JP2017120216A - 位置計測システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】視点の影響による計測条件の制限を減らし、広い範囲で安定した計測を行える位置計測システムを提供すること。【解決手段】位置計測システム1は、計測対象物Wに取り付けられるターゲット装置4と、ターゲット装置4を撮像するための撮像手段3と、を備える。ターゲット装置4は、計測対象物Wに取り付けられる基部5と、基部5に対して変位可能に設けられたターゲット本体6であって、撮像手段3で撮像される計測対象面を含む、ターゲット本体6と、を有する。ターゲット本体6の計測対象面は、計測点に対応する中心点を有し、基部5に対する中心点の位置が、基部5に対する計測対象面の姿勢を変えても不変である。【選択図】図１

Description

本発明は、計測点の３次元位置を計測するための位置計測システムおよび方法に関する。

従来、空間上の点の位置をカメラなどで計測する場合には、その点（計測点）を直接計測する方法や、計測対象物に取り付けたターゲットをカメラで撮像する方法がある（例えば、特許文献１、２）。

計測対象物を複数回、複数視点から計測する必要がある場合には、ターゲットを用いる方法が有効である。ターゲットとしては、マーカーやＬＥＤなどを使用することができる。

計測点の３次元位置を計測する必要があるケースとして、位置決め制御装置を用いて作業を行う場合について説明する。なお、位置決め制御装置としては、ロボットを例として説明する。

ロボット用いて作業を行う場合には、ロボットと作業対象物（ワークなど）との位置関係を事前に把握しておく必要がある場合がある。ロボットと作業対象物との位置関係を事前に把握することで、ワークの加工やハンドリングの位置決めを正確に行うことができる。

図６は、ワークＷに計測用のターゲット（マーカー等）６０を複数点取り付け、ロボット６１の手先に装着したカメラ６２でターゲット６０を撮像して、ロボット６１から見たターゲット位置の情報に基づいて、ロボット６１とワークＷとの位置関係を計測する様子を示している。

ところで、ワークＷはその形状や大きさによっては、ロボット６１での作業を可能とするために、ワークＷの姿勢や位置を適宜変更する必要がある。この場合、ワークＷは、回転テーブルや移動機構に据え付けられており、カメラ６２でターゲット６０を撮像する際には、実施が予定されている作業内容に応じて、回転テーブル等でワークＷの位置や姿勢を変えながら撮像する必要がある。

しかしながら、ワークＷの位置や姿勢によっては、ターゲット６０であるマーカーやＬＥＤが、ロボット６１の手先に装着したカメラ６２で認識できなくなる可能性がある。すなわち、マーカーやＬＥＤなどのターゲット６０を空間上の１点に固定する場合には、壁面など（例えばワークＷの表面）に固定する必要があるが、マーカーの場合は、視点が変わるとマーカーの形状が変形して見えるため、正確に計測するためには、視点の変更を極力制限する必要がある。また、ＬＥＤなどの光源をターゲット６０とする場合も、指向性があるため、計測可能な範囲が狭い。

そのため、複数の視点から計測し、データを採取するためには、マーカーやＬＥＤなどのターゲット６０を、ワークの所定の位置・姿勢ごとに、計測可能なそれぞれの位置に貼付する必要がある。その結果、視点ごとに計測した複数の計測結果を繋ぎ合わせる必要があり、計測処理が複雑になるという問題がある。

また、ロボットを用いて作業を行う場合には、ロボット手先に取り付けたツールの先端位置を計測する必要がある場合がある。ロボット手先に取り付けたツールの先端位置は、そのツール自体の加工誤差や組立誤差の影響により、設計値からずれている可能性がある。そのため、オンラインでツール先端位置を計測することで、正確な加工やハンドリングを行うことが可能となる。

図７は、ロボット６１の手先に取り付けたツール６３の先端位置をオンラインで計測する様子を示している。図７に示したように、ツール６３の先端位置を合わせるための治具６４の先端を空間上の基準点として、ツール先端が当該基準点に位置するようにロボット６１を複数姿勢で教示し、その教示したときのロボット６１の位置姿勢情報からツール先端位置を算出する。

しかしながら、この計測方法においては、空間上の基準点に正確にツール先端を位置決めする必要がある。人手で行う場合には、目視で行う必要があり、作業者の熟練度によって計測精度が異なり、品質が安定しないという問題がある。

作業者の熟練度を問わず品質を安定させるためには、図８に示したように、カメラ６２などのセンサを使って、ツール６５の先端に取り付けたマーカーなどのターゲット６０を自動で計測する必要がある。

しかしながら、ツール６５の形状や大きさによっては、図９に示したように、姿勢を変えた際にツール先端がカメラ６２などのセンサの検出範囲から外れる場合があり、また、図１０に示したように、ツール６５がカメラ６２などのセンサと干渉してしまう可能性がある。

それらの不都合を回避するために、先端を長くした計測用のツールを用いる方法もあるが、この方法では、計測用のツール値を実際のツール値にオフセットする際に長さ分だけ誤差が生じる可能性がある。

したがって、実際のツールの先端位置を計測し、かつ姿勢を変えても干渉しない位置にセンサを配置する必要がある。しかしながら、ツール先端にマーカーやＬＥＤなどのターゲットを取り付けて、カメラなどを用いてツールと干渉しない位置から計測しようとしても、ロボットの姿勢を変える必要があるので、やはり上述の問題は解消できない。

特開２００２−７１３１３号公報 特開２００９−６８９６８号公報

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、視点の影響による計測条件の制限を減らし、広い範囲で安定した計測を行うことができる位置計測システムおよび方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、計測点の３次元位置を計測するための位置計測システムであって、計測対象物に取り付けられるターゲット装置と、前記ターゲット装置を撮像するための撮像手段と、を備え、前記ターゲット装置は、前記計測対象物に取り付けられる基部と、前記基部に対して変位可能に設けられたターゲット本体であって、前記撮像手段で撮像される計測対象面を含む、ターゲット本体と、を有し、前記ターゲット本体の前記計測対象面は、前記計測点に対応する中心点を有し、前記基部に対する前記中心点の位置が、前記基部に対する前記計測対象面の姿勢を変えても不変である、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記ターゲット本体は、前記計測対象面を含む平面を有する半球体を備えている、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記半球体の前記平面の中央部に、前記計測点を含む計測特徴部が形成されている、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記計測特徴部は、前記半球体の前記平面の中央部に形成された凹部を含む、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第２乃至第４のいずれかの態様において、前記ターゲット装置の前記基部は、前記半球体の半球面の少なくとも３点を支持するための支持構造を有する、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第１乃至第５のいずれかの態様において、前記ターゲット本体と前記基部とが磁力により互いに吸着可能に構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第１乃至第６のいずれかの態様において、前記撮像手段が装着された位置決め制御装置をさらに備え、前記位置決め制御装置によって位置決めされた前記撮像手段によって前記ターゲット装置の前記計測対象面を撮像して前記計測点を計測することにより、前記計測点と前記位置決め制御装置との位置関係を導出するように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第１乃至第６のいずれかの態様において、前記ターゲット装置が装着された位置決め制御装置をさらに備え、前記位置決め制御装置によって位置決めされた前記ターゲット装置の前記計測対象面を前記撮像手段によって撮像して前記計測点を計測することにより、前記計測点と前記位置決め制御装置との位置関係を導出するように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第９の態様は、第１乃至第８のいずれかの態様による位置計測システムにおいて用いられるターゲット装置である。

本発明の第１０の態様は、計測点の３次元位置を計測するための位置計測方法であって、計測対象物にターゲット装置を取り付ける工程と、撮像手段によって前記ターゲット装置を撮像する工程と、を備え、前記ターゲット装置は、前記計測対象物に取り付けられる基部と、前記基部に対して変位可能に設けられたターゲット本体であって、前記撮像手段で撮像される計測対象面を含む、ターゲット本体と、を有し、前記ターゲット本体の前記計測対象面は、前記計測点に対応する中心点を有し、前記基部に対する前記中心点の位置が、前記基部に対する前記計測対象面の姿勢を変えても不変である、ことを特徴とする。

本発明の第１１の態様は、第１０の態様において、前記ターゲット本体は、前記計測対象面を含む平面を有する半球体を備えている、ことを特徴とする。

本発明の第１２の態様は、第１１の態様において、前記半球体の前記平面の中央部に、前記計測点を含む計測特徴部が形成されている、ことを特徴とする。

本発明の第１３の態様は、第１２の態様において、前記計測特徴部は、前記半球体の前記平面の中央部に形成された凹部を含む、ことを特徴とする。

本発明の第１４の態様は、第１１乃至第１３のいずれかの態様において、前記ターゲット装置の前記基部は、前記半球体の半球面の少なくとも３点を支持するための支持構造を有する、ことを特徴とする。

本発明の第１５の態様は、第１０乃至第１４のいずれかの態様において、前記ターゲット本体と前記基部とが磁力により互いに吸着可能に構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第１６の態様は、第１０乃至第１５のいずれかの態様において、前記撮像手段は、位置決め制御装置に装着されており、前記位置決め制御装置によって位置決めされた前記撮像手段によって前記ターゲット装置の前記計測対象面を撮像して前記計測点を計測することにより、前記計測点と前記位置決め制御装置との位置関係を導出する、ことを特徴とする。

本発明の第１７の態様は、第１０乃至第１５のいずれかの態様において、前記ターゲット装置は、位置決め制御装置に装着されており、前記位置決め制御装置によって位置決めされた前記ターゲット装置の前記計測対象面を前記撮像手段によって撮像して前記計測点を計測することにより、前記計測点と前記位置決め制御装置との位置関係を導出する、ことを特徴とする。

本発明によれば、視点の影響による計測条件の制限を減らし、広い範囲で安定した計測を行うことができる位置計測システムおよび方法を提供できる。

本発明の一実施形態による位置計測システムの概略構成を示した図。 図１に示した位置計測システムのターゲット装置を拡大して示した図。 図１に示した位置計測システムのターゲット装置を拡大して示した他の図。 図１に示した位置計測システムを用いて、ワークに取り付けたターゲット装置を計測する様子を示した図。 図１に示した位置計測システムにおいて、カメラの原点位置を特定する方法を説明するための図。 本発明の他の実施形態による位置計測システムを説明するための図。 従来の位置計測システムの一例を説明するための図。 従来の位置計測システムの他の例を説明するための図。 従来の位置計測システムのさらに他の例を説明するための図。 図８に示した従来の位置計測システムの問題点を説明するための図。 図８に示した従来の位置計測システムの問題点を説明するための他の図。

以下、本発明の一実施形態による位置計測システムおよび方法について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態による位置計測システムおよび方法は、非接触方式にて計測点の３次元位置の計測を行うものである。

図１に示したように、本実施形態による位置計測システム１においては、位置決め制御装置としてのロボット２の手先に、撮像手段としてのカメラ３が装着されている。本例においては、カメラ３として、３次元計測可能なカメラが使用されており、例えばビジョンセンサを用いることができる。

計測対象物であるワークＷは、その位置や姿勢を作業内容に合わせて変更するために、回転テーブルや移動機構などからなるワーク取扱い装置（図示せず）に据え付けられている。このワーク取扱い装置によって、例えば図１に示した互いに直交する回転軸線Ａ１、Ａ２周りにワークＷを回転させ、姿勢を変更することができる。

図１に示したように、ワーク取扱い装置に据え付けられたワークＷには、その測定点が存在する位置に、複数のターゲット装置４が取り付けられている。

図２Ａおよび図２Ｂに示したように、ターゲット装置４は、計測対象物に取り付けられる台座治具（基部）５と、台座治具５に対して変位可能に設けられたターゲット本体６とを有している。ターゲット本体６は、計測対象面を含む平面６Ａを有する半球体で構成されている。半球体は、真球を直径部分で半分にカットした形状を有している。

半球体の平面６Ａの中央部には、半球面状の凹部６Ｂが形成されており、この凹部６Ｂが、計測点Ｐ（図２Ａ参照）を含む計測特徴部を構成している。ターゲット本体６に形成された半球面状の凹部６Ｂの円形開口の中心が、カメラ３によって計測する計測点Ｐに対応している。すなわち、ターゲット本体６を構成する半球体の球中心に計測点Ｐが位置している。

なお、本例においては、計測特徴部を凹部６Ｂによって構成しているが、これに代えて、半球体の平面６Ａの中央部にマーカーを貼付したり、ＬＥＤを取り付けたりすることもできる。

ターゲット本体６が載置されている台座治具５は、ターゲット本体６を構成する半球体の半球面６Ｃの少なくとも３点を、移動可能に支持するための支持構造を備えている。すなわち、台座治具５は、円筒状の支持部材５Ａを有しており、この支持部材５Ａの上端周縁部によって、ターゲット本体６を構成する半球体の半球面６Ｃを摺動可能に支持している。

台座治具５は、さらに、支持部材５Ａの内側に配置された磁石５Ｂを備えており、磁石５Ｂは支持部材５Ａに対して固定されている。ターゲット本体６は、磁石５Ｂの磁力によって吸着され、これにより、台座治具５に対して半固定されている。

台座治具５の円筒状の支持部材５Ａの上端周縁部で摺動可能に支持されたターゲット本体６は、その計測点Ｐを中心として回転させることができる。これにより、ターゲット本体６の計測対象面を含む平面６Ａの姿勢を、適宜変更することができる。

上記のとおり、ターゲット本体６の回転中心が計測点Ｐに一致しているので、台座治具５に対する計測点Ｐの位置は、台座治具５に対する計測対象面の姿勢を変えても不変である。台座治具５はワークＷに固定されているので、ターゲット本体６の計測点Ｐの、ワークＷに対する位置は、台座治具５上でターゲット本体６を回転させても不変である。

次に、上記構成を備えた位置計測システム１を用いて、ワークＷに関する計測点Ｐの３次元位置を計測する方法について説明する。

まず初めに、図１に示したように、ワークＷ上の計測対象個所に、図２Ａおよび図２Ｂに示したターゲット装置を取り付ける。

そして、ロボット２を駆動して所定の位置に位置決めしたカメラ３によって、ターゲット本体６の計測対象面を含む平面６Ａを撮像する。この撮像工程においては、ワークＷで予定されている各種の作業内容に応じて、図３に示したように、ワーク取扱い装置によってワークＷの位置や姿勢を変更しながら、カメラ３によってターゲット本体６の計測対象面を撮像する。

ここで、ワーク取扱い装置によってワークＷの位置や姿勢を変更すると、ワークＷに取り付けたターゲット装置４の計測対象面が、ロボット２に装着されたカメラ３から撮像できない向きになり、或いは、十分な計測精度が得られない向きになる場合がある。

このような場合でも、本実施形態による位置計測システム１においては、台座治具５上で半球状のターゲット本体６を回転移動させて、図３に示したように、その計測対象面を含む平面６Ａをカメラ３の方向に向けることにより、十分な計測精度の下でカメラ３による計測を行うことができる。

その結果、ワーク取扱い装置によってワークＷの位置や姿勢を変更した場合でも、共通のターゲット装置４を用いて、ワークＷ上の同じ計測点Ｐをカメラ３によって計測することができる。

また、ロボット２から見たカメラ３の原点位置を特定するためには、図４に示したように、床や作業台に設置したターゲット装置４のターゲット本体６の計測対象面を、ロボット２の手先に装着したカメラ３によって、ロボット手先の位置や姿勢を変えながら撮像する。このようにロボット手先のカメラ３によって、床や作業台に設置したターゲット装置４のターゲット本体６の計測対象面を計測することにより、ロボット２から見たカメラ３の原点位置を正確に特定することができる。

なお、台座治具５に対するターゲット本体６の姿勢を変更する際には、例えば、ロボット２にゴム板などの押当て部材を搭載し、ロボット２を駆動して押当て部材をターゲット本体６の平面６Ａに押し付け、この状態でさらにロボット２を駆動して押当て部材と共にターゲット本体６を移動させることにより、ターゲット本体６の姿勢を変更することができる。

以上述べたように、本実施形態による位置計測システム１および方法によれば、共通のターゲット装置４を用いて複数の視点から高精度で計測点Ｐを計測できるので、視点の影響による計測条件の制限を減らし、広い範囲で安定した計測を行うことができる。

上記のとおり、共通のターゲット装置４を用いて、ワークＷ上の同じ計測点Ｐを複数の視点から計測できるので、従来に比べてターゲットの設置数を低減することができ、また、従来の計測システムのように複数の計測データを繋ぎ合わせる処理が不要となり、計測処理を大幅に簡素化することができる。

本発明の他の実施形態としては、図５に示したように、ターゲット装置４をロボット２の手先に取り付けると共に、カメラ３を床や作業台に設置することもできる。

本実施形態においては、ロボット２を駆動してロボット手先の位置や姿勢を変えながら、オンライン計測にて、ターゲット装置４の計測対象面を、床や作業台に設置したカメラ（撮像手段）３によって撮像する。

なお、台座治具５に対するターゲット本体６の姿勢を変更する際には、例えば、ロボット２を駆動して、ターゲット本体６の平面６を、作業台の上などに載置されたゴム板などの押当て部材に押し付け、この状態でロボット手先を台座治具５と共に移動すれば、ターゲット本体６の姿勢を変更することができる。

そして、ロボット手先に取り付けたターゲット装置４の計測対象面の計測点Ｐの位置と、ロボット２に装着されるツールの基準位置との相対的な位置関係を事前に特定しておくことで、カメラ３を用いてターゲット装置４の計測点Ｐの位置を計測することにより、ロボット２に装着されるツールの基準位置を特定することができる。

１ 位置計測システム
２ ロボット（位置決め制御装置）
３ カメラ（撮像手段）
４ ターゲット装置
５ 台座治具
５Ａ 円筒状の支持部材
５Ｂ 磁石
６ ターゲット本体
６Ａ 計測対象面を含む平面
６Ｂ 凹部（計測特徴部）
６Ｃ ターゲット本体の半球面
Ｐ 計測点
Ｗ ワーク

Claims (17)

1. 計測点の３次元位置を計測するための位置計測システムであって、
   計測対象物に取り付けられるターゲット装置と、
   前記ターゲット装置を撮像するための撮像手段と、を備え、
   前記ターゲット装置は、
   前記計測対象物に取り付けられる基部と、
   前記基部に対して変位可能に設けられたターゲット本体であって、前記撮像手段で撮像される計測対象面を含む、ターゲット本体と、を有し、
   前記ターゲット本体の前記計測対象面は、前記計測点に対応する中心点を有し、前記基部に対する前記中心点の位置が、前記基部に対する前記計測対象面の姿勢を変えても不変である、位置計測システム。
2. 前記ターゲット本体は、前記計測対象面を含む平面を有する半球体を備えている、請求項１記載の位置計測システム。
3. 前記半球体の前記平面の中央部に、前記計測点を含む計測特徴部が形成されている、請求項２記載の位置計測システム。
4. 前記計測特徴部は、前記半球体の前記平面の中央部に形成された凹部を含む、請求項３記載の位置計測システム。
5. 前記ターゲット装置の前記基部は、前記半球体の半球面の少なくとも３点を支持するための支持構造を有する、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の位置計測システム。
6. 前記ターゲット本体と前記基部とが磁力により互いに吸着可能に構成されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の位置計測システム。
7. 前記撮像手段が装着された位置決め制御装置をさらに備え、
   前記位置決め制御装置によって位置決めされた前記撮像手段によって前記ターゲット装置の前記計測対象面を撮像して前記計測点を計測することにより、前記計測点と前記位置決め制御装置との位置関係を導出するように構成されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の位置計測システム。
8. 前記ターゲット装置が装着された位置決め制御装置をさらに備え、
   前記位置決め制御装置によって位置決めされた前記ターゲット装置の前記計測対象面を前記撮像手段によって撮像して前記計測点を計測することにより、前記計測点と前記位置決め制御装置との位置関係を導出するように構成されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の位置計測システム。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の位置計測システムにおいて用いられるターゲット装置。
10. 計測点の３次元位置を計測するための位置計測方法であって、
    計測対象物にターゲット装置を取り付ける工程と、
    撮像手段によって前記ターゲット装置を撮像する工程と、を備え、
    前記ターゲット装置は、
    前記計測対象物に取り付けられる基部と、
    前記基部に対して変位可能に設けられたターゲット本体であって、前記撮像手段で撮像される計測対象面を含む、ターゲット本体と、を有し、
    前記ターゲット本体の前記計測対象面は、前記計測点に対応する中心点を有し、前記基部に対する前記中心点の位置が、前記基部に対する前記計測対象面の姿勢を変えても不変である、位置計測方法。
11. 前記ターゲット本体は、前記計測対象面を含む平面を有する半球体を備えている、請求項１０記載の位置計測方法。
12. 前記半球体の前記平面の中央部に、前記計測点を含む計測特徴部が形成されている、請求項１１記載の位置計測方法。
13. 前記計測特徴部は、前記半球体の前記平面の中央部に形成された凹部を含む、請求項１２記載の位置計測方法。
14. 前記ターゲット装置の前記基部は、前記半球体の半球面の少なくとも３点を支持するための支持構造を有する、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の位置計測方法。
15. 前記ターゲット本体と前記基部とが磁力により互いに吸着可能に構成されている、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の位置計測方法。
16. 前記撮像手段は、位置決め制御装置に装着されており、
    前記位置決め制御装置によって位置決めされた前記撮像手段によって前記ターゲット装置の前記計測対象面を撮像して前記計測点を計測することにより、前記計測点と前記位置決め制御装置との位置関係を導出する、請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の位置計測方法。
17. 前記ターゲット装置は、位置決め制御装置に装着されており、
    前記位置決め制御装置によって位置決めされた前記ターゲット装置の前記計測対象面を前記撮像手段によって撮像して前記計測点を計測することにより、前記計測点と前記位置決め制御装置との位置関係を導出する、請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の位置計測方法。

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