JP2015114722A - 情報処理装置、情報処理装置の制御方法、情報処理システムおよびプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
第1の部品および前記第1の部品が組み付けられた第2の部品を含む画像に基づいて、前記第1の部品および前記第2の部品の各位置姿勢を推定する位置姿勢推定手段と、
前記第1の部品および前記第2の部品の各位置姿勢に基づいて、組み付けの状態を評価するための評価値を算出する評価値算出手段と、
前記評価値に基づいて前記組み付けの成否を判定する成否判定手段と
を備えることを特徴とする。
<1.処理の概要>
本実施形態では、情報処理装置を、組み付け工程において2部品間の組み付けが正常に行われたかを判定する組み付け後検査手法に適用した場合について説明する。
まずは図1を参照して、本実施形態に係る情報処理装置1の構成例を説明する。情報処理装置1は、3次元形状モデル入力部110と、画像入力部120と、位置姿勢推定部130と、組み付け評価値算出部140と、組み付け許容値設定部150と、組み付け成否判定部160とを備えている。
次に、本実施形態における組み付け成否判定の処理手順について説明する。図5は、本実施形態に係る情報処理装置が実施する組み付け成否判定の処理手順を示すフローチャートである。
まず、ステップS1000において、組み付け許容値設定部150は、組み付け評価値の閾値を設定する。組み付け元部品50の設計図面またはCADモデルから、3次元形状モデル10の組み付け接触部位に対応する部位の公差情報を全て参照し、部位中の公差の最悪値を組み付け元部品50の公差として取得する。次に、組み付け先部品60の設計図面またはCADモデルから、3次元形状モデル20の組み付け接触部位に対応する部位の公差情報を全て参照し、部位中の公差の最悪値を組み付け先部品60の公差として取得する。そして、取得した公差情報の和を組み付け評価値の閾値として設定する。組み付け許容値の設定が終了したら、ステップS1000の処理を終了し、ステップS1100に進む。
ステップS1100において、画像入力部120は、2部品が組み付けられた状態の検査対象部品の濃淡画像および距離画像を入力する。まず、2次元画像撮影装置30から濃淡画像を取得する。同様に、距離画像撮影装置40から距離画像を取得する。本実施形態では、距離画像には距離画像撮影装置40から計測対象物体の表面までの距離が格納されているものとする。前述のように、2次元画像撮影装置30と距離画像撮影装置40との光軸は一致しているため、濃淡画像の各画素と距離画像の各画素との対応は既知である。濃淡画像および距離画像の入力が終了したら、ステップS1100の処理を終了し、ステップS1200に進む。
次に、ステップS1200において、位置姿勢推定部130は、ステップS1100において入力された濃淡画像及び距離画像と、3次元形状モデル10および20との対応付けを行い、対応付けた結果に基づいて組み付け先部品および組み付け元部品の位置姿勢を推定する。以下、図6のフローチャートを参照して、ステップS1200における位置姿勢推定処理について詳述する。
まず、ステップS1210において、位置姿勢推定部130は、2次元画像撮影装置30と距離画像撮影装置40からなる撮影装置に対する組み付け元部品と組み付け先部品の位置及び姿勢の概略値を入力する。本実施形態では、物体が置かれているおおよその位置や姿勢があらかじめわかっているものとして、その値を概略値として用いる。
次に、ステップS1220において、位置姿勢推定部130は、ステップS1210において入力された、組み付け元部品と組み付け先部品との概略位置姿勢に基づいて、ステップS1100において計測された距離画像中の3次元点群と、3次元形状モデル10および3次元形状モデル20との対応付けを行う。それぞれの物体の概略位置姿勢と校正済みの距離画像撮影装置40の内部パラメータとを用いて、3次元形状モデルを構成する各局所面特徴を距離画像上に投影する。そして、投影した各局所面特徴に対応する距離画像上の距離点を、各面に対応する3次元点として保持する。
次に、ステップS1230において、位置姿勢推定部130は、濃淡画像上のエッジと3次元形状モデルとの対応付けを行う。ステップS1220と同様に、それぞれの物体の概略位置姿勢と校正済みの2次元画像撮影装置30の内部パラメータとを用いて3次元形状モデルを構成する局所線特徴を画像へ投影し、画像上で検出されたエッジと3次元形状モデル中の局所線特徴とを対応付ける。エッジが各局所線特徴に対応して複数検出された場合には、複数検出されたエッジのうち、投影された局所線特徴に対して画像上で最も近いエッジを対応付ける。
次に、ステップS1240において、位置姿勢推定部130は、ステップS1230で検出した3次元形状モデル中の各線分に対応する濃淡画像上のエッジと、ステップS1220で算出した3次元形状モデル中の各面に対応する距離画像中の3次元点との対応データに基づいて、組み付け先部品および組み付け元部品の位置姿勢を算出する。本ステップでは、算出した対応データに基づいて、計測データと3次元形状モデルとの間の誤差が最小になるように、線形連立方程式を解くことで、位置姿勢の更新を行う。
次に、ステップS1250において、位置姿勢推定部130は、ステップS1240で更新した位置姿勢が、収束しているか否か、すなわち、さらに反復計算を必要とするか否かの判定を行う。具体的には、補正値がほぼ0である場合や、誤差ベクトルの二乗和の補正前と補正後との差がほぼ0である場合に収束したと判定する。収束していなければ(S1250;NO)、ステップS1120に戻り、更新した位置姿勢を用いて、再度位置姿勢推定処理を行う。収束していると判断した場合は(S1250;YES)、この処理は終了し、撮影装置と計測対象物体間の相対的な位置姿勢の最終的な推定値が決定される。
次に、ステップS1300において、組み付け評価値算出部140は、3次元形状モデル10および20と、ステップS1200で推定された、それぞれの位置姿勢とに基づいて、組み付け評価値を算出する。以下、図7のフローチャートを参照して、ステップS1300における組み付け評価値算出処理について詳述する。
まず、ステップS1310において、組み付け評価値算出部140は、ステップS1200で推定された組み付け元部品50の位置姿勢と組み付け先部品60の位置姿勢とに基づいて、両部品間の相対的な位置姿勢を算出する。
次に、ステップS1320において、組み付け評価値算出部140は、モデル間の相対的な位置姿勢に基づいて、3次元形状モデル10の着目部位に属する局所面特徴と、3次元形状モデル20の着目部位に属する局所面特徴との間で最近傍となるペアの算出を行う。法線付き3次元点間の最近傍対応付けの方法としては、例えば、[大石岳史,中澤篤志,池内克史, "インデックス画像を用いた複数距離画像の高速同時位置あわせ、" 電子情報通信学会論文誌, Vol.J89-D No.3, pp.513-521,Mar.2006.]等の距離画像位置合わせにおける対応付け方法を用いればよい。
次に、ステップS1330において、組み付け評価値算出部140は、局所面特徴の最近傍ペア間の距離を算出する。3次元形状モデル10の局所面特徴の点位置をPa (Pax、 Pay、 Paz)、法線方向をNa (Nax、 Nay、 Naz)、3次元形状モデル20の局所面特徴の点位置をPb (Pbx、 Pby、 Pbz)とすると、局所面特徴の局所平面間の距離dは以下の式で計算できる。
次に、ステップS1400において、組み付け成否判定部160は、ステップS1300で算出した組み付け評価値と、ステップS1000において設定された組み付け評価値の閾値とに基づいて、組み付けに成功したか失敗したかを判定する。ステップS1300で算出された組み付け評価値が、設定した閾値よりも下回っている場合は組み付けが成功したと判定し、閾値を超える場合は組み付けに失敗したと判定する。組み付け成否の判定が終了したら、この処理は終了し、組み付け成否が最終的に判定される。
本発明に係る情報処理装置1の好適な適用事例としては、図8に示すように、2次元画像撮影装置30および距離画像撮影装置40により得られる2次元画像と距離画像とに基づいて、産業用のロボット90により組み付けられた組み付け済み部品70の組み付け成否判定を行う利用例があげられる。以下、図8を参照して、本発明の一実施形態である情報処理装置1の適用例を説明する。
上述の実施形態では、3次元形状モデル10と3次元形状モデル20との接触部位から算出される組み付け評価値に基づいて組み付け成否を判定していた。しかし、組み付け評価値の算出手法は、これに限るものではない。例えば、組み付け先部品と組み付け元部品との3次元位置姿勢の差に基づいて、組み付け評価値を算出してもよい。この場合、あらかじめ、組み付け先部品60と組み付け元部品50とが正しく組み付けられた場合の部品間位置姿勢を理想値として算出しておく。また、組み付け許容値としてあらかじめ2部品間の3次元位置の差と3次元角度差の許容値を閾値として設定しておく。そして、検査対象となる画像から、組み付け先部品と組み付け元部品との部品間位置姿勢を算出し、部品間位置姿勢の理想値との差を算出する。算出した位置差と角度差それぞれが、設定した閾値以下か否かによって組み付けの成否を判定する。このとき、成否の判定方法としては、位置差と角度差の両方をチェックする方法に限るものでなく、位置差のみ、角度差のみから、成否を判定してもよい。
上述の実施形態では、3次元形状モデル10と3次元形状モデル20との接触部位の3次元距離に基づいて算出した組み付け評価値に基づいて、組み付け成否を判定していた。しかし、組み付け評価値の算出手法は、これに限るものではない。例えば、組み付けが正しく行われた状態を仮定した3次元モデル形状を用意して、撮影画像と3次元形状モデルとの差、すなわち、画像上での残差から組み付け評価値を算出してもよい。この場合、あらかじめ、組み付け先部品60と組み付け元部品50とが正しく組み付けられた場合の部品間位置姿勢を、部品間位置姿勢の理想値として与えておくものとする。
上述の変形例では、組み付け元部品50と組み付け先部品60との3次元形状モデルと、それらが正しく組みあがった場合の部品間位置姿勢の理想値とを用いて、組み付け評価値の算出を行っていた。しかし、組み付け元部品50と組み付け先部品60の3次元形状モデルを用いるのではなく、組み付け済み部品70の3次元形状モデル1つを用いて判定を行ってもよい。この場合、組み付け済み部品70の3次元形状モデル中に、組み付け成否の判定の際に着目する部位をあらかじめ指定しておく。着目部位としては、例えば、組み付け接触部位近辺などが好適である。ただし、着目部位としては、モデル全体やごく一部の部位のみを用いてもよく、組み付け成否を正しく判定できる限り、着目部位の設定に特に制限はない。
上述の実施形態では、組み付け評価値の閾値となる組み付け許容値は、あらかじめユーザが手動で設定するものとしていた。しかしながら、組み付け許容値は固定値を与える方式のみに限るものではない。例えば、あらかじめ与えられた正解画像を手掛かりにして、組み付け許容値を自動的に設定してもよい。この場合、組み付け許容値自動設定処理としては以下のような処理が考えられる。
上述の実施形態・変形例では、画像および幾何特徴の対応付けに基づく位置姿勢推定手法として、非線形最小二乗法を用いる例を述べた。しかしながら、本発明の情報処理装置における検査対象物体の位置姿勢推定手法としては、上述の方式に限るものではない。例えば、3次元形状モデルと画像との対応付けに基づくマッチングにより位置姿勢を算出してもよい。すなわち、概略の位置及び姿勢を中心に一定範囲において6自由度の値が網羅的にカバーできるように多数の位置及び姿勢を生成し、それぞれの位置及び姿勢において観測できる幾何特徴と濃淡画像及び距離画像とのマッチング度を評価することで、組み付け元部品50および組み付け先部品60の位置及び姿勢を算出してもよい。
上述の実施形態では、濃淡画像と距離画像を撮影する場合について説明していた。しかし、本発明に係る情報処理装置は、濃淡画像と距離画像を両方撮影する場合に限るものではない。例えば、距離画像のみが撮影される場合でも本発明の情報処理装置を適用できる。この場合、本変形例における情報処理装置は、図1の構成から2次元画像撮影装置30を除外した構成となる。また、位置姿勢推定処理に関しては、ステップS1100における濃淡画像の入力処理が無くなり、ステップS1230における濃淡画像と局所線特徴との対応付け処理がなくなる以外、上述の実施形態と変更はない。
第1実施形態によれば、2部品間の接触面の3次元距離に基づいて判定を行うことで、あらかじめ正解画像を撮影する必要なく、かつ自由な姿勢から観察して組み付け成否を判定することが可能となる。また、観察視点に関わらない統一的な値として、組み付け成否判定の厳しさを容易に調整できるという利点がある。
第2の変形例によれば、組み付け先部品60または組み付け元部品50の位置姿勢を画像から算出し、組み付けが正しく行われた状態を仮定した3次元モデル形状と、撮影画像との差を算出することで、組み付け先部品と組み付け元部品の両方の位置姿勢を推定することなく、組み付け成否を判定することが可能となる。
[その他の変形例]
本発明の説明を通して、組み付け元部品50および組み付け先部品60の3次元モデル情報として、局所面特徴と局所線特徴により構成されたモデルを例に説明した。しかし、3次元形状モデルとしては他の表現方式を用いても良い。例えば、3点と3辺および1面により構成されるポリゴンの集合として、3次元形状モデルを表現してもよいし、単純な3次元点の集合として3次元形状を表現してもよい。また陰関数の組み合わせによりパラメトリックに3次元形状を表現する方法を用いてもよい。組み付け先部品60または組み付け元部品50の形状に即する限り、3次元形状モデルの表現方法に特に制限はない。
組み付け評価値の算出は、3次元形状モデル10および3次元形状モデル20の着目部位間の3次元距離を組み付け評価値として算出する例を示したが、他の方法により組み付け評価値を算出してもよい。例えば、3次元形状モデル10および3次元形状モデル20の相対位置姿勢の理想値と観測値との差を、組み付け評価値として利用してもよいし、3次元形状モデルと撮影画像との残差に基づいて組み付け評価値を計算してもよい。組み付け元部品50と組み付け先部品60との組み付け部分のズレ量に応じて変動する値である限り、いかなる方式で算出した値を組み付け評価値として用いても良く、特に制限はない。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
Claims (14)
- 第1の部品および前記第1の部品が組み付けられた第2の部品を含む画像に基づいて、前記第1の部品および前記第2の部品の各位置姿勢を推定する位置姿勢推定手段と、
前記第1の部品および前記第2の部品の各位置姿勢に基づいて、組み付けの状態を評価するための評価値を算出する評価値算出手段と、
前記評価値に基づいて前記組み付けの成否を判定する成否判定手段と
を備えることを特徴とする情報処理装置。 - 前記第1の部品の形状モデルおよび前記第2の部品の形状モデルを入力する形状モデル入力手段をさらに備え、
前記位置姿勢推定手段は、前記画像と、前記第1の部品の形状モデルおよび前記第2の部品の形状モデルとに基づいて、前記各位置姿勢を推定することを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 - 前記評価値の許容値を設定する許容値設定手段をさらに備え、
前記成否判定手段は、前記評価値と前記許容値との比較に基づいて前記組み付けの成否を判定することを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。 - 前記許容値設定手段は、前記第1の部品の形状モデルおよび前記第2の部品の形状モデルから前記第1の部品および前記第2の部品が接触する接触部位の公差情報を取得し、前記公差情報に基づいて前記許容値を設定することを特徴とする請求項3に記載の情報処理装置。
- 前記評価値算出手段は、前記第1の部品および第2の部品の相対的な位置姿勢に基づいて、前記第1の部品および第2の部品の各形状モデルにおける着目部位間の距離を算出し、当該距離に基づいて前記評価値を算出することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の情報処理装置。
- 前記評価値算出手段は、前記第1の部品および前記第2の部品の相対的な位置姿勢と、予め保持された組み付け成功状態の部品間位置姿勢との差に基づいて、前記評価値を算出することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の情報処理装置。
- 前記許容値設定手段は、組み付け成功状態の前記第1の部品および第2の部品が撮影された画像に基づいて算出された評価値に基づいて前記許容値を設定することを特徴とする請求項3に記載の情報処理装置。
- 前記位置姿勢推定手段は、前記画像と、前記第1の部品の形状モデルおよび前記第2の部品の形状モデルとを対応付けてマッチングすることにより、前記各位置姿勢を推定することを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。
- 前記画像は、濃淡画像および距離画像の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載の情報処理装置。
- 第1の部品および前記第1の部品が組み付けられた第2の部品を含む画像に基づいて前記第1の部品または前記第2の部品の一方の位置姿勢を推定し、前記一方の位置姿勢と予め保持された組み付け成功状態の位置姿勢とに基づいて他方の位置姿勢を算出する位置姿勢推定手段と、
前記他方の位置姿勢に対応する部品の形状モデルと前記画像に基づいて、組み付けの状態を評価するための評価値を算出する評価値算出手段と、
前記評価値に基づいて前記組み付けの成否を判定する成否判定手段と
を備えることを特徴とする情報処理装置。 - 第1の部品および前記第1の部品が組み付けられた第2の部品を含む画像に基づいて、前記第1の部品および前記第2の部品を含む組み付け済部品の位置姿勢を推定する位置姿勢推定手段と、
前記組み付け済部品の形状モデルと前記画像とに基づいて、組み付けの状態を評価するための評価値を算出する評価値算出手段と、
前記評価値に基づいて前記組み付けの成否を判定する成否判定手段と
を備えることを特徴とする情報処理装置。 - 請求項1乃至11の何れか1項に記載の情報処理装置と、
前記組み付けの成否判定の結果に基づいて組み付け動作を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする情報処理システム。 - 情報処理装置の制御方法であって、
位置姿勢推定手段が、第1の部品および前記第1の部品が組み付けられた第2の部品を含む画像に基づいて、前記第1の部品および前記第2の部品の各位置姿勢を推定する工程と、
評価値算出手段が、前記第1の部品および前記第2の部品の各位置姿勢に基づいて、組み付けの状態を評価するための評価値を算出する工程と、
成否判定手段が、前記評価値に基づいて前記組み付けの成否を判定する工程と
を有することを特徴とする情報処理装置の制御方法。 - 請求項13に記載の情報処理装置の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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