JP2012517907A

JP2012517907A - ロボットアーム用位置情報測定装置及び方法

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Publication number: JP2012517907A
Application number: JP2011549679A
Authority: JP
Inventors: アンドレアスハラランボスデモポウロス
Original assignee: アブソルートロボティクスリミテッド
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2012-08-09
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Abstract

ロボットアームのための位置測定が、ロボットアームに取り付けられた投光器（１０）で、この投光器（１０）に関して固定された複数の異なる光路に沿って光線（５０）を放射するように配置される投光器（１０）と、ロボットアームのベース部を取り囲む支持フレームであって、複数のイメージセンサーをこの支持フレーム上の固定された位置に備えた、着脱可能な支持フレーム（２０）とを用いて行われる。前記光センサー（２２）に接続された信号処理装置（２５）がイメージセンサー（２２）上に光線（５０）が入射した位置を決定し、これによってフレーム（２０）に対する投光器（１０）に伴う座標系の位置情報を決定する。このようにすると、相対的な位置測定を、実質的にリアルタイムで、正確かつ安価に行うことができる。
【選択図】図６

Description

本発明はロボットアームの位置及び向きを決定する方法に関し、より一般的には、複数の対象物と２つの座標系の間の関係が既知であるという条件下で、お互いに関係する２つ又は３以上の対象物の位置及び向きを確定するための、お互いに関係する２つ又は３以上の座標系に関する。本発明はまた、そのような測定を実施するための装置に関する。

現在、非接触測定法としてレーザートラッカーを使用するものと写真測量の２種類が広く用いられている。前者は光源と、測定対象物に配された逆反射体との間で反射された光ビームの２つの角度と距離を測定することにより球座標系上で機能する。写真測量は、カメラや任意で設けられる固定光ビームまたはスキャン光ビームを使用し、既に確立しているステレオ三角測量やレーザー三角測量の原理に基づいて対象物の位置を測定する。

多くの応用分野において振動や熱膨張、負荷による静的または動的たわみ、その他の要因による対象物の位置や向きの小さな変化を測定することに関心がもたれている。レーザートラッカーは正確な機器であるが、高価すぎ、また感度が高すぎるきらいがある。こういった特性から、多くの工業的用途ではレーザートラッカーは用いられない。写真測量を基にしたシステムにも限界がある。すなわち、測定はリアルタイムに行われるが、特に長距離にわたって小さな位置変化が測定されるような場合など、その精度は十分ではない。さらに、複数回の測定によって、誤差が連鎖し最終測定の精度を著しく損ねてしまう。写真測量を基にしたシステムも高価になり得ることを考えると、このシステムもまた、長距離にわたって最高度の精度が求められるような多くの用途には用いられない。

本発明によると、ロボットアームの位置測定を行う位置測定装置であって、前記ロボットアームに取り付けられた、複数の光線を放射する投光器であって、これら複数の光線はこの投光器に対して既知である別々の光路に沿って放射されるようになっている投光器と、複数のイメージセンサーを備えた支持フレームであって、これら複数のイメージセンサーは当該支持フレームに対して固定された位置に備えられている支持フレームと、前記複数のイメージセンサーに接続され、前記支持フレームに対する位置であって光線が前記イメージセンサーに入射した位置を決定し、これによって前記支持フレームに対する、前記投光器に関連した座標系の位置情報を決定する決定手段とを有する位置測定装置が提供される。

本発明はまた、そのような投光器及び、イメージセンサーを備えたそのようなフレームを用いた位置測定方法を提供する。ここで光線は幅の狭いビームの放射を意味し、好ましくはレーザーから放射されるような可視光である（適切なセンサーを用いることで紫外線や赤外線放射も使用可能である）。また、好ましくは光線の幅は投光器から１ｍ離れた地点において１５ｍｍ以下であり、より好ましくは１０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは３ｍｍ以下である。光線の幅はイメージセンサーの幅未満であることが好ましい。

投光器に関して固定された座標系における既知の位置に光路があり、光線がイメージセンサーに入射した位置は、フレームに関して固定された座標系について測定することができる。本発明は２つの座標系の位置や向きについて、一方をもとにもう一方を測定することができる。通常は、いずれの座標系も動いているか、一方が固定されてもう一方が動いている。さらには、この概念は、対象物や２つの座標系の間の関係が既知であることを条件として、２つまたはそれ以上のお互いに関連しあう対象物の位置や向きを確定するために用いられ得る。さらに、この概念は複数軸の複数セットとこれらの軸に関する複数対象物の位置関係の確定にも拡張され得る。

複数の光線を、複数の光源によって生成してもよく、又はその代わりに単一光源の光を分け、複数の光路を進むように差向けてもよい。例えば、各光線はレーザーダイオードから放射された光ビームでもよい。光線が沿って進む光路について、少なくとも異なる３本の光路の存在が必須であるが、少なくとも１０本の光路があるのがよく、例えば本実施形態の投光器は２０本送出する。実際にそういった光線が１００本以上あっても良い。光線は全て同時に送出されるが、代わりに異なる光路に沿った光線を順次生成するようにしても良い。よって、代替手段として、既知の相対位置にある別々の光路に沿うように単一光源を順次差向けていくようにもできる。例えば、２本の異なる軸を中心に既知の角度内で枢動自在に単一光源が支持される。このような単一光源は実質的にレーザートラッカーに類似しているが、距離測定機能は有していない。

イメージングセンサーは、デジタルカメラで用いられるものに似た、ピクセル化されたイメージングセンサーであるが、レンズは有しておらず、例えばＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ、電荷結合素子）やＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｍｅｔａｌｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、相補型金属酸化膜半導体）アクティブ‐ピクセルセンサーといったものであり、このような装置をイメージングチップと称する。これらはまたイメージングセンサーとも称するが、画像を取得するために用いられるのではなく、専ら位置を決定するために用いられる。

光線がイメージセンサーに入射したとき、光線の幅に依存した複数のピクセルをカバーする照射スポットを生じさせる。この光スポットの中心は従来の画像処理技術を用いて、例えば閾値を超えた異なるピクセルにおける強度の加重平均に基づいて特定される。所定の状況下では、少なくともいくつかのイメージセンサーは隣接して配置された複数のそのようなイメージングチップを備えており、光スポットをイメージセンサーの表面から外すことなく、ある対象物の別の対象物に対する、より大きな変位をモニターすることができる。実際に、フレームの表面は湾曲しているが、フレームの表面の大部分はそのようなイメージングチップで完全に覆われ、光スポットの大きな移動もモニターすることができる。

較正目的のために、投光器及び支持フレームは、装置の較正の間に用いられる光基準エレメントを組み込むか、又は光基準エレメントを支持する支持手段を組み込むのが好ましい。これらの光基準エレメントは球面状に取り付けられた逆反射体や、レーザースキャナーと共に使用するのに適した、正確に球の中心で交わる３つのお互いに垂直な面を有するくぼみ部を備えた、精確に製造された球からなる逆反射体を有してもよい。そのような逆反射体は円錐ホルダーの中に磁力によって取り付けられてもよく、同じ位置に球の中心が留まる間は球が回転して光ビームを拾うことができる。

本発明は相対的な６自由度の測定を、非接触測定法ながら高い精度で行うことができ、リアルタイムでの測定が可能な場合もある。この装置は頑丈であり、全ての部材を容易に入手できることから、相対的に安価である。

本発明の装置の動作の基礎となる数学的原理について示す図である。本発明に用いられる投光器を示す斜視図である。本発明に用いられる支持リングを示す斜視図である。図２の投光器の較正に用いられる較正リングを示す斜視図である。図４の較正リングが使用されている状況を示す斜視図である。本発明の装置の使用時における図２の投光器と図３の支持リングを示す斜視図である。本発明の装置の別の使用時における図６と同様の斜視図である。図６に示す装置の変形例を示す図である。

図面を参照しながら、単に例として、本発明をより詳細に説明する。

図１に示しているように、本発明は２つの座標系が存在する状況に関する。直交軸は本発明に必須のものではないが、この実施形態における各座標系、ＸＹＺとａｂｃはそれぞれ直交する軸からなっている。３本の非共線的な線、ｋ、ｌ、ｍが存在し、これらの方程式はａｂｃ座標系に関して既知である。このため、これらの線はａｂｃ座標系に関してお互いに固定されている。ＸＹＺ座標系に関してその位置ベクトルが既知である３つの点、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が存在する。これらの状況において、もしも点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が線ｋ、ｌ、ｍ上のどこかにあるとすると、２つの座標系ＸＹＺとａｂｃとは互いに関して位置や向きが決定される。

１．装置
本発明では、線ｋ、ｌ、ｍは投光器によって生成される光線で置き換えられる。このような投光器１０が図２に示されており、符号が付されている。この例では投光器１０は略円筒形状の筐体１１と、その筐体周囲の円筒表面上に、複数の異なる半径方向に固定された光線を放射するように取り付けられた複数のレーザーダイオード１２（１３個が図示されている）を備えている。球面状に取り付けられる３つの逆反射体（ＳＭＲ）１５を位置づける３つの磁気円錐受容器１４が筐体１１の端面に取り付けられている。これらの逆反射体は空間中の投光器１０の位置をレーザートラッカーを用いて高い精度で決定できるようにする。複数の別々の光源（レーザーダイオード１２）を使用する代わりに、より少ない数の光源、若しくは１つだけの光源を用い、光を分けて異なる固定方向に向けた複数のビームを形成しても良い。

ある状況では、異なるレーザーダイオード１２から放射された光線同士を単純にかつ自動的に区別できることが望まれ、これは例えば各光線を異なるコードでパルス化することによって実現される。また、投光器１０の位置が少なくとも近似的に既知であるような別の状況では、光線はそれらの伝播方向によって区別可能であるのがよい。

本発明はまたフレームを必要とする。適切なフレームが図３に符号を付して示され、この実施形態ではＩＮＶＡＲ（登録商標）やＮＩＬＯ３６（登録商標）といった低膨張の材質で作られた熱的にかつ機械的に安定な支持リング２０であり、そのホームポジションで固定脚２１に当接している。（この位置にあるときをベースリングと称する。）ロボットアーム（図示せず）の測定のために、このリング２０はロボットアームのベース部を取り囲んでいる。多くのＳＭＲ１５がこの支持リング２０に取り付けられた受容器１４に配されている（図２参照）。これらの逆反射体は、正確に球の中心で交わるお互いに垂直な３つの面を有している。これらの面のいずれかに当たった光線はその入射方向へと反射される。各ＳＭＲ１５の球面は円錐受容器１４に取り付けられ、各ＳＭＲ１５は球体の中心が同じ位置にある一方で、入射光線をピックアップするように異なる方向に回動可能となっている。ＳＭＲ１５に加えて、多くのイメージングセンサー２２（ＣＣＤやＣＭＯＳ、その他のタイプのもの）が、これらのセンサー２２上の画像を取得するために必要なハードウェアやソフトウェアとともに支持リング２０上に取り付けられており、例えば、全てのセンサー２２と接続された信号処理ユニット２５といった形で取り付けられている。（そのような各センサー２２は一般的なデジタルカメラからレンズシステムを除いたものと考えることができる）。

２．装置のセットアップ
本発明の装置を用いて測定を行う前に、まず投光器１０と支持リング２０を較正しなければならない。

２．１参照座標系ＸＹＺの確立とイメージングセンサー２２の較正
リング２０の製造後、リング２０は座標測定器（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ、ＣＭＭ）に配置され、ＳＭＲ１５の各中心が各ＳＭＲ１５の３つのお互いに垂直な面によって決定される。ＸＹＺ座標系は従来の技術により、支持リング２０上の全てのＳＭＲ１５の既知の中心から確立される。これは接触プローブを用いても実行されるが、センサー２２の較正に必要であるため、（ポイントレーザービームとカメラシステムを組み合わせた）非接触光学スキャナーが好ましい。このようなスキャナーは従来のＣＭＭの一部を構成する。リング２０上の各ＳＭＲ１５の各中心を確定するため、各ＳＭＲ１５の３つの垂直面が最初にスキャンされ、光学スキャナーの測定がＸＹＺ座標系に関連付けられる。

光学スキャナーのポイントレーザービームは、全てのイメージングセンサー２２を一つ一つスキャンするために用いられる。光学スキャナーからのビームはイメージングセンサー２２のそれぞれ頂部表面の光スポットを形成する。このスポットの中心はイメージングセンサー２２のピクセルに関して、従来の画像処理技術、例えば与えられた閾値を上回るピクセル強度の加重平均を使用して、サブピクセルの精度で位置決めされる。このようにして、各センサー２２のピクセル座標系での照射スポットの中心と、光学スキャナーで測定されたＸＹＺ参照座標系でのそれらが対応する座標との関係が確立される。較正された位置の間を補間することにより、イメージングセンサー２２上の全ての点についてその関係を確立することができる。

２．２投光器１０の較正
投光器１０を較正するために、光線の方程式は適切な座標系に関して確立されなければならない。これは符号を付した図４に示されている較正リング３０を用いることによって実行される。この較正リング３０は支持リング２０と似ているが、支持リング２０よりも相当小さく、この実施形態では３つのＳＭＲと１つのイメージセンサーだけを備えている。より多用途にすることが必要な場合、この較正リング３０にさらにＳＭＲ１５やイメージングセンサー２２を取り付けることも可能である。

較正リング３０上のイメージングセンサー２２は較正リング３０上のＳＭＲ１５の各中心間の関係で定義されるｓｔｖ座標系に対してまず較正される。これは支持リング２０について上記２．１で述べたプロセスと同じである。

投光器１０は次に、固定位置すなわち静止状態でセットアップされる。図５ａに示されているように、固定されたレーザートラッカー４０が、静止した投光器１０上のＳＭＲ１５の位置決めに用いられても良い。ａｂｃ座標系はこれらのＳＭＲ１５に関して定義され、投光器１０との既知の関係についても同様である。

選択された光線について、その光線に沿った多くの異なる位置に連続的に較正リング３０は配され、それぞれの場合に光線が較正リング３０上のイメージングセンサー２２に当たって光スポットを形成するようにしている。このスポットの中心は、与えられた閾値を超えるピクセル強度分布の加重平均といった従来の画像処理技術によりサブピクセルの精度で決定される。イメージングセンサー２２は較正されているため、このスポットの中心は較正リング３０のｓｔｖ座標系に関して既知である。図５ｂに示されているように、光線に沿った較正リング３０の連続した位置のそれぞれに対して、較正リング３０上のＳＭＲ１５の中心の位置を特定するために、レーザートラッカー４０が用いられる。このプロセスで、投光器１０に付随するａｂｃ座標系に対してｓｔｖ座標系が関連付けられ、これにより光スポットの中心もａｂｃ座標系に対して関連付けられる。こうして、選択された光線に沿った複数点の座標を得て、ａｂｃ座標系に関する光線の方程式を得る。上述のプロセスは光線生成器の全ての光線について繰り返され、全ての光線の方程式が同じａｂｃ座標系に関して得られる。

２．２．１投光器１０の較正の改変例
第１の代替実施形態として、上記２．２で説明した較正手順における較正リング３０の代わりに、図３の支持リング２０を用いて、支持リング２０を各光線に沿った多くの異なる位置へと連続的に動かして、それぞれの場合に支持リング２０上のイメージングセンサー２２に光線が当たって光スポットを形成するようにしても良い。このような実施形態によると、支持リング２０は較正リング３０よりもかなり大きく、取り扱いにくいものの、較正リング３０を別に設ける必要がないという利点がある。支持リング２０は複数のイメージングセンサー２２を備えているため、これを用いて一度に２本以上の光線について較正することも可能である。

第２の代替実施形態として、据え付け状態にある投光器１０上のＳＭＲ１５の位置を特定するために、固定されたレーザートラッカーを用いない、というものがある。この場合、較正ステップの間に、レーザートラッカー４０に対して固定された位置にあるａｂｃ座標系に関して、光線が通過する光路の方程式が決定される。続いて使用する際に、原点は固定されてはいるが投光器１０に対するその位置は不明であるａｂｃ座標系に関して、光線が通過した光路の方程式が既知となる。（以下、仮想座標系と称する。）

３．装置の動作
図６に示しているように、投光器１０とリング２０とからなる装置が、例えばロボットアームやクレーンのような対象物の位置をモニターするために用いられる。支持リング２０は取り外すことが可能であり、脚部２１に基づいてそのホームポジションに据え付けられ、ＸＹＺ座標系がワーキングスペースに対して固定されるようにできる。このため、ベースリングと呼ぶこともある。支持リング２０はロボットアーム（図示せず）のベース部を取り囲むのに十分な大きさを有しており、例えば内径は１ｍよりも大きい。

投光器１０は位置をモニターすべき対象物、すなわち本実施形態ではロボットアームに取り付けられる。投光器１０の（そしてロボットアームも同様に）与えられた位置について、（図示するように）ベースリング２０上のイメージングセンサー２２のいくつかに光線５０がヒットする。最低で３本の光線が必要である。追加の交差する光線５０が、装置の全体的な測定精度を向上させる冗長的な測定を提供する。イメージングセンサー２２上の光スポットの中心座標は、光線の方程式を求める際に用いられた、ピクセル強度分布の加重平均を用いて決定される。これらの中心点の座標は、ベースリング２０上に確立されたＸＹＺ座標系に関する、図１のＰ１、Ｐ２及びＰ３のような位置ベクトルと等価であり、図６において、Ｐ１〜Ｐ５の符号が付されている。

これらの光線５０が通過する線の方程式が座標軸ａｂｃについて既知であるため、上記２．２で演繹したように、座標軸ａｂｃとＸＹＺの関係が計算でき、これによって投光器１０のＸＹＺ座標系に関する位置が正確に測定される。信号処理ユニット２５は従来の数学的な変換を用いて投光器１０の位置を計算することができ、投光器が取り付けられているロボットアームの位置が同様に計算される。

支持リング２０について、これが固定された位置にある必要は全くないことが解される。ある状況においては、支持リング２０と投光器１０の両方が移動可能である場合があり、それでも投光器１０の位置は支持リング２０に対して固定されたＸＹＺ座標系について測定されるが、ＸＹＺ座標系がワーキングスペースに対して固定される必要はない。また、代替実施形態として、支持リング２０に対象物が取り付けられ、投光器１０が固定位置に取り付けられることもわかる。この場合、リング２０と対象物の位置がａｂｃ座標系に対して正確に測定されること以外は、その手順も実質的に同一である。

いずれの場合においても、投光器１０や支持リング２０の対象物に対する取付けは圧力をかけないようにするべきであって、かつ相対移動を禁止しなければならないことがわかる。現存する磁力結合のタイプがこの目的には好ましい。

もしも測定対象物に特に興味をもつ特徴点があるようであれば、これらの特徴点の位置を、測定される対象物がどの部分に取り付けられるかに応じてａｂｃ座標系又はＸＹＺ座標系に関して、前もって確定させておく必要がある。それらの座標系の原点は、対象物に取り付けられる部材に取り付けられたＳＭＲ１５の中心に関連付けられており、ＳＭＲは接触／光学プローブやレーザートラッカーによってスキャンされたり位置が特定されたりできるような物理的な対象物であるため、この関係を確立することは非常に容易である。

レーザースキャナー４０が装置の較正の際に用いられるが、その後に続けて使用する必要はなく、本発明は非常に高速ながら同様の精度で測定を行える非常に安価な測定技術を提供することがわかる。このように本発明は図１に記載された原理を応用している。座標系ａｂｃに関して既知の方程式で表される光線５０は直線ｋ、ｌ、ｍに対応し、一方、支持リング２０上のイメージングセンサー２２を光線５０がヒットした光スポットの位置はＸＹＺ座標軸に関して既知であり、位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３に対応する。よって、座標系ａｂｃの位置や向きは座標系ＸＹＺに関連付けられる。そして、もしも座標系ａｂｃの原点の位置が投光器１０に対して既知であるなら、投光器１０の位置もまた座標軸ＸＹＺに関して決定され得る。

４．代替例と改変例
上述の測定方法は単に例として示されたに過ぎず、装置や方法は、本発明の範囲内において様々な形で改変され得ることが理解されるであろう。例えば、以下のようなものがある。

ａ）投光器の機能に支持リングの機能を組み込む。例えば、光線の放射器に加えて、投光器１０に（ちょうど支持リング２０へはめ込まれるような形で）イメージングセンサー２２がはめ込まれる。同様に、イメージングセンサー２２に加えて、光線の放射器が支持リング２０にはめ込まれる。

ｂ）仮に、上述したように、光線の通る光路の方程式を確立する較正ステップの間に、据え付け状態にある投光器１０上のＳＭＲ１５の位置を特定するために固定されたレーザートラッカー４０が用いられない場合、座標系ａｂｃの原点は固定されているものの、投光器１０からは未知の位置にある。このような「仮想」座標系ａｂｃでは、投光器１０の位置を演繹することも、それが取り付けられるロボットアームの位置を演繹することも不可能である。それにもかかわらず、ロボットアームの位置や向きの変化、そして投光器の位置や向きの変化は、仮想座標系ａｂｃの位置や向きの変化に対応するため、容易に測定される。

ｃ）図７はロボットアームの位置や向きを間接的に２つのステップで測定した応用例を示している。この場合、６−Ｄ測定装置は３つのパート、すなわち、ロボットアームのベース部を取り囲む据え付け位置に取り付けられた支持リング２０と、投光器１０と、第２のリング６０からなっている。投光器１０と第２のリング６０はロボットアームに沿った異なる位置に取り付けられる。第２のリング６０は、本実施形態においては直径が小さいが、実質的に支持リング２０と同等であり、イメージングセンサー２２とＳＭＲ１５の両方を備える熱的・機械的に安定なリングからなっている。本実施形態において支持リング２０は固定された位置におけるベースリングの役割を果たし、一方で投光器１０と第２のリング６０はお互いに、またベースリング２０に対して相対移動が可能である。

第２のリング６０は、自身に取り付けられたＳＭＲ１５の中心から確立される、自身の座標系ｐｑｒを定義する。２．１節で説明したものと同じ方法が用いられ、そして第２のリング６０上のイメージングセンサー２２が上記２．１で説明したものと同じ方法でｐｑｒ参照座標系に対して較正される。

そして、ベースリング２０に付随する座標系ＸＹＺに関して、２ステップのプロセスとして、第２のリング６０の位置と向きを決定し、第２のリング６０が取り付けられたロボットアームの一部も同様に位置と向きを決定する。第１のステップにおいて、光線５０の方程式が既知である座標系ａｂｃに関する座標系ｐｑｒの位置と向きを確定する。第２のステップにおいて、ベースリング２０に基づく固定された座標系ＸＹＺに関するａｂｃ座標系の位置と向きを決定する。全ての測定は光学的測定であるため、同時に行うことができ、続けて第２のリング６０と、この第２のリング６０が取り付けられた何らかの対象物のＸＹＺ座標系に関する位置と向きをリアルタイムに高精度で決定することができる。また、この間接的測定システムは座標系ａｂｃに関する投光器１０の実際の位置は無関係であり、上述したようにａｂｃ座標系は「仮想的」座標系ともいえることが理解されるであろう。

例示した方法により、この２ステップのプロセスはロボットアームの第４軸の位置と向きを測定するために用いることができる。この場合、取り外し可能なベースリング２０がロボットアームのベースと、ロボットアームに沿った中間位置に取り付けられた投光器１０と、ロボットの第４軸に、好ましくはこれと同軸に取り付けられた第２のリング６０とを取り囲むように配置される。絶対的な座標系ＸＹＺを定義する静的なベースリング２０に対する、第２のリング６０の位置、そしてロボットの第４軸の位置がこのようにして測定される。この測定は、投光器１０からの光線５０が、第２のリング６０とベースリング２０のそれぞれ少なくとも３つのイメージングセンサーに入射するような配置であれば、ロボットのどのような離散的配置においても可能である。第２のリング６０が第４軸だけでなくロボットのどの部分にも、測定の原理を変更することなく取付け可能であることがわかる。

もう１つの実施形態として、支持リング２０を自動車シャシに取り付け、第２のリング６０を関係する部品に取り付け、自動車上で支持リング２０と第２のリング６０の両方を視認できる位置に投光器１０を取り付けることで、この２ステップのプロセスを自動車シャシに対する自動車部品のあらゆる動きの測定に適用することができる。この場合、どの部品も外部の絶対座標系に関して固定されていないが、第２のリング６０の動きは上述の２ステップのプロセスによって支持リング２０に対してモニターされる。

ｄ）複数の異なる光路に対して同時に光線を発することができる投光器１０を上述の手順で利用する。代替手段として、異なる既知の方向へと制御することで操縦される単一光源により、複数の光線を順次生成することも可能である。これについては以下の節にて詳述する。

５．操縦可能な投光器の説明
レーザーのような単一光源を有し、２本の軸に関して回動可能に支持されたスキャナー８０を用いて、異なる光路に沿った複数の光線５０が生成される代替システムが図８に示されている。これらの軸は直交していることが好ましいが、一般的には斜めでもよく、同一平面上になくてもよい。どちらの軸もモーターが装備され、位置情報を提供するために高精度のロータリーエンコーダが付随している。このため、スキャナー８０からの光線５０の光路は、スキャナー８０が接続されている信号制御ユニット２５によって制御することができる。

スキャナー８０は上述したレーザートラッカー４０に似ているが、距離測定機能を有していない。すなわち、スキャナー８０は複数の異なる光路に沿って次々に光線を発することができ、これらの光路５０はスキャナー８０のベース８１に関して固定された局所的な座標軸の組ａｂｃについて既知である。すなわち各光路５０の方程式は、ロータリーエンコーダから読み取ることによって、局所軸ａｂｃに関して既知である。

この場合、複数のイメージングセンサー２２上に連続的に光線５０を送出するようにスキャナー８０は操縦される。上述したように光線５０がイメージングセンサー２２と交わる正確な位置Ｐ１、Ｐ２などはＸＹＺ軸に関して既知であるので、スキャナー８０のベース８１のＸＹＺ軸に関する位置やスキャナー８０が取り付けられた対象物の位置を得られるように、ａｂｃ軸とＸＹＺ軸の間の関係が演繹される。

ロボットアームの場合、スキャナー８０はロボットアーム上に取り付けられ、ロボットアームのうちスキャナー８０が取り付けられた部分のＸＹＺ軸に関する位置を決定するために用いられることがわかる。

５．１操縦可能な投光器の較正
上述したアプローチでは、スキャナー８０の較正が必要となる。

円錐受容器１４（図８中には図示せず）をベース８１上に取り付けることにより、図２の投光器１０のためにａｂｃ座標系を定義した方法と同様のやり方で、ａｂｃ座標系が定義される。受容器１４の中に配された取り外し可能な逆反射体（ＳＭＲ）１５の中心によって、スキャナー８０に関連するａｂｃ座標系が定義される。

ＳＭＲによって定義されたａｂｃ座標系は、スキャナー８０のベース８１と物理的に関連付けられているという意味において現実のものであり、レーザートラッカーのような従来の手段によって他の対象物や座標系と関連付けることができる。このａｂｃ座標系はまた、その位置がスキャナー８０に関して未知のものであり、以下に述べる操縦可能なレーザービームの較正処理に依存するという意味において仮想的なものである。ａｂｃ座標系が現実のものか仮想的なものかにかかわらず、ａｂｃ座標系のスキャナー８０のベース８１に対する関係は固定される。

較正処理は投光器１０に関して上述し、図５ａと５ｂに示したものと類似している。従って、投光器１０をスキャナー８０に置き換えることを念頭においてそれらの図面を参照する。較正のステップは以下の通りである。

ａ）図５ａに示した投光器１０に関する方法と同様の方法でレーザースキャナー４０がスキャナー８０上のＳＭＲの位置を特定し、この場合スキャナー８０に関連するａｂｃ座標系を特定する。

ｂ）スキャナー８０からの光線５０のスイッチが入れられる。１本の回転軸は例えばゼロ位置に固定され、もう１本の軸はステップを踏んで、例えば１０度ずつ回転する。各位置で光線５０は固定されたままであり、図５ｂの較正リング３０がレーザービームの光路に沿って、レーザービームが較正リング３０上のイメージングセンサーと交わるようにポイント・ツー・ポイントで動かされる。

ｃ）較正リング３０の連続した各位置において、その位置がレーザートラッカー４０によって測定され、スキャナー８０のａｂｃ座標系に関連付けられる。回転軸は次にまた別の角度へと回転し、再びこの処理が全て繰り返される

ｄ）１本の回転軸についてこの処理全体が完了したら、同じ処理全体がもう１本の回転軸について繰り返される。このようにすると、スキャナー８０に関連したａｂｃ座標系に関する、各々の回転軸の離散角度それぞれについて操縦可能な光線５０のベクトル方程式が得られる。光線５０の一般的な位置について、光線５０が通過する光路の方程式は、隣接する較正位置や各軸のエンコーダの位置の間を補間することで得られる。

５．２操縦可能な投光器の動作
再び図８を参照し、スキャナー８０は手動またはＣＡＤや他のデータにより自動で操縦され、ベースリング２０上の複数のイメージングセンサー２２の上に連続的に光線５０を送出する。上述の較正によりａｂｃ軸に関して光線５０の光路は既知であり、一方、交点Ｐ１〜Ｐ５の位置はＸＹＺ軸に関して既知である。ａｂｃ座標系の位置は、ａｂｃ座標系が固定された対象物の位置と同様に、ＸＹＺ座標系に関して正確に決定できる。これは、イメージングセンサー２２の上に連続的に光線が向けられている間、スキャナー８０やスキャナー８０が取り付けられた対象物が動かないことを前提にしている。最低でも３つの交点が必要である。交点がこれよりも多いと、冗長性があり、測定精度が向上する。

上述したプロセスはＸＹＺ座標系に関してａｂｃ座標系の位置を直接特定する、直接的な位置測定プロセスである。このプロセスを拡張したものが投光器１０のための図７に示す間接的な測定プロセスである。この場合、投光器１０が操縦可能な単一光線スキャナー８０によって置き換えられている。

最初のステップにおいて、スキャナー８０は光線５０が支持フレーム２０上の目に見える多くのイメージングセンサー２２と次々に交わるように光線５０を方向付ける。上述したように、このプロセスでＸＹＺ座標系に対してａｂｃ座標系の位置を特定する。第２のステップにおいて、スキャナー８０は光線５０が第２のリング６０上の目に見える多くのイメージングセンサー２２と次々に交わるように光線５０を方向付ける。このプロセスでスキャナー８０に対してｐｑｒ座標系の位置を特定し、同様にＸＹＺ座標系に対してｐｑｒ座標系の位置を特定する。

典型的にはロボットアームは２本の異なる回転軸を含んだ手首メカニズムと、ツールが取り付けられるフランジを有している。このようなロボットのフランジに単にレーザーを取り付ける代わりに、スキャナー８０に関して説明したアプローチを実行してもよい。代わりに、レーザーをツールの位置やフランジによって支持される対象物の位置に取り付けてもよい。手首メカニズムのベース部に対して固定されたａｂｃ軸に関して、同様の較正が必要となる。ベースリング２０上の３つ又はそれ以上のイメージングセンサー２２に次々とレーザービームを向けるために従来の手首メカニズムを使用することができる。手首モーターに関連付けられたエンコーダは手首メカニズムのベースに対して光線の光路を決定することを可能とし、同様にこの手順で手首メカニズムのベースの位置をＸＹＺ軸に関してモニターすることができる。

Claims

ロボットアームの位置測定を行う位置測定装置であって、
前記ロボットアームに取り付けられた、複数の光線を放射する投光器であって、これら複数の光線はこの投光器に対して既知である別々の光路に沿って放射されるようになっている投光器と、
複数のイメージセンサーを備えた支持フレームであって、これら複数のイメージセンサーは当該支持フレームに対して固定された位置に備えられている支持フレームと、
前記複数のイメージセンサーに接続され、前記支持フレームに対する位置であって光線が前記イメージセンサーに入射した位置を決定し、これによって前記支持フレームに対する、前記投光器に結合した座標系の位置情報を決定する決定手段と、
を有する位置測定装置。
前記投光器は複数の光源を備える請求項１記載の位置測定装置。
前記投光器は１０本より多くの光線を放射する請求項１又は２記載の位置測定装置。
前記投光器は単一の光線を放射し、前記投光器は連続して別々の光路に沿った光線を生成するようにスキャン機構に取り付けられている請求項１記載の位置測定装置。
前記イメージセンサーは、ＣＣＤ又はＣＭＯＳアクティブ‐ピクセル検知チップを有するピクセル化されたセンサーを備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置測定装置。
前記イメージセンサーはそれぞれ、複数の隣接したイメージングチップを有する請求項５記載の位置測定装置。
前記投光器と前記支持フレームのいずれも、光基準エレメント又は光基準エレメントを取り付ける手段を備えている請求項１乃至６のいずれか１項記載の位置測定装置。
前記光基準エレメントは球状に取り付けられた逆反射体である請求項７記載の装置。
前記位置測定装置は更に、第２の支持フレームであって、この第２の支持フレームに対して固定された位置に複数の光センサーを有する第２の支持フレームを備えた請求項１乃至８のいずれか１項記載の位置測定装置。
添付された図１乃至図６に記載の位置測定装置又は、図７又は図８に記載の位置測定装置。
複数の光線を放射する投光器であって、これら複数の光線はこの投光器に対して既知である別々の光路に沿って放射されるようになっている投光器と複数のイメージセンサーを備えた支持フレームを用いた位置測定方法。
前記位置測定は前記支持フレームに結合した座標系に対する前記投光器の位置を測定する、請求項１１記載の位置測定方法。