JP2010276603A - キャリブレーション方法及びキャリブレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純なキャリブレーションパターンを用い、高精度且つ簡単にキャリブレーション処理を行うことができるキャリブレーション装置などを提供する。
【解決手段】キャリブレーション装置１は、工作機械５０に設けられており、１つの特徴点を含んだキャリブレーションパターン１４を有し、主軸５５に装着される撮像対象部材１０と、ＣＣＤカメラ５８により主軸５５の複数の移動位置でキャリブレーションパターン１４が撮像されて生成される２次元画像データを基に特徴点の２次元座標を算出する２次元座標算出部２２，２３と、キャリブレーションパターン１４が撮像されたときの主軸５５の各移動位置を基に、各移動位置に対応した特徴点の３次元座標を算出する３次元座標算出部２４と、主軸５５の各移動位置における特徴点の２次元座標及び３次元座標を基にＣＣＤカメラ５８の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するパラメータ算出部２６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、予め設定された対象物を撮像して２次元画像データを生成する撮像手段が付設された工作機械において、前記撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するキャリブレーション方法及びキャリブレーション装置に関する。

近年、工作機械の分野では、所定の対象物（例えば、ワーク，治具，テーブル及び工具など）を撮像してその２次元画像データを生成するＣＣＤカメラを工作機械に配設し、このＣＣＤカメラにより生成された２次元画像データを基に、例えば、３次元計測をしたり、３次元モデルデータを生成したり、ワークの取付状態が正しいかどうかを確認したり、工具とワークが干渉しないかどうかを確認するといったことが行われている。

そして、上記のような処理を高精度に行うためには、キャリブレーション処理を行って、ＣＣＤカメラのカメラパラメータを予め正確に求めておく必要がある。尚、前記カメラパラメータとしては、カメラ固有のパラメータである内部パラメータと、ワールド座標系におけるカメラの位置及び姿勢を表す外部パラメータとがある。

このようなカメラパラメータを求めるには、従来、一般的に、市松模様のキャリブレーションパターンを上面に有するキャリブレーションボードを用いて行われており、この市松模様のキャリブレーションパターンを用いたキャリブレーション方法は、従来から各種のものが提案されている。

その一例について説明すると、キャリブレーションボードのキャリブレーションパターンをＣＣＤカメラにより撮像して２次元画像データを生成し、生成された２次元画像データを基に、キャリブレーションパターンの特徴点たる市松模様の各格子点を抽出してこれらの２次元座標をそれぞれ算出するとともに、算出した各格子点の２次元座標と、予め分かっている、キャリブレーションボードの配置空間内における前記各格子点の３次元座標（ワールド座標系における３次元座標）とを基に、ＣＣＤカメラの内部パラメータ及び外部パラメータを算出している。尚、キャリブレーションパターンは、キャリブレーションボードの配置位置を変えて、異なる複数の方向から撮像する必要がある。

また、この他、上記キャリブレーション方法としては、例えば、特開２００５−２５０６２８号公報に開示されたものなどがある。

特開２００５−２５０６２８号公報

しかしながら、上記従来のキャリブレーション方法では、以下に説明するような問題があった。即ち、キャリブレーションパターンの前記各格子点の、工作機械座標系における３次元座標を予め分かっている必要があるので、オペレータは、前記各格子点の３次元座標が所定座標となるようにキャリブレーションボードを配置したり、キャリブレーションボードを配置した後、前記各格子点の３次元座標を測定しなければならないが、オペレータが、キャリブレーションボードを精度良く配置したり、前記各格子点の３次元座標を精度良く測定するのには限界があるため、内部パラメータ及び外部パラメータを高精度に算出することができない。また、キャリブレーションボードを所定位置に配置したり、前記各格子点の３次元座標を測定する作業が大変煩わしいという問題もある。

また、キャリブレーションボードを工作機械に高精度に配置することや、キャリブレーションボードを工作機械に配置した後、各格子点の３次元座標を高精度に測定することが難しいため、次のようにしてＣＣＤカメラの内部パラメータ及び外部パラメータを算出する場合もある。即ち、まず、キャリブレーションパターンの２次元画像データから算出される各格子点の２次元座標と、キャリブレーションボードの座標系における前記各格子点の３次元座標とを基に、ＣＣＤカメラの内部パラメータを算出し、次に、工作機械を構成する構造体のいくつかの部分を特徴点としてＣＣＤカメラにより撮像して各特徴点の２次元座標をそれぞれ算出し、それから、算出した各特徴点の２次元座標と、工作機械座標系における前記各特徴点の３次元座標とを基に、ＣＣＤカメラの外部パラメータを算出する。ところが、このようにすると、一度に内部パラメータ及び外部パラメータを算出することができない。

また、工作機械の内部はそれほど明るくないため、当該工作機械に取り付けられたキャリブレーションボードを撮像して得られる２次元画像データには多くのノイズが含まれており、このノイズによって前記各格子点をそれぞれ正確に抽出することは困難である。このことによっても、内部パラメータ及び外部パラメータを精度良く算出することができない。

また、前記格子点が多くあると、キャリブレーションパターンが複雑になり、しかも、これらの格子点の位置をそれぞれ高精度に設定する必要があるため、キャリブレーションボードの製造コストが高くなるという問題もある。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、単純なキャリブレーションパターンを用い、高精度且つ簡単にキャリブレーション処理を行うことができるキャリブレーション方法及びキャリブレーション装置の提供をその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
移動体と、前記移動体を駆動して移動させる送り機構部と、前記送り機構部の作動を制御する制御装置とを備えるとともに、予め設定された対象物を撮像して２次元画像データを生成する撮像手段が付設された工作機械において、前記撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するキャリブレーション方法であって、
１つの特徴点を含んだキャリブレーションパターンを有する撮像対象部材を前記移動体に装着する装着工程と、
前記送り機構部により前記移動体を移動させ、その複数の移動位置において、前記撮像手段により前記キャリブレーションパターンを撮像して２次元画像データを生成する撮像工程と、
前記撮像工程で生成された、前記移動体の各移動位置におけるキャリブレーションパターンの２次元画像データを基に、各２次元画像上における前記特徴点を抽出してその２次元座標をそれぞれ算出する２次元座標算出工程と、
前記撮像工程で前記キャリブレーションパターンが撮像されたときの前記移動体の移動位置を前記制御装置から受信し、受信した移動位置と、前記移動体に対する前記特徴点の位置とを基に、前記移動体の各移動位置に対応した前記特徴点の３次元座標をそれぞれ算出する３次元座標算出工程と、
前記２次元座標算出工程及び３次元座標算出工程でそれぞれ算出された、前記移動体の各移動位置における２次元座標及び３次元座標を基に、前記撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するパラメータ算出工程とからなることを特徴とするキャリブレーション方法に係る。

そして、このキャリブレーション方法は、以下のキャリブレーション装置によってこれを好適に実施することができる。
即ち、このキャリブレーション装置は、
移動体と、前記移動体を駆動して移動させる送り機構部と、前記送り機構部の作動を制御する制御装置とを備えるとともに、予め設定された対象物を撮像して２次元画像データを生成する撮像手段が付設された工作機械に設けられ、前記撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するキャリブレーション装置において、
１つの特徴点を含んだキャリブレーションパターンを有し、前記移動体に装着される部材であって、前記撮像手段により前記移動体の複数の移動位置で前記キャリブレーションパターンが撮像される撮像対象部材と、
前記撮像手段により前記移動体の複数の移動位置で前記キャリブレーションパターンが撮像されて生成される２次元画像データを基に、各２次元画像上における前記特徴点を抽出してその２次元座標をそれぞれ算出する２次元座標算出手段と、
前記撮像手段によって前記キャリブレーションパターンが撮像されたときの前記移動体の移動位置を前記制御装置から受信し、受信した移動位置と、前記移動体に対する前記特徴点の位置とを基に、前記移動体の各移動位置に対応した前記特徴点の３次元座標をそれぞれ算出する３次元座標算出手段と、
前記２次元座標算出手段及び３次元座標算出手段によりそれぞれ算出された、前記移動体の各移動位置における２次元座標及び３次元座標を基に、前記撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するパラメータ算出手段とを備えてなることを特徴とするキャリブレーション装置に係る。

このキャリブレーション装置によれば、まず、撮像対象部材が移動体に装着される。この撮像対象部材は、１つの特徴点を含んだキャリブレーションパターンを有している。尚、前記移動体としては、特に限定されるものではないが、工作機械がマシニングセンタである場合には、例えば、主軸やテーブルなどを挙げることができ、工作機械が旋盤である場合には、例えば、刃物台などを挙げることができる。

ついで、送り機構部により移動体が移動せしめられるとともに、移動体の複数の移動位置において、撮像手段によりキャリブレーションパターンが撮像されてその２次元画像データが生成される。尚、移動体を複数の移動位置に移動させ、これらの各移動位置においてキャリブレーションパターンを撮像するに当たっては、ＮＣプログラムに基づいて制御装置により移動体の移動及び撮像手段の撮像を制御するようにしても良い。また、撮像手段によってキャリブレーションパターンが撮像されたときの移動体の移動位置は、制御装置から３次元座標算出手段に送信される。

この後、撮像手段により移動体の複数の移動位置でキャリブレーションパターンが撮像されて生成される２次元画像データを基に、２次元座標算出手段により、各２次元画像上における前記特徴点が抽出されてその２次元座標がそれぞれ算出されるとともに、３次元座標算出手段により、撮像手段によってキャリブレーションパターンが撮像されたときの移動体の移動位置が制御装置から受信され、受信された移動位置と、移動体に対する前記特徴点の位置とを基に、移動体の各移動位置に対応した前記特徴点の３次元座標がそれぞれ算出される。尚、移動体に対する前記特徴点の位置は、移動体が工具装着用の主軸であるとすると、例えば、主軸先端と特徴点との間の主軸軸線方向におけるオフセット量で定義される。また、２次元座標の座標系は２次元画像に設定された座標系であり、３次元座標の座標系は工作機械に設定された座標系である。

そして、２次元座標算出手段及び３次元座標算出手段によりそれぞれ算出された、移動体の各移動位置における２次元座標及び３次元座標を基に、パラメータ算出手段により撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータが算出される。尚、前記内部パラメータとしては、例えば、主点座標、スケール因子、画像の２軸間の歪みなどを、前記外部パラメータとしては、例えば、工作機械の座標系における撮像手段の位置及び姿勢などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

斯くして、本発明に係るキャリブレーション方法及びキャリブレーション装置によれば、撮像対象部材を移動体に装着しているので、移動体を移動させるだけで、撮像対象部材（特徴点）の位置を簡単に変えることができる。また、制御装置から移動体の位置情報を取得しているので、特徴点の３次元座標を正確に認識することができ、これにより、内部パラメータ及び外部パラメータを高精度に求めることができる。

また、工作機械座標系における、特徴点の正確な３次元座標を認識することができるので、１回で内部パラメータ及び外部パラメータを算出することができ、効率的である。また、特徴点が１つであるので、キャリブレーションパターンが単純になり、これによって、撮像対象部材の製造コストを低くすることができる。

また、撮像対象部材を非常に多くの移動位置に移動させて、その各移動位置でキャリブレーションパターンを撮像する場合、この作業をオペレータ自身が行うと、多くの労力と時間がかかるが、上記のように、ＮＣプログラムに従って移動体の移動及び撮像手段の撮像を制御すれば、撮像対象部材の移動及びキャリブレーションパターンの撮像を自動で行うことができる。したがって、オペレータは、当該ＮＣプログラムを実行するだけで良いので、撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを更に簡単に算出することができる。

尚、前記キャリブレーションパターンは、前記特徴点を含む第１図形と、前記第１図形の外側にこれを囲むように配置され、中心が前記特徴点と一致した第２図形とから構成され、前記２次元座標算出手段は、前記撮像手段により前記移動体の複数の移動位置で前記キャリブレーションパターンが撮像されて生成される２次元画像データを基に、各２次元画像上における前記第２図形を抽出してその中心座標をそれぞれ算出する第１算出部と、前記第１算出部によってそれぞれ算出された第２図形の中心座標を基に、各２次元画像上に前記第２図形の中心座標が含まれる領域を設定し、設定した領域の中から前記特徴点を抽出してその２次元座標をそれぞれ算出する第２算出部とから構成されていても良い。

このようにすれば、まず、撮像手段によって生成されたキャリブレーションパターンの２次元画像データを基に、第１算出部により、２次元画像上における第２図形が抽出されてその中心座標が算出された後、この算出された第２図形の中心座標を基に、第２算出部により、２次元画像上に第２図形の中心座標が含まれる領域が設定され、設定された領域の中から前記特徴点が抽出されてその２次元座標が算出される。

このようにしているのは、撮像手段や撮像対象部材が設けられる工作機械の内部はそれほど明るくないため、キャリブレーションパターンを撮像して得られる２次元画像データには多くのノイズが含まれており、キャリブレーションパターンの特徴点を正確に抽出するのは困難だからである。そこで、上記のように、第２図形の中心座標を求めた後、この中心座標を含む領域内から特徴点を抽出してその２次元座標を求めるようにすれば、特徴点を正確に抽出してその２次元座標を精度良く求めることができ、これにより、内部パラメータ及び外部パラメータをより高精度に算出することができる。

また、前記撮像対象部材は、工具を保持する前記移動体にこの工具に代えて装着されるように構成されていたり、回転工具を保持する前記移動体にこの回転工具に代えて装着されるとともに、前記特徴点が、前記移動体に保持された回転工具の軸線と同じ直線上に位置するように構成されていても良い。

このようにすれば、工具交換装置或いはオペレータ自身により撮像対象部材を移動体に高精度且つ簡単に装着することができる。また、移動体と特徴点との位置関係についても容易に且つ正確に把握することができる。したがって、前記内部パラメータ及び外部パラメータをより精度良く算出することができる。また、撮像対象部材の装着に要する段取り時間を短縮することができる。尚、回転工具を保持する移動体に撮像対象部材を装着する場合に、特徴点が回転工具の軸線上に位置するようにしているのは、どの取付角度で撮像対象部材が装着されても特徴点の位置が変化しないようにするためである。

以上のように、本発明に係るキャリブレーション方法及びキャリブレーション装置によれば、単純なキャリブレーションパターンを用い、高精度且つ簡単にキャリブレーション処理を行うことができる。

本発明の一実施形態に係るキャリブレーション装置などの概略構成を示したブロック図である。 本実施形態に係る撮像対象部材の概略構成を示した正面図である。 図２における矢示Ａ方向の側面図である。 本実施形態の第１二次元座標算出部における処理を説明するための説明図である。 本実施形態の第２二次元座標算出部における処理を説明するための説明図である。 本実施形態の特徴点位置記憶部に格納されるデータのデータ構成を示した説明図である。 撮像対象部材を所定位置に順次移動させるときのＮＣプログラムの一例を示した説明図である。 本発明の他の実施形態に係る撮像対象部材を示した正面図である。 本発明の他の実施形態に係る撮像対象部材を示した正面図である。 本発明の他の実施形態に係る撮像対象部材を示した正面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。尚、図１は、本発明の一実施形態に係るキャリブレーション装置などの概略構成を示したブロック図であり、図２は、本実施形態に係る撮像対象部材の概略構成を示した正面図であり、図３は、図２における矢示Ａ方向の側面図である。

図１に示すように、本例のキャリブレーション装置１は、マシニングセンタと呼ばれる工作機械５０に設けられており、１つの特徴点Ｐを含んだキャリブレーションパターン１４を有する撮像対象部材１０と、ＣＣＤカメラ５８から得られる２次元濃淡画像データなどを基に当該ＣＣＤカメラ５８の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するデータ処理装置２０とから構成される。

まず、前記工作機械５０について説明する。この工作機械５０は、ベッド５１と、ベッド５１上に配設され、水平面内で前後方向（Ｙ軸方向）に移動自在となった第１サドル５２と、第１サドル５２上に配設され、水平面内で左右方向（Ｘ軸方向）に移動自在となった第２サドル５３と、第２サドル５３に支持され、鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動自在となった主軸頭５４と、軸線がＺ軸と平行且つ軸線中心に回転自在に主軸頭５４によって支持され、下端部に回転工具（図示せず）が装着される主軸５５と、主軸５５を軸線中心に回転させる回転駆動機構（図示せず）と、ベッド５１に配設され、上面にワーク（図示せず）が載置されるテーブル５６と、第１サドル５２，第２サドル５３及び主軸頭５４を各移動方向にそれぞれ移動させるＹ軸送り機構部（図示せず），Ｘ軸送り機構部（図示せず）及びＺ軸送り機構部（図示せず）と、前記回転駆動機構及び各送り機構部の作動を制御する制御装置５７とを備えている。

前記ベッド５１は、その左右両側及び奥側に側壁５１ａ，５１ｂ，５２ｃが立設された構造を備えており、左右両側の側壁５１ａ，５１ｂの上部に前記第１サドル５２が配設され、奥側の側壁５１ｃに前記テーブル５６が配設されている。

また、前記工作機械５０には、ベッド５１の左側壁５１ａの上部にブラケット５９を介して前記ＣＣＤカメラ５８が取り付けられており、このＣＣＤカメラ５８は、予め設定された対象物（例えば、ワーク，治具，テーブル５６及び工具など）を撮像してその２次元濃淡画像データを生成し、生成した２次元濃淡画像データを外部に出力するようになっている。

次に、前記キャリブレーション装置１について説明する。このキャリブレーション装置１は、上述のように、前記撮像対象部材１０とデータ処理装置２０とから構成され、前記データ処理装置２０は、コンピュータからなり、画像データ記憶部２１，第１二次元座標算出部２２，第２二次元座標算出部２３，三次元座標算出部２４，特徴点位置記憶部２５，パラメータ算出部２６及びパラメータ記憶部２７を備えている。尚、前記第１二次元座標算出部２２及び第２二次元座標算出部２３は、特許請求の範囲に言う２次元座標算出手段として機能する。

前記撮像対象部材１０は、主軸５５に装着される装着部１１と、装着部１１の下端に設けられ、この装着部１１が主軸５５に装着されたときに主軸５５の軸線が含まれる２次元平面１３を有するブロック状の部材１２とから構成されており、この２次元平面１３上に前記キャリブレーションパターン１４が設定されている。このキャリブレーションパターン１４は、前記特徴点Ｐを含む第１図形１５と、第１図形１５の外側にこれを囲むように配置される円形状１８を含み、この円形状１８の中心が前記特徴点Ｐと一致した第２図形１７とからなる。前記第１図形１５は、点対称に設定された２つの扇形且つ黒色の図形１６が組み合わされて構成され、対称の中心点が前記特徴点Ｐとなっている。また、前記第２図形１７は、円形状１８の内側が白色、外側が黒色の図形から構成されている。

尚、前記特徴点Ｐは、前記装着部１１が主軸５５に装着されたときに主軸５５の軸線上、即ち、主軸５５に装着された回転工具の軸線と同じ直線Ｌ上であって、主軸５５の先端から所定距離だけ離れた点に位置するように設定されている。また、撮像対象部材１０は、主軸５５に装着された状態で、例えば、前記第２サドル５３がＸ軸方向に移動せしめられることによりＸ軸方向に移動し、そのＸ軸方向における複数の移動位置で、前記キャリブレーションパターン１４が前記ＣＣＤカメラ５８により撮像されてその２次元濃淡画像データが生成されるようになっている。また、キャリブレーションパターン１４がＣＣＤカメラ５８により撮像されたときの、前記主軸頭５４（主軸５５）のＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向における移動位置は、前記制御装置５７から前記データ処理装置２０に送信されるようになっている。

前記画像データ記憶部２１には、撮像対象部材１０のＸ軸方向における複数の移動位置でＣＣＤカメラ５８によりキャリブレーションパターン１４が撮像されて生成される２次元濃淡画像データがそれぞれ格納される。

前記第１二次元座標算出部２２は、前記画像データ記憶部２１に格納された、撮像対象部材１０の各移動位置におけるキャリブレーションパターン１４の２次元濃淡画像データを基に、各２次元画像上における前記第２図形１７の円形状１８を抽出してその中心座標をそれぞれ算出する。尚、円形状１８を抽出する手法は、特に限定されるものではないが、その一例としては、図４に示すように、例えば、２次元濃淡画像データを所定のしきい値で２値化し、この２値化画像データを基に前記円形状１８に相当する輪郭線を抽出する手法が挙げられる。また、図４では、２値化画像そのものではなく、前記ブロック状の部材１２，第１図形１５及び第２図形１７の輪郭形状を図示している。

前記第２二次元座標算出部２３は、第１二次元座標算出部２２によってそれぞれ算出された円形状１８の中心座標を基に、図５に示すように、各２次元画像上に円形状１８の中心座標が含まれる領域Ｒを設定し、設定した領域Ｒの中から前記特徴点Ｐを抽出してその２次元座標をそれぞれ算出し、算出した２次元座標を前記特徴点位置記憶部２５に格納する。尚、特徴点Ｐを抽出する手法は、特に限定されるものではないが、その一例としては、上記と同様、例えば、前記２値化画像データから前記扇形の図形１６の輪郭線を抽出し、抽出した輪郭線を基にこの輪郭線の交点を抽出する手法が挙げられる。また、図５では、図４と同様、２値化画像そのものではなく、前記ブロック状の部材１２，第１図形１５及び第２図形１７の輪郭形状を図示している。また、２次元座標の座標系は２次元画像に設定された座標系である。

前記三次元座標算出部２４は、キャリブレーションパターン１４がＣＣＤカメラ５８により撮像されたときの、前記主軸頭５４（主軸５５）のＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向における移動位置を前記制御装置５７からそれぞれ受信して、受信した各移動位置と、主軸５５に対する前記特徴点Ｐの位置とを基に、前記受信した各移動位置に対応する前記特徴点Ｐの３次元座標をそれぞれ算出し、算出した３次元座標を前記特徴点位置記憶部２５に格納する。尚、３次元座標の座標系は工作機械５０に設定された座標系である。また、主軸５５に対する特徴点Ｐの位置は、例えば、特徴点Ｐの主軸５５の先端からの距離を基に、オペレータにより予め入力，設定されている。

前記特徴点位置記憶部２５には、前記第２二次元座標算出部２３及び三次元座標算出部２４によってそれぞれ算出された特徴点Ｐの２次元座標及び３次元座標が格納されるが、図６に示すように、順次生成されるキャリブレーションパターン１４の画像番号，特徴点Ｐの２次元座標及び特徴点Ｐの３次元座標がそれぞれ関連付けられて格納されている。

前記パラメータ算出部２６は、前記特徴点位置記憶部２５に格納された特徴点Ｐの２次元座標及び３次元座標を基にパラメータを算出する。具体的には、パラメータ算出部２６は、互いに対応関係にある２次元座標及び３次元座標の組み合わせを複数用いて、前記ＣＣＤカメラ５８の内部パラメータ及び外部パラメータを算出し、算出した内部パラメータ及び外部パラメータを前記パラメータ記憶部２７に格納する。尚、特徴点Ｐの２次元座標及び３次元座標の複数組を用いて内部パラメータ及び外部パラメータを算出する手法は、従来から各種のものが提案されており、どのような手法を採用しても良い。また、前記内部パラメータとしては、例えば、主点座標、スケール因子、画像の２軸間の歪みなどが挙げられ、前記外部パラメータとしては、例えば、工作機械５０の座標系（ワールド座標系）におけるＣＣＤカメラ５８の位置を表す平行移動ベクトル、同じく工作機械５０の座標系（ワールド座標系）におけるＣＣＤカメラ５８の姿勢を表す回転行列などが挙げられる。

そして、前記パラメータ記憶部２７に格納されたデータを基に、前記ＣＣＤカメラ５８の内部パラメータ及び外部パラメータが設定される。

以上のように構成された本例のキャリブレーション装置１によれば、まず、撮像対象部材１０が工具交換装置又はオペレータ自身により主軸５５に装着される。尚、特徴点Ｐは、主軸５５の軸線上に位置しているので、撮像対象部材１０の取付角度によって特徴点Ｐの位置が変化することはない。

ついで、Ｘ軸送り機構部により第２サドル５３が移動せしめられて撮像対象部材１０がＸ軸方向に移動し、その複数の移動位置において、ＣＣＤカメラ５８によりキャリブレーションパターン１４が撮像されてその２次元濃淡画像データがそれぞれ生成され、生成された２次元濃淡画像データが画像データ記憶部２１に格納される。尚、キャリブレーションパターン１４がＣＣＤカメラ５８により撮像されたときの、主軸頭５４（主軸５５）の移動位置は、制御装置５７から三次元座標算出部２５に送信される。

この後、画像データ記憶部２１に格納された各２次元濃淡画像データを基に、第１二次元座標算出部２２により、各２次元画像上における第２図形１７の円形状１８が抽出されてその中心座標がそれぞれ算出され、ついで、算出された円形状１８の中心座標を基に、第２二次元座標算出部２３により、各２次元画像上に円形状１８の中心座標が含まれる領域Ｒが設定され、この領域Ｒの中から特徴点Ｐが抽出されてその２次元座標がそれぞれ算出される。そして、算出された２次元座標が特徴点位置記憶部２５に格納される。

また、キャリブレーションパターン１４がＣＣＤカメラ５８により撮像されたときの、主軸頭５４のＸ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向における移動位置が、三次元座標算出部２４により制御装置５７からそれぞれ受信されて、受信された各移動位置と、主軸５５に対する特徴点Ｐの位置とを基に、前記受信された各移動位置に対応する特徴点Ｐの３次元座標がそれぞれ算出され、算出された３次元座標が特徴点位置記憶部２５に格納される。

そして、特徴点位置記憶部２５に格納された、互いに対応関係にある２次元座標及び３次元座標を基に、パラメータ算出部２６により、ＣＣＤカメラ５８の内部パラメータ及び外部パラメータが算出され、算出された内部パラメータ及び外部パラメータがパラメータ記憶部２７に格納される。

このように、本例のキャリブレーション装置１によれば、撮像対象部材１０を主軸５５に装着しているので、主軸５５を移動させるだけで、撮像対象部材１０（特徴点Ｐ）の位置を簡単に変えることができるとともに、撮像対象部材１０を主軸５５に高精度且つ簡単に装着することができる。更に、主軸５５と特徴点Ｐとの位置関係についても容易に且つ正確に把握することができる。また、制御装置５７から主軸５５の位置情報を取得しているので、特徴点Ｐの３次元座標を正確に認識することができる。これにより、内部パラメータ及び外部パラメータを高精度に求めることができる。

また、工作機械座標系における、特徴点Ｐの正確な３次元座標を認識することができるので、１回で内部パラメータ及び外部パラメータを算出することができ、効率的である。また、撮像対象部材１０を主軸５５に装着するだけであるので、撮像対象部材１０の装着に要する段取り時間を極めて短時間とすることができる。また、特徴点Ｐが１つであるので、キャリブレーションパターン１４が単純になり、これによって、撮像対象部材１０の製造コストを低くすることができる。また、キャリブレーションパターン１４を２次元平面１３上に設定しているので、撮像対象部材１０の製造の容易化を図ることができる。

また、本例では、キャリブレーションパターン１４を、特徴点Ｐを含む第１図形１５と、第１図形１５の外側に配置される円形状１８を含み、この円形状１８の中心が特徴点Ｐと一致した第２図形１７とから構成するとともに、キャリブレーションパターン１４の２次元画像から特徴点Ｐの２次元座標を算出するに当たり、まず、第２図形１７の円形状１８を抽出してその中心座標を算出し、算出した中心座標が含まれる領域Ｒを設定した後、この領域Ｒの中から特徴点Ｐを抽出してその２次元座標を算出している。これは、ＣＣＤカメラ５８や撮像対象部材１０が設けられる工作機械５０の内部はそれほど明るくないため、キャリブレーションパターン１４を撮像して得られる２次元濃淡画像データには多くのノイズが含まれており、キャリブレーションパターン１４の特徴点Ｐを正確に抽出するのは困難だからである。

したがって、上記のようにすれば、特徴点Ｐの抽出領域を絞り込んだ後、特徴点Ｐを抽出することができるので、特徴点Ｐを正確に抽出することができ、その２次元座標を精度良く求めることができる。これにより、内部パラメータ及び外部パラメータをより高精度に算出することができる。尚、円形状１８の中心座標を特徴点Ｐの２次元座標としていないのは、算出された円形状１８の中心座標が特徴点Ｐの２次元座標と高精度には一致しないからである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

例えば、撮像対象部材１０を複数の移動位置に移動させてＣＣＤカメラ５８によりキャリブレーションパターン１４を撮像し、撮像完了後、パラメータ算出部２６によりＣＣＤカメラ５８の内部パラメータ及び外部パラメータを算出する処理をＮＣプログラムに基づいて実行するようにしても良い。そして、このようなＮＣプログラムの一例を図７に示す。このとき、前記制御装置５７は、少なくとも前記ＣＣＤカメラ５８，各送り機構部及びパラメータ算出部２６を制御する。

図７に示すように、このＮＣプログラムには、ＣＣＤカメラ５８を初期化する初期化指令６０と、各送り機構部によって主軸５５を１番目の移動位置に移動させる移動指令６１と、ＣＣＤカメラ５８により撮像対象部材１０のキャリブレーションパターン１４を撮像してその２次元濃淡画像データを生成する撮像指令６２と、各送り機構部によって主軸５５を別の移動位置に移動させる移動指令６３と、パラメータ算出部２６によりＣＣＤカメラ５８の内部パラメータ及び外部パラメータを算出する算出指令６４とが含まれており、複数の移動位置でキャリブレーションパターン１４を撮像可能となるように移動指令６３と撮像指令６２とが交互に繰り返されている。尚、このＮＣプログラムは、前記初期化指令６０，移動指令６１，撮像指令６２，移動指令６３，撮像指令６２，移動指令６３，撮像指令６２，…，算出指令６４を順次実行するように設定されている。

そして、このＮＣプログラムが制御装置５７によって実行されると、各送り機構部により主軸５５が順次所定の移動位置に移動せしめられ、その各移動位置でＣＣＤカメラ５８によりキャリブレーションパターン１４が撮像されてその２次元濃淡画像データがそれぞれ生成され、画像データ記憶部２１に格納される。画像データ記憶部２１に２次元濃淡画像データが格納されると、各二次元座標算出部２２，２３により特徴点Ｐの２次元座標が算出されて特徴点位置記憶部２５に格納され、一方、三次元座標算出部２４では、キャリブレーションパターン１４がＣＣＤカメラ５８により撮像されたときにおける主軸５５の移動位置が制御装置５７から受信され、特徴点Ｐの３次元座標が算出されて特徴点位置記憶部２５に格納される。

そして、主軸５５がすべての移動位置に移動せしめられ、その各移動位置でキャリブレーションパターン１４が撮像されると、ＮＣプログラムの最終ブロック（算出指令６４）が実行されて、特徴点位置記憶部２５に格納されたデータを基に、パラメータ算出部２６によりＣＣＤカメラ５８の内部パラメータ及び外部パラメータが算出され、パラメータ記憶部２７に格納される。

撮像対象部材１０を非常に多くの移動位置に移動させて、その各移動位置でキャリブレーションパターン１４を撮像する場合、この作業をオペレータ自身が行うと、多くの労力と時間がかかるが、このように、ＮＣプログラムに従って主軸５５の移動及びＣＣＤカメラ５８の撮像を制御すれば、撮像対象部材１０の移動及びキャリブレーションパターン１４の撮像を自動で行うことができる。したがって、オペレータは、当該ＮＣプログラムを実行するだけで良いので、ＣＣＤカメラ５８の内部パラメータ及び外部パラメータを更に簡単に算出することができる。

また、上例では、工作機械の一例として、マシニングセンタと呼ばれるタイプの工作機械５０を挙げたが、前記キャリブレーション装置１は、旋盤にも適用することができる。この場合、タレットに撮像対象部材１０を装着すると良い。

また、前記撮像対象部材１０は、上記構成に何ら限定されるものではない。例えば、前記特徴点Ｐは、必ずしも主軸５５の軸線上に位置していなくても良いが、この場合、主軸５５に対する撮像対象部材１０の取付角度によって特徴点Ｐの位置が変化するという不都合を生じる。また、撮像対象部材１０は、主軸５５以外の移動体に装着されていても良い。例えば、テーブルが移動可能となっている工作機械に当該キャリブレーション装置１を設ける場合には、撮像対象部材１０をこのテーブルに装着するようにしても良い。

また、更に、前記撮像対象部材１０は、図８乃至図１０に示すような撮像対象部材３０，４０，４５として構成されていても良い。尚、以下の説明では、前記撮像対象部材１０の構成と同じ構成部分については、同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。

前記撮像対象部材３０には、図８に示すように、１つの特徴点Ｐを含んだ第１図形３２と、第１図形３２の外側にこれを囲むように配置される矩形形状３５を含み、この矩形形状３５の中心が前記特徴点Ｐと一致した第２図形３４とからなるキャリブレーションパターン３１が設定される。前記第１図形３２は、点対称に設定された２つの矩形状且つ黒色の図形３３が組み合わされて構成され、対称の中心点が前記特徴点Ｐとなっており、前記第２図形３４は、矩形形状３５の内側が白色、外側が黒色の図形から構成される。

一方、前記撮像対象部材４０には、図９に示すように、１つの特徴点（図示せず）を含んだ第１図形４２と、第１図形４２の外側にこれを囲むように配置される円形状４４を含み、この円形状４４の中心が前記特徴点（図示せず）と一致した第２図形４３とからなるキャリブレーションパターン４１が設定される。前記第１図形４２は、内側が黒色の円形に構成され、その中心が前記特徴点（図示せず）となっており、前記第２図形４３は、円形状４４の内側が白色、外側が黒色の図形から構成される。

また、前記撮像対象部材４５には、図１０に示すように、円形状４８を含んだ図形４７からなるキャリブレーションパターン４６が設定され、前記図形４７は、円形状４８の内側が白色、外側が黒色の図形から構成されており、円形状４８の中心が特徴点（図示せず）となっている。尚、この撮像対象部材４５を用いる場合、キャリブレーション装置１は、前記第２二次元座標算出部２３が省略され、前記第１二次元座標算出部２２が算出した円形状４８の中心座標が特徴点（図示せず）の２次元座標となる。

また、特徴点Ｐの２次元座標を算出する態様については次のいずれでも良い。即ち、撮像対象部材１０をすべての移動位置に移動させた後、これらの各移動位置でＣＣＤカメラ５８によりキャリブレーションパターン１４がそれぞれ撮像されて生成された２次元濃淡画像データを基に、二次元座標算出部２２，２３により特徴点Ｐの２次元座標をそれぞれ算出して特徴点位置記憶部２５に格納するようにしても良いし、撮像対象部材１０をある移動位置に移動させるたびに、この移動位置でＣＣＤカメラ５８によりキャリブレーションパターン１４が撮像されて生成された２次元濃淡画像データを基に、二次元座標算出部２２，２３により特徴点Ｐの２次元座標を算出して特徴点位置記憶部２５に格納し、この後、撮像対象部材１０を次の移動位置に移動させるようにしても良い。

１ キャリブレーション装置
１０ 撮像対象部材
１４ キャリブレーションパターン
２０ データ処理装置
２１ 画像データ記憶部
２２ 第１二次元座標算出部
２３ 第２二次元座標算出部
２４ 三次元座標算出部
２５ 特徴点位置記憶部
２６ パラメータ算出部
２７ パラメータ記憶部
５０ 工作機械
５５ 主軸
５７ 制御装置
５８ ＣＣＤカメラ

Claims (6)

1. 移動体と、前記移動体を駆動して移動させる送り機構部と、前記送り機構部の作動を制御する制御装置とを備えるとともに、予め設定された対象物を撮像して２次元画像データを生成する撮像手段が付設された工作機械において、前記撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するキャリブレーション方法であって、
   １つの特徴点を含んだキャリブレーションパターンを有する撮像対象部材を前記移動体に装着する装着工程と、
   前記送り機構部により前記移動体を移動させ、その複数の移動位置において、前記撮像手段により前記キャリブレーションパターンを撮像して２次元画像データを生成する撮像工程と、
   前記撮像工程で生成された、前記移動体の各移動位置におけるキャリブレーションパターンの２次元画像データを基に、各２次元画像上における前記特徴点を抽出してその２次元座標をそれぞれ算出する２次元座標算出工程と、
   前記撮像工程で前記キャリブレーションパターンが撮像されたときの前記移動体の移動位置を前記制御装置から受信し、受信した移動位置と、前記移動体に対する前記特徴点の位置とを基に、前記移動体の各移動位置に対応した前記特徴点の３次元座標をそれぞれ算出する３次元座標算出工程と、
   前記２次元座標算出工程及び３次元座標算出工程でそれぞれ算出された、前記移動体の各移動位置における２次元座標及び３次元座標を基に、前記撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するパラメータ算出工程とからなることを特徴とするキャリブレーション方法。
2. 少なくとも前記撮像工程では、ＮＣプログラムを基に前記制御装置により前記送り機構部及び撮像手段を制御して、前記送り機構部により前記移動体を複数の移動位置に移動させるとともに、これらの各移動位置において、前記撮像手段により前記キャリブレーションパターンを撮像して２次元画像データを生成するようにしたことを特徴とする請求項１記載のキャリブレーション方法。
3. 移動体と、前記移動体を駆動して移動させる送り機構部と、前記送り機構部の作動を制御する制御装置とを備えるとともに、予め設定された対象物を撮像して２次元画像データを生成する撮像手段が付設された工作機械に設けられ、前記撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するキャリブレーション装置において、
   １つの特徴点を含んだキャリブレーションパターンを有し、前記移動体に装着される部材であって、前記撮像手段により前記移動体の複数の移動位置で前記キャリブレーションパターンが撮像される撮像対象部材と、
   前記撮像手段により前記移動体の複数の移動位置で前記キャリブレーションパターンが撮像されて生成される２次元画像データを基に、各２次元画像上における前記特徴点を抽出してその２次元座標をそれぞれ算出する２次元座標算出手段と、
   前記撮像手段によって前記キャリブレーションパターンが撮像されたときの前記移動体の移動位置を前記制御装置から受信し、受信した移動位置と、前記移動体に対する前記特徴点の位置とを基に、前記移動体の各移動位置に対応した前記特徴点の３次元座標をそれぞれ算出する３次元座標算出手段と、
   前記２次元座標算出手段及び３次元座標算出手段によりそれぞれ算出された、前記移動体の各移動位置における２次元座標及び３次元座標を基に、前記撮像手段の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するパラメータ算出手段とを備えてなることを特徴とするキャリブレーション装置。
4. 前記キャリブレーションパターンは、前記特徴点を含む第１図形と、前記第１図形の外側にこれを囲むように配置され、中心が前記特徴点と一致した第２図形とから構成され、
   前記２次元座標算出手段は、前記撮像手段により前記移動体の複数の移動位置で前記キャリブレーションパターンが撮像されて生成される２次元画像データを基に、各２次元画像上における前記第２図形を抽出してその中心座標をそれぞれ算出する第１算出部と、前記第１算出部によってそれぞれ算出された第２図形の中心座標を基に、各２次元画像上に前記第２図形の中心座標が含まれる領域を設定し、設定した領域の中から前記特徴点を抽出してその２次元座標をそれぞれ算出する第２算出部とから構成されてなることを特徴とする請求項３記載のキャリブレーション装置。
5. 前記撮像対象部材は、工具を保持する前記移動体にこの工具に代えて装着されるように構成されてなることを特徴とする請求項３又は４記載のキャリブレーション装置。
6. 前記撮像対象部材は、回転工具を保持する前記移動体にこの回転工具に代えて装着されるとともに、前記特徴点が、前記移動体に保持された回転工具の軸線と同じ直線上に位置するように構成されてなることを特徴とする請求項５記載のキャリブレーション装置。

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