有するロボット4と、PC2からLAN(Local Area Network)等の通信手段を通して受信した目標座標に基づいてロボット4を制御するロボットコントローラ5と、により構成される。なお、図1には示されていないが、始めに、ロボット4のアームの先端のハンドに設けられた穴部に、チェッカーボード3の裏面に設けられた凸部を挿通させて固定具(不図示)によりチェッカーボード3を固定している。
始めに、アームの根元位置6を原点とするロボット座標系において、機構的に既知な位置に指示ピン8を設置する。
始めにチェッカーボードの交点数(縦数・横数)を設定しておく。次にカメラの画像に入らなかった点の座標値の平均値を座標値とする点を基点とし、画像の中心点により定まるベクトルを求める。
図4は、過去に撮影した認識点を参照した、認識点の分布を均一にするためのチェッカーボードの移動例を示す図である。なお、白抜きの○が過去に撮影したチェッカーボードに認識点、灰色の○が現在撮影使用としているチェッカーボードの認識点を表している。
このチェッカーボード交点の検出処理について続いて説明する。
始めに、図5に示すように、チェッカーボード3に対し、その上位置10−1と下位置10−2を判別する処理を行なう。図5に示す場合のように、チェッカーボード3のマスの数が上下方向(ここでは“8”マス)と左右方向(ここでは“9”マス)で異なる場合には、上位置10−1と下位置10−2の画像パターンは明らかに異なっているため、上位置10−1と下位置10−2の判別が可能である。
左カメラにおけるマーカーの2次元座標(XLij,YLij)
右カメラにおけるマーカーの2次元座標(XRij,YRij)
ロボット座標系におけるマーカーの三次元座標(XCij,YCij,ZCij)
ロボット座標系における各マーカーの三次元座標は以下の手順により求める。
そして、求めた画像iのマーカー番号jのロボット座標系におけるマーカーの三次元座標と、左カメラの画像iのマーカー番号jの2次元座標と、右カメラの画像iのマーカー番号jの2次元座標とを対応付けて、その対応付け情報をPC2のメモリ内に格納する。
図8に示すように、作業対象の物体のある点Mを第1のカメラ(左カメラと右カメラのうちの一方、例えば左カメラ)と第2のカメラ(左カメラと右カメラのうちの他方、例えば右カメラ)で撮影した場合において、第1のカメラの特性に起因する内部パラメータをA1(3行3列のマトリクス)、第2のカメラの特性に起因する内部パラメータをA2(3行3列のマトリクス)、ワールド座標系に対する第1のカメラの相対的な位置を示す列ベクトルをT1、その第1のカメラの相対的な姿勢を示すマトリクス(3行3列)をR1、ワールド座標系に対する第2のカメラの相対的な位置を示す列ベクトルをT2、その第2のカメラの相対的な姿勢を示すマトリクス(3行3列)をR2、第1のカメラの画像上にある点Mの位置をm1、第2のカメラの画像上にある点Mの位置をm2、とする。
図10は、ステレオカメラ座標系とロボット座標系の剛体変換行列の算出方法を示す図である。
図11は、本実施形態のロボットビジョンシステムの機能ブロック図である。
図11に示すように、ロボットビジョンシステムは、第1のカメラ21−1、第2のカメラ21−2、画像記憶部22、交点検出部23、基礎行列演算部24、三次元復元部25、移動方向決定部26、アーム制御部27、ロボットアーム28、アーム状態記憶部31、アーム先端位置算出部32、マーカー位置算出部33、マーカー相対位置記憶部34、対応付け処理部35、対応付け情報記憶部36、剛体変換行列演算部37、によって構成される。
交点検出部23は、チェッカーボードが写された複数枚の画像のそれぞれを画像解析して、各画像のチェッカーボード上の複数の交点を検出する。
アーム状態記憶部31は、アーム28のエンコーダ値(アーム28の各アーム関節にそれぞれ内蔵されている角度計測用エンコーダの値すなわち各関節の角度値)、アーム28の長さ、チェッカーボードの取り付け位置を記憶する。
ステップS1で、アーム制御部27からの指示によりアーム28が初期位置に移動される。続くステップS2では、第1のカメラ21−1および第2のカメラ21−2によって撮影された画像に対し、画像認識処理が行なわれる。この画像認識処理の結果として、ステップS3で、チェッカーボードが画面すなわち撮影されたすべての画像内に含まれているかどうかが判定される。
ステップS9で取得した画像が規定枚数に達していないと判定された場合(ステップS9の判定結果がNoの場合)、ステップS10で、アーム28の目標位置が移動方向決定部26により修正され、ステップS1に戻る。なお、ステップS10では、次の撮影に使用する初期位置をアーム目標位置として設定しているが、ステップS4およびS7により位置補正処理が行われるために、カメラの視野内にチェッカーボードが部分的に入る任意の位置が目標位置として設定可能である。例えば、前回撮影時のアームの初期位置からランダム数値を引いた座標を次回初期値とすることができる。
2 PC
3 チェッカーボード
4 ロボット
5 ロボットコントローラ
6 アームの根元位置
7 アームの先端位置
8 指示ピン
9−1、9−2 カメラ画像上の認識点が少ない領域
10−1 チェッカーボードの上位置
10−2 チェッカーボードの下位置
11−1、11−2 検出した矩形(黒色)
12−1、12−1 開始点候補
13 開始点
21−1 第1のカメラ
21−2 第2のカメラ
22 画像記憶部
23 交点検出部
24 基礎行列演算部
25 三次元復元部
26 移動方向決定部
27 アーム制御部
28 ロボットアーム
31 アーム状態記憶部
32 アーム先端位置算出部
33 マーカー位置算出部
34 マーカー相対位置記憶部
35 対応付け処理部
36 対応付け情報記憶部
37 剛体変換行列演算部
Claims (5)
- 第1および第2のカメラにより構成されるステレオカメラと、
アームを有するロボットと、
前記ステレオカメラおよび前記ロボットを駆動し制御する制御装置と、を備え、
前記ロボットは、可動部にステレオカメラの基礎行列算出に用いる複数のマーカーを有し、
前記制御装置は、
前記第1のカメラおよび第2のカメラにより撮像された前記マーカーの画像を用いて前記ステレオカメラの基礎行列を算出する基礎行列算出部と、
前記基礎行列と前記第1のカメラおよび第2のカメラにより撮像された画像とを用いて、前記各マーカーのステレオカメラ座標系における三次元位置を算出する三次元復元部と、
ロボット座標系における前記各マーカーの三次元位置を算出するマーカー位置算出部と、
前記マーカー毎に、前記マーカー位置算出部で算出されたロボット座標系における三次元位置と、前記三次元復元部で算出されたステレオカメラ座標系における三次元位置と、を対応付け情報として記憶する対応付け情報記憶部と、
該対応付け情報に基づいて、ロボット座標系とステレオカメラ座標系との剛体変換行列を算出する剛体変換行列演算部と、を有すること、
を特徴とするロボットビジョンシステム。 - 前記制御装置は、前記各マーカーが前記ステレオカメラにより撮影された複数の画像を重畳させた画像に基づき、前記ロボットのアームの移動方向を決定する移動方向決定部を有し、
前記決定された移動方向に前記アームを移動させ、前記各マーカーを撮影すること、を特徴とする請求項1に記載のロボットビジョンシステム。 - 前記ロボットは、前記複数のマーカーを有する基礎行列算出用冶具を前記ロボットのアーム先端部に固定する機構を備えること、を特徴とする請求項1または2に記載のロボットビジョンシステム。
- 前記制御装置は、
前記基礎行列算出用冶具の前記アーム先端位置および姿勢に対する前記各マーカーの相対位置を記憶したマーカー相対位置記憶部と、
ロボット座標系におけるアーム先端部位置を順運動学により算出する前記アーム先端位置算出部と、を有し、
前記マーカー位置算出部は、前記アーム先端位置算出部にて算出された前記アーム先端位置および姿勢、前記マーカー相対位置記憶部に記憶された前記各マーカーの相対位置を用いて、ロボット座標系における前記各マーカーの三次元位置を算出すること、
を特徴とする請求項3に記載のロボットビジョンシステム。 - 第1および第2のカメラにより構成されるステレオカメラと、
アームを有するロボットと、
前記ステレオカメラおよび前記ロボットを駆動し制御する制御装置と、
ロボットの可動部にステレオカメラの基礎行列算出に用いる複数のマーカーと、を有するロボットビジョンシステムが実行する自動キャリブレーション方法において、
前記第1のカメラおよび第2のカメラにより撮像された前記マーカーの画像を用いて前記ステレオカメラの基礎行列を算出する基礎行列算出ステップと、
前記基礎行列と前記第1のカメラおよび第2のカメラにより撮像された画像とを用いて、前記各マーカーのステレオカメラ座標系における三次元位置を算出する三次元復元ステップと、
ロボット座標系における前記各マーカーの三次元位置を算出するマーカー位置算出ステップと、
前記マーカー毎に、前記マーカー位置算出ステップで算出されたロボット座標系における三次元位置と、前記三次元復元ステップで算出されたステレオカメラ座標系における三次元位置と、を対応付け情報として記憶する対応付け情報記憶ステップと、
該対応付け情報に基づいて、ロボット座標系とステレオカメラ座標系との剛体変換行列を算出する剛体変換行列演算ステップと、を有することを特徴とする自動キャリブレーション方法。
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