JP2013019704A - 三次元計測システム及び三次元計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの座標系に依存しない、三次元計測システムを提供する。
【解決手段】計測対象の三次元形状を計測する三次元計測器２０と、この三次元計測器２０を移動させるロボット１０と、ロボット１０を駆動制御するロボット制御装置３０と、を備えた三次元計測システム１であって、ロボットのアーム先端に固定され三次元計測器を支持したベースプレート６０と、ベースプレートに固定された三次元計測器２０の傾きを計測するロボット計測装置４０と、ワーク計測箇所の座標及びワークの形状寸法を算出するデータ処理装置５０と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットによって非接触式の三次元計測器を移動させて、ワーク上の座標及び形状寸法を計測する三次元計測システム及び三次元計測方法に関する。

汎用ロボットに非接触式の計測センサを取り付けて測定対象の座標及び形状寸法を計測する三次元計測システムが知られている。
測定対象の座標及び形状寸法を計測する際に多数の点を計測するため、ロボットの移動指令値であるスキャンパス情報に基づいてロボットを移動させるが、スキャンパス情報に基づいたロボットの座標と実際のロボットの位置（以下、実測値と呼ぶ。）とにズレが生じる場合がある。従来、ロボットの座標と実測値との差分をロボット補正モデル等として求め、ズレを補正することが行われている。

図７は従来の三次元計測システム１００の概略図である。三次元計測システム１００は、ロボット１１０と、ロボット１１０の可動アーム１１１に取り付けられた三次元計測器１２０と、ロボット１１０を駆動制御するロボット制御装置１３０と、三次元計測器１２０からの三次元計測座標データを処理するデータ処理装置１４０と、ロボット１１０の実測データを計測するロボット計測装置１５０と、を備えている。

従来の三次元計測システム１００では、ロボット１１０を制御するためのスキャンパス情報に基づいたロボット座標と、実際のロボットの位置とのズレを解消するために、ズレの大きさに応じてロボット座標を補正することが行われている。計測対象を計測する際に、ロボット座標を補正できるよう、事前に補正モデルが作成される。この補正モデルは、準備段階でロボットを適当に動かした挙動に基づいて作成され、計測対象の計測時にロボット制御装置１３０からロボット１１０へ出力されるロボット座標のデータを補正するための補正値である。この補正モデルを計測時に利用することで、スキャンパス情報に基づいたロボット１１０の座標と、実際のロボット１１０の位置とを同期させることができる。

移動指令値ベースのロボット座標と、実際のロボットの測定位置とのズレを解消するために、ズレの大きさに応じてロボット座標を補正する計測システムが特許文献１に開示されている。

特開２０１０―９１５４０号公報

特許文献１に開示されている計測システムによれば、ロボットの座標を補正することができるが、計測対象をスキャンパス情報に則って計測するためにはロボットに支持された三次元計測器の座標系をロボット座標と同じ系に同期させることが必要である。しかし、このような同期を行う場合、三次元計測器の座標系をロボット座標と同じ座標系に同期させる際のロボット座標と計測器座標との間に方位誤差が生じる。また、三次元計測器をロボットのアームの先端に取り付ける際の製作誤差も同期に影響を与える。よって、従来の計測システムでは、三次元計測器の座標系をロボット座標に同期させると、計測器座標系とロボット座標との間の誤差が三次元計測器の計測値に影響をもたらす虞がある。また、誤差を解消するためには、予めロボットを適当に動かして、補正モデルを作成しておくことが必要である。

そこで、本発明は、ロボットの座標に依存しない、また座標系の補正モデルを必要としない三次元計測システム及び三次元計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、計測対象の位置及び形状寸法を計測する三次元計測器と、この三次元計測器を移動させるロボットと、ロボットを駆動制御するロボット制御装置と、を備えた三次元計測システムであって、ロボットのアーム先端に固定され三次元計測器を支持したベースプレートと、ベースプレートに固定された三次元計測器の傾きを計測するロボット計測装置と、以下の処理（Ａ１）〜（Ａ４）を順に行うデータ処理装置と、を備えていることを特徴としている。
（Ａ１） 三次元計測器によって予め計測されたマスターの測定箇所と、三次元計測器によって計測されたワークの測定箇所との位置ズレ量Ｄを算出。
（Ａ２） 三次元計測器のマスター測定時のワールド座標に対する傾きを表すベクトルＰをロボット計測装置の計測値より算出。
（Ａ３） （Ａ１）の位置ズレ量Ｄを（Ａ２）のベクトルＰに乗じて、マスターの測定箇所からワークの測定箇所までのベクトルＰ_Sを算出。
（Ａ４） ロボット計測装置で計測したマスターの測定箇所の座標と（Ａ３）のベクトルＰ_Sとに基づいて、ワールド座標系でのワークの測定箇所の座標及びワークの形状寸法を算出。

さらに、上記目的を達成するために、本発明は、計測対象の座標及び形状寸法を計測する三次元計測方法であって、計測対象に対する計測の基準となる主情報を作成する準備工程と、主情報と三次元計測器によって計測されたワークの情報とに基づいて、計測対象の座標を算出する実測工程と、を含み、主情報は、ワールド座標系でのマスターの形状寸法及び傾きを示す情報であり、マスターの計測時と計測対象の計測時とにおける三次元計測器の傾きが同じと取り扱い、上記準備工程は、ロボット計測装置によってマスターの計測箇所の座標を計測する第１工程と、三次元計測器によってマスターの計測箇所を計測する第２工程と、ロボット計測装置によって三次元計測器の傾き具合を示すベクトルＰを算出する第３工程と、を含み、上記実測工程は、三次元計測器によって計測対象の計測箇所を計測する第４工程と、データ処理装置によって、第２工程で得た計測情報と第４工程得た計測情報とに基づいてマスターに対する計測対象のずれ量を表すベクトルＶを算出する第５工程と、データ処理装置によって、第５工程で算出したベクトルＶを第３工程で算出したベクトルＰに基づいてワールド座標系のベクトルＶ″に変換する第６工程と、データ処理装置によって、第６工程で算出したベクトルＶ″と第１工程で計測した座標に基づいて、ワールド座標系での計測対象の座標を算出する第７工程と、を含むことを特徴としている。

本発明によれば、従来の三次元計測システムで行われているばらつき誤差が大きい処理、具体的にはロボットのアーム先端部に取り付けられたセンサ系の座標をワールド座標系に合わせる処理に代えて、マスターの絶対位置計測と準備段階で計測したセンサの傾き具合とに基づいて、ワークＷ_Pの穴Ｗ_Hの中心座標P_WCや半径を算出することができるので、センサの計測精度を従来技術に比べて向上させることができる。

本発明の三次元計測システムの概要を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る三次元計測システムのブロック図である。 本発明の実施形態に係る三次元計測システムの準備工程の図である。 図３の準備工程の三次元計測システムを示す図である。 本発明の実施形態に係る三次元計測システムの実測工程の図である。 図５の実測工程の三次元計測システムを示す図である。 従来の三次元計測システムのブロック図である。

以下、下記の項目の順に、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．概要
２．構成
３−１．準備工程
３−２．実測工程

１．概要
本実施形態では、製造ライン上を搬送されてくる車両ボディのパネル（以下、ワークＷ_Pと呼ぶ。）に関して、図１に示すワークＷ_Pに形成された穴Ｗ_Hの中心座標Ｐ_WCや半径を計測する。本実施形態では、準備工程において計測対象の車両に対して参考となる車両をマスターとして取り扱い、マスター車両の特定箇所のパネルの座標や寸法の計測の基準となる主情報を作成し、実測工程では主情報を利用して各ワークの穴の位置や大きさを容易に計測できるように構成されている。

２．構成
三次元計測システム１は、図２に示すように、ロボット１０と、三次元計測器２０と、ロボット制御装置３０と、ロボット計測装置４０と、データ処理装置５０と、を備えている。

ロボット１０は多関節のアーム１１を備え、各関節部１２に備えられたモータを駆動してアーム先端部を移動させる。このアーム先端部には三次元計測器２０が設けられている。

三次元計測器２０は、レーザー照射とその反射光とによってワークＷ_Pの計測箇所の位置と形状を計測する。この三次元計測器２０は、図１に示すように、ベースプレート６０に固定されている。このベースプレート６０の広い面（以下、第１面６１と呼ぶ。）に三次元計測器２０が固定されている。

第１面６１と、この第１面６１に隣接する第２面６２と、第１面６１と第２面６２とにそれぞれ隣接する第３面６３とは、それぞれ法線成分が直交する。ベースプレート６０は、アーム先端に固定されている。

第１面６１に固定された三次元計測器２０がワークＷ_P（図１参照）を臨むように、後述のロボット制御装置３０によってロボット１０が制御されて、三次元計測器２０がワークＷ_Pを計測する位置に移動する。そこで、三次元計測器２０からレーザーが照射され、ワークＷ_Pの計測箇所の位置と形状寸法が計測される。

ロボット制御装置３０は、ロボット１０を駆動制御する。予め作成されたスキャンパス情報に基づいてロボット１０を駆動してアーム先端部の三次元計測器２０を移動させる。

ロボット計測装置４０は、アーム先端部に固定されたベースプレート６０の位置を計測する。具体的には、ベースプレート６０の第１面６１，第２面６２，第３面６３を計測する。ロボット計測装置４０は、接触式の計測装置であり、図示を省略した触針を第１面６１、第２面６２、第３面６３に当接させて、各面６１，６２，６３の座標を測定する。例えば、ロボット計測装置４０として、東京貿易テクノシステム株式会社製のベクトロンを利用することができる。なお、第１面６１、第２面６２、第３面６３の計測箇所は予め決められており、例えば触針を当てる位置にマークが付されている。なお、ロボット計測装置４０で計測される座標は、ワールド座標系で表される。

データ処理装置５０は、三次元計測器２０からの情報やロボット計測装置４０からの参照情報に基づいてデータ処理する。このデータ処理として、準備工程で参照情報を作成し、実測工程では参照情報と三次元計測器２０からの情報とに基づいてワークＷの穴Ｗ１の中心座標や半径を求める。
以下、準備工程と実測工程とについて説明する。

３−１．準備工程
図３は本発明の実施形態に係る三次元計測システム１の準備工程図を示している。
準備工程では、ステップＳ１１で、計測の基準となる図４に示すマスターパネルＭ_Pに形成された穴Ｍ_Hの中心座標Ｐ_MCを計測する。例えば、マスターとなる車両のパネルの特定の箇所を計測する。具体的には、ロボット計測装置４０であるベクトロンの触針をマスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hに当てて、当該穴Ｍ_Hの中心座標Ｐ_MC、半径を計測する。ロボット計測装置４０の座標はワールド座標系と同期しており、触針を計測箇所に当てることで、当該計測箇所の座標が求められる。また、穴Ｍ_Hを形作る縁を複数個所測定し、それらの座標から穴Ｍ_Hの半径と中心座標Ｐ_MCとをデータ処理装置５０が算出する。このようにして得た、マスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hの中心座標Ｐ_MCや穴Ｍ_Hの半径が、主情報として、データ処理装置の記憶部に格納される。

さらに、ステップＳ１２で、三次元計測器２０によってマスターパネルＭ_Pを計測する。ロボット制御装置３０は、スキャンパス情報に基づいてベースプレート６０の第１面６１に固定された三次元計測器２０を、マスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hを臨む位置へ移動させる。以下、この位置を計測位置と呼ぶ。この計測位置で、三次元計測器２０はマスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hを計測する。データ処理装置５０は、三次元計測器２０からの情報に基づいて、マスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hなどの計測箇所の位置及び形状寸法データを格納する。

次に、ステップＳ１３で、三次元計測器２０の姿勢を算出する。ロボット計測装置４０の触針をベースプレート６０の第１面６１、第２面６２、第３面６３について予め決められた計測箇所に当てて、ロボット座標系における３つの各面の法線成分Ｐ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１），Ｐ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２），Ｐ３（ｘ３，ｙ３，ｚ３）を求める。三次元計測器２０は、その座標系がベースプレート６０の第１面６１、第２面６２、第３面６３に一致するように取り付けられているため、これらの法線成分Ｐ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１），Ｐ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２），Ｐ３（ｘ３，ｙ３，ｚ３）は三次元計測器２０の姿勢となる。これらの成分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から成るベクトルＰは、ワールド座標系に対する三次元計測器２０の傾き具合を表す。マスターパネルＭ_Pを計測した際の三次元計測器２０の傾き具合を表すベクトルＰも、データ処理装置５０の記憶部に主情報として格納される。

３−２．実測工程
図５は本発明の実施形態に係る三次元計測システム１の実測工程図を示している。
実測工程では、製造ライン上を搬送されてくる計測対象の各ワークＷ_Pの穴Ｗ_Hの中心座標Ｐ_WCと半径を計測する。

先ず、ステップＳ２１で、三次元計測器２０によってワークＷ_Pを計測する。ロボット制御装置３０は、図６に示すように、マスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hを三次元計測した計測位置へ三次元計測器２０を移動させて、ワークＷ_Pの穴Ｗ_Hを計測する。この時、ロボットの手先の位置、姿勢、すなわち三次元計測器のワールド座標系に対する傾き具合は準備工程の時とほぼ同じとなる。データ処理装置５０は、三次元計測器２０からの情報に基づいて、計測対象の３次元形状データを格納する。

ステップＳ２２で、データ処理装置は、ステップＳ２１で三次元計測器２０によってワークＷ_Pを計測して得た三次元形状の情報とステップＳ１２で当該三次元計測器によってマスターパネルＭ_Pを計測して得た三次元形状の情報とに基づいて、ワークＷ_Pの穴Ｗ_Hの位置（Ｘ_W，Ｙ_W，Ｚ_W）とマスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hの位置（Ｘ_M，Ｙ_M，Ｚ_M）とのずれ量Ｄ（以下、差分と呼ぶ場合がある。）を算出する。ここで、ワークＷ_Pの穴Ｗ_Hの位置とマスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hの位置との差分を示すベクトルＶは、Ｖ＝（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′）＝（Ｘ_M−Ｘ_W，Ｙ_M−Ｙ_W，Ｚ_M−Ｚ_W）と表される。
ここで、このベクトルＶは、センサ座標系上のものであって、ワールド座標系ではなく、センサの方向が変わると実際にワールド座標系上でどの方向であるかは判然としない。そこで、以下のような処理を本実施形態は行う。

ステップＳ２３で、センサ座標系上でのずれ量を表すベクトルＶをワールド座標系に変換する。具体的には、準備工程のステップＳ１３でロボット計測装置４０によって計測した三次元計測器２０の姿勢ベクトルＰを利用する。ベースプレート６０の第１面６１、第２面６２、第３面６３の各法線成分Ｐ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１），Ｐ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２），Ｐ３（ｘ３，ｙ３，ｚ３）を利用して、ベクトルＶ＝（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′）を座標変換する。変換後のベクトルＶのＸ成分はＸ″＝（Ｘ′×ｘ１＋Ｙ′×ｘ２＋Ｚ′×ｘ３）、Ｙ成分はＹ″＝（Ｘ′×ｙ１＋Ｙ′×ｙ２＋Ｚ′×ｙ３）、Ｚ成分はＺ″＝（Ｘ′×ｚ１＋Ｙ′×ｚ２＋Ｚ′×ｚ３）と表される。これらのベクトル成分で表される変換後のベクトルＶ″＝（Ｘ″，Ｙ″，Ｚ″）はロボット計測装置４０の座標系で差分のベクトルＶを表したものになる。
このようにして算出されたベクトルＶ″＝（Ｘ″，Ｙ″，Ｚ″）はワールド座標系上でのマスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hの中心からワークＷ_Pの穴Ｗ_Hの中心がずれた方向と量とを表す図６に示すベクトルＰ_Sとなる。

次に、ステップＳ２４で、ステップＳ１１で計測したマスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hの座標と、ステップＳ２３で算出したベクトルＰ_Sとに基づいて、ワークＷ_Pの穴Ｗ_Hの中心座標Ｐ_WCや半径を算出する。つまり、ワークＷ_Pの穴Ｗ_Hの中心座標Ｐ_WCは、ワークＷ_Pの穴Ｗ_HのマスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hに対する移動方向を表すベクトルＰ_Sを、当初計測したワールド座標の原点OからのマスターパネルＭ_Pの穴Ｍ_Hの絶対座標での中心座標Ｐ_MCを示すベクトルと合算して、求められる。半径については、半径を示す２点の座標値をベクトルＰを用いて同様にワールド座標系上でのずれ量に変換して求めることができる。

このように、本実施形態に係る三次元計測システム１によれば、従来の三次元計測システムで行われているばらつき誤差が大きい処理、具体的にはロボットのアーム先端部に取り付けられたセンサ系の座標をワールド座標に毎回合わせる処理に代えて、準備段階で計測した絶対座標とセンサの傾き具合とに基づいて、ワークＷ_Pの穴Ｗ_Hの中心座標Ｐ_WCや半径をセンサ測定値だけを用いて算出することができるので、センサの計測精度を従来技術に比べて向上させることができる。

以上説明したが、本発明は発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な実施形態で実施できる。
例えば、上記説明では、製造ラインを搬送されてくる各ワークの一箇所の穴を計測対象にした場合を例示したが、各ワークに複数の穴が設けられ、各穴が計測されるように本発明は構成されてもよい。

また、測定箇所は、ワークの穴に限らず、突起、切り欠き、凹み、膨らみなどのパネル上の箇所であってもよい。なお、比較の対象となるマスターは、パネル状に形成されたものに限定されるものではなく、立体的に構成された構造物などであってもよい。

１ 三次元計測システム
１０ ロボット
２０ 三次元計測器
３０ ロボット制御装置
４０ ロボット計測装置
５０ データ処理装置

Claims (2)

1. 計測対象の形状寸法を計測する三次元計測器と、この三次元計測器を移動させるロボットと、ロボットを駆動制御するロボット制御装置と、を備えた三次元計測システムであって、
   上記ロボットのアーム先端に固定され上記三次元計測器を支持したベースプレートと、
   上記ベースプレートに固定された三次元計測器の傾きを計測するロボット計測装置と、
   以下の処理（Ａ１）〜（Ａ４）を順に行うデータ処理装置と、を備えていることを特徴とする、三次元計測システム。
   （Ａ１） 前記三次元計測器によって予め計測されたマスターの測定箇所と、前記三次元計測器によって計測された前記ワークの測定箇所とのズレ量Ｄを算出。
   （Ａ２） 前記三次元計測器のマスター測定時のワールド座標に対する傾きを表すベクトルＰの前記ロボット計測装置による算出。
   （Ａ３） （Ａ１）のズレ量Ｄを（Ａ２）のベクトルＰに乗じて、マスターの測定箇所から前記ワークの測定箇所までのベクトルＰ_Ｓを算出。
   （Ａ４） 前記ロボット計測装置で計測したマスターの測定箇所の座標と（Ａ３）のベクトルＰ_Ｓとに基づいて、ワールド座標系でのワークの測定箇所の座標を算出。
2. 計測対象の形状寸法を計測する三次元計測方法であって、
   上記計測対象に対する計測の基準となる主情報を作成する準備工程と、
   上記主情報と三次元計測器によって計測された前記ワークの情報とに基づいて、上記計測対象の座標を算出する実測工程と、を含み、
   上記主情報は、ワールド座標系でのマスターの形状寸法及び傾きを示す情報であり、
   上記マスターの計測時と上記計測対象の計測時とにおける上記三次元計測器の傾きが同じであると取り扱い、
   上記準備工程は、
   ロボット計測装置によってマスターの計測箇所の座標を計測する第１工程と、
   上記三次元計測器によって上記マスターの計測箇所を計測する第２工程と、
   上記ロボット計測装置によって上記三次元計測器の傾き具合を示すベクトルＰを算出する第３工程と、を含み、
   上記実測工程は、
   上記三次元計測器によって上記計測対象の計測箇所を計測する第４工程と、
   データ処理装置によって、上記第２工程で得た計測情報と上記第４工程で得た計測情報とに基づいて上記マスターに対する上記計測対象のずれ量と方向とを表すセンサ座標系のベクトルＶを算出する第５工程と、
   上記データ処理装置によって、上記第５工程で算出したベクトルＶを上記第３工程で算出したベクトルＰに基づいてワールド座標系のベクトルＶ″に変換する第６工程と、
   上記データ処理装置によって、第６工程で算出したベクトルＶ″と第１工程で計測した座標に基づいて、ワールド座標系での上記計測対象の座標を算出する第７工程と、を含むことを特徴とする、三次元計測方法。