JP2511246B2 - ロボット制御方法 - Google Patents

ロボット制御方法

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JP2511246B2 JP5354803A JP35480393A JP2511246B2 JP 2511246 B2 JP2511246 B2 JP 2511246B2 JP 5354803 A JP5354803 A JP 5354803A JP 35480393 A JP35480393 A JP 35480393A JP 2511246 B2 JP2511246 B2 JP 2511246B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕本発明は一般に３次元機械視察方法および
装置に関し、より詳細には、物体の位置および姿勢を測
定するための３次元機械視察方法および装置に関する。
〔背景技術〕３次元機械視察装置は、３次元で見るため
に、範囲調整、構造光および双眼鏡視察のような多くの
異なる方式を利用している。範囲調整方式および構造光
方式は代表的に最も実施容易である。これらの両技術
は、距離の指示については、物体の表面からの反射音波
のような前進光または他の照射に依存する。範囲調整装
置は代表的に物体に対するレーザビームの反射および戻
りの時間を計ってその距離を測定する（レーダと同
様）。異なる範囲調整センサが背景分析に適用されてき
た。これらのセンサは２種類に分類し得る。一方は三角
測量の三角法に基づき、他方は飛行時間に基づいてい
る。三角測量範囲センサは更に２種類に分離され、その
一方は一対のステレオテレビカメラまたは２つの位置に
代わる位置決めされる１つのカメラによる。他方の種類
は走査伝送器による光面の投射およびテレビカメラによ
る反射光の像の記録に基づいている。実施例として、２
番目の種類は「揺動」受信器によって発光してもよい。
１番目の種類は、背景の２つの像で相応箇所を見出すこ
との問題がある。さらに、両種類とも、送信器によって
見られるが、受信器によっては見られない箇所について
のデータが得られず、センサから遠い方の箇所について
の精度が乏しいという２つの欠点がある。上記の欠点
は、２番目の種類の範囲映像センサをレーザスキャナと
とも利用することによって除去される。この種類の範囲
調整センサもまた２つの方式に分類され、その一方はレ
ーザパルスの伝送および反射信号の到達時間の測定に基
づいている。他方の方式は振幅変調レーザビームを伝送
しかつ反射信号の移相を測定することに基づいている。
構造光装置は光を制御して物体に投射する。次いで、こ
の装置は三角測量法によって物体までの距離を測定し、
そして物体の表面と光ビームとの交差によって形成され
るパターンから物体の形状を推定する。例えば、凸面に
照射する光面が曲線集合体を形成し、この集合体は角物
体にシェブロンパターンを形成する。双眼鏡視察装置
は、２つのカメラを利用し、かつ人が見る際に使用する
ものと同じ一般的な対策（すなわち、双眼鏡の視差）を
用いている。同じ背景の２つの視界間のわずかな相違は
距離の指示として使用され、すなわち、視差が大きけれ
ば大きいほど、物体は近くにある。双眼鏡の視差に基づ
く実際の機械視察装置の開発に関連した１つの問題は
「対応」の問題である。すなわち、各視界の物体は、２
つの視界間の相違を測定することができる前に互いに整
合しなければならない。整合が問題であることがあり、
何故なら、視差の結果、物体が右側視界および左側視界
ではわずかに異って見え、かつ一方の視界で部分的また
は全体的に不明瞭になるかも知れないためである。ま
た、範囲調整方式または構造光方式による３次元視察装
置は、観察されている物体との相互作用を必要とするた
め、固有的に制限される。これらの装置は多くの用途に
適しているかも知れない。しかしながら、視察装置が被
観察物体又はその周囲に拘束部を置くことを回避するよ
うになっている必要がある。米国特許第４，３５７，１
０８号（スターン）および第４，３３５，９６２号（ジ
マティオ等）はともに、放射エネルギパターンを物体に
与え、その後、反射した放射エネルギを記録することに
よって空間情報を測定する方法および装置を開示してい
る。米国特許第４，１０５，９２５号（ローゼル等）は
光学物体位置決め装置を開示しており、この位置決め装
置はコンベヤ上の物体の位置及び配向を定める。２つの
光面コンベヤの表面上の単一の横線で交差する。この方
法は定視距離および透視を採用している。車両組立て
中、特定の視察問題に遭遇する。例えば、組立て工程
中、しばしば、部分的に完成した車体が支持取付具でゆ
るく保持されている間に組立てラインより下で前進して
しまう。この車体の正確な位置はいずれの作業ステーシ
ョンでもわからない。逆に、この車体は既知かつ一定で
ある不確実性の有限窓内に位置決めされる。この窓は一
般に非常に大きいので、ステーションでの作業の自動化
は不可能であるかあるいは実施できないほど高価であ
る。機械拘束部が車体を位置決めしかつ保持するように
設計されている場合でも、位置の不確実性により、しば
しば、自動化工具を使用することができない。これに関
連した問題として、車体が剛性でない。実際、同一組立
てラインで製造された同一車体はしばしば予想できない
寸法不規則性があるということがわかった。部分完成車
体のこれらの不規則性および従順性は最近のデザインお
よび製造実施の許容構造になってきた。将来の製造装置
がこれらの不規則性を美しく示すことができなければな
らないことは明らかである。これらの問題の１つの可能
な解決法は空間における車体の位置が一つの車体から次
の車体まで不変であるように全組立てラインを極めて高
い公差に設計することである。また、車体が事実上同一
であるようにしなければならない。このような対策が米
国特許第４，４５８，６２８号（フジイ等）によって示
されている。この特許は接着剤を自動車の風防ガラスパ
ネルに塗布する装置を開示しており、この装置は、ガラ
スパネルの周部分を工業用ロボットの接着剤塗布ノズル
に絶えず露出させるようにガラスパネルを支持したり移
動させたりするためのターンテーブルを有している。し
かしながら、このような対策は、異なる加工物を保持す
るためには、比較的高い初めの投資および高価な再整備
コストを必要とする。米国特許第３，６１８，７４２号
（ブランチャード等）、第３，８０４，２７０号（ミチ
ャウド等）、第４，１４６，９２４号（バーク等）、第
４，３７３，８０４号（プライヤ等）および第４，３８
０，６９６号（マサキ）には、他の可能な解決法が開示
されている。これらの特許の各々は機械視察装置を開示
しており、この装置は視覚データを供給し、引続き、こ
のデータを処理し、ロボットが物体について作業を行う
ことができるようにロボットの予めプログラミングされ
た進路を変えるために利用される形態にする。しかしな
がら、このような先行機械視察方法および装置は工場の
環境における車体の従順性および不規則性の問題を解決
するためには不適当である。将来の自動化工場における
現在の関心のある１つの分野は接着剤をロボットによっ
て分配することである。自動車製造業者が耐腐食性の計
画を精力的に追求するにつれて、接着剤およびシーラン
トの新規な塗布法が導入されてきている。これらの物質
はドア、デッキおよびフードのような半フランジ付き部
品の組立てに使用される。或る場合には、シーリング材
は多くの在来のスポット溶接と併用される。まず、シー
ラントを塗り、次いで、このシーラントを介して板状金
属を溶接する。この組合せ対策により、スポット溶接部
間の距離を短かくするとともに、溶接部の数を少なくす
る。或る製造業者は構造用接着剤を用いることによって
或る半フランジ付き組立体についての溶接を全くなくし
た。多くの要因により、製造業者は接着剤で接合するよ
うになりつつある。例えば、燃料の節約の必要性から、
自動車製造業者は軽量ゲージ金属を使用することによっ
て重量を軽減するようになった。しかしながら、機械溶
接部および肉蒲金属は構造上の十分な強度をもたらさな
い。しかしながら、かかる接着剤およびシーラントの手
による塗布は、必要とされる生産量および精度が高いた
め、一般に非実用的である。また、自動車製造環境は、
接着剤およびシーラントを自動的に塗布することができ
る装置を強く要求している。かかる接着剤およびシーラ
ントを不適確に塗布すると、不正確な接合または絞り出
しが起る。かかる接着剤およびシーラントの塗布装置は
材料取扱い装置の現在の製造ラインに容易に適合しなけ
ればならない。ワークセルは最も大きい自動車構成要素
さえも収容するように寸法決めされていなければならな
い。また、制御装置が工場の通信装置と適合できなけれ
ばならない。最後に、これらの装置は、工具およびダイ
の摩擦、製品の再設計および製造上の改良によって生じ
る加工吻の幾何形状の変化のような事態を補償すること
ができなければならない。いずれの組立て操作において
も、比較的不変であって、あらゆる測定用の基線として
使用されるゲージ孔と呼ばれる車体の箇所がいくつか存
在している。家の土台および船のキールは他の種類の基
線の例である。車両組立体では、車体の全構造は注意深
く位置決めされたゲージ孔に対して組立てられる。全体
としての車体はいくらか非剛性であってもよいが、ゲー
ジ孔は互いに対して定関係を維持しなければならない。
〔発明の開示〕本発明の目的は空間における３次元の車
体の位置および姿勢をすばやくかく正確に自動的に測定
する方法および装置を提供することである。本発明の他
の目的は、性能を実質的に悪くすることなしに車体のわ
ずかな変化および周囲の光の条件が許容される、３次元
の車体の位置および姿勢を自動的に測定する方法および
装置を提供することである。本発明の更に他の目的は、
たった３ケに過ぎないカメラを利用しかつこれらのカメ
ラを特別に構成する必要がない、３次元の車体の位置お
よび姿勢を自動的に測定する方法および装置を提供する
ことである。また、本発明の更に他の目的は、構造照明
のような特別の照明なしに、工場環境において３次元の
車体の位置および姿勢を自動的に測定するおよび装置を
提供することである。本発明の上記目的および他の目的
を達成する際、定座標系を有する視察ステーションで空
間における３次元の車体の位置および姿勢を自動的に測
定する方法が提供される。車体は少なくとも３つの目標
箇所を有する。この方法は、視察ステーションでの車体
の予期位置に関する校正データを発生し、目標箇所各々
ごとの像データの単一平面を発生する工程を有する。像
データの各平面はその目標箇所に関するデータを有して
いる。また、この方法は、夫々の像平面内の目標箇所の
位置を測定して位置データを得、校正データおよび位置
データをともに処理して定座標系に対する車体の位置お
よび姿勢に関するデータを得る工程を有する。好ましく
は、この方法を利用して、進路補償データをプログラム
ロボット制御装置に供給してこの制御装置によって制御
されたロボットを、３次元の車体について作業するよう
に制御装置でもともとプログラミングされた進路と異な
る新しい進路に沿って移動させることができるようにす
る。進路補償データは作業ステーションでの３次元の車
体の実際の位置と予期された位置との差に関する。この
ように利用する場合、この方法は、更に、前に発生した
合成データを定座標系における車体の実際の位置と予期
された位置との差に関する第１組の偏差データに変換
し、更にこの第１組の偏差データをロボットの座標系に
おける第２組の偏差データに変換する工程を有する。最
後、この方法は第２組の偏差データを制御装置に移送す
る工程を有する。定座標系を有しかつ本発明により構成
された視察ステーションでの少なくとも３つの目標箇所
を有する空間における３次元の車体の位置および姿勢を
自動的に測定する装置は視察ステーションでの車体の予
期位置に関する校正データを記憶する装置を備えてい
る。更に、この装置は間隔をへだてた少なくとも３つの
カメラを備えている。これらのカメラの各々は単一の目
標箇所に関する像データを有する像データ平面を発生す
る。また、この装置は、夫々の像平面内の各目標箇所の
位置に関する位置データを供する装置と、定座標系内の
車体の位置および姿勢に関するデータを供するために校
正データおよび位置データをともに処理する装置とを有
する。好ましくは、この装置は構造光を使用することな
しに作動する。また、好ましくは、この装置を使用し
て、進路補正データをプログラムロボット制御装置に自
動的に供給して制御装置によって制御されたロボット
を、３次元の車体について作業するように制御装置でも
ともとプログラミングされた進路と異なる新しい進路に
沿って移動させることができるようにする。進路補償デ
ータは作業ステーションで３次元の車体の実際の位置と
予期位置との差に関係している。更らに、この装置は、
前に発生した合成データを定座標系における車体の実際
の位置と予期位置との差に関する第１組の偏差データに
変換する装置を備えている。また、第１組の偏差データ
をロボットの座標系における第２組の偏差データに変換
する装置と、第２組の偏差データを制御装置に移送する
装置とが設けられている。上記の方法および装置は利点
が多い。例えば、たった３つの像平面を使用して３次元
の車体の片寄りが発生される。詳細には、視察装置は車
体のいくつかの既知の特徴または目標を捜し出すことが
でき、これらの目標が位置決めされているとき、これら
の目標位置を使用して空間における全車体の位置を分析
して定めることができる。引続き、この位置情報をロボ
ット制御装置のような自動化設備に伝送することができ
る。このため、作業ステーションでは車体を大まかに位
置決めするだけでよく、かくして生産速度を大きく増大
しかつ固定コストを低減する。この方法および装置は工
場の環境における変化に比較的影響されない。カメラの
位置のわずかな変化、ゲージ孔の配置のゆがみおよび周
囲の照明条件の変化により全体の精度に及ぼす作用は極
くわずかである。現在入手できる３次元視察装置は一般
に６つ以上のカメラまたは構造照明を必要とする。本方
法および装置はたった３つのカメラを必要とするだけで
あって、特別の照明はいらない。さらに、利用されるハ
ードウェアは非常に特殊化する必要がない。
本発明を実施するための最良の方法 以下に本発明に係る方法及びシステムの実施例を図面に
基づいて説明する。第１図と第２図は頑丈な（つまり、
照明条件、車体の位置及び照明された車体の反射率の変
化によって影響を比較的受けにくい）ばかりでなく、又
融通性もある自動車ビジョンシステムの動作を説明する
図面である。融通性があるので、このシステムはその各
種構成部品の変更に直ちに適応でき、また車体の種々の
変形デザインにも適応できる。本発明の方法及びシステ
ムの使用によってより高い生産性が獲得されるばかりで
なく、改善された品質が確保される。本発明の自動車ビ
ジョンシステムを全体として参照符号１０で示す。この
システム１０は一般に１２として示す、ワークステーシ
ョン、つまりワークセルにおいて使用されるものとする
が、これに限定されることはない。ワークステーション
１２において、システム１０は周辺装置とやりとり（コ
ミュニケーション）を行なうことができて、周辺装置と
してはロボット１４などの周辺装置、プログラマブルコ
ントローラ、数値制御工作機械、別のビジョンシステ
ム、プラントデータ管理システムなどが包含される。第
１図に示すシステム１０の応用に当たって、ロボット１
４は、好ましくは、自動車の車体１６に自動車用シーラ
ントを塗布するのに使用される。しかしながら、システ
ム１０は数個のワークセルがこのシステム１０によって
時分割制御されるような応用を含む他の応用にも適用可
能であるものと解すべきである。第１図と第２図に示す
ように、自動車の車体１６は一般に１８として表示され
たコンベヤーラインにそって移動する。自動車の車体１
６はキャリジ２０の上に載置され、今度は、このキャリ
ジ２０が周知の方法で移動できるようにトラック２２の
上に載置されている。一般に、完成途上の自動車の車体
１６はキャリジ２０によって緩く保持されているため、
車体１６の正確な位置を知ることはできない。しかしな
がら、システム１０は位置不確定性をもつ車体の全体を
見せる窓を見ることができるのである。この窓は中断さ
れているので、ビジョンシステム１０の助けを借りては
じめてワークステーション１２における作業の自動化が
可能になるわけである。自動車の車体１６の底面には、
数個のゲージホール２４が細心に位置決めの上穿設され
ている。自動車製造業者はすべて、自動車の車体を構成
する全構造物を組立てるに当たって、かかる個々のゲー
ジホール２４を基準として利用する。ゲージホール２４
の相互間隔は比較的不変であるため、かかるゲージホー
ルがあらゆる測定の基準線として使用される。車体１６
は、全体として、幾分かの非剛性を有しているかも知れ
ないが、これに反してゲージホール２４は相互に一定関
係を維持している。一般に、システム１０はゲージホー
ル２４を目視できる標的、つまり、標点として利用し、
それによって自動車の車体１６に不規則性が生じて基準
に追従しなくなるという問題を可能な限り少なくする。
しかしながら、そうする代わりに、目視できる標的の１
個以上がビジョンシステム１０の視野内にある車体１６
の所定の縁や隅であるようにしてもよいということは理
解できよう。
システムのハードウェア システム１０は複数個の隔設されたカメラ２６を包含す
る。かかるカメラは、好ましくは、標準のテレビジョン
信号を出力する通常のＣＣＤを使用したものとする。カ
メラ２６はワークステーション１２内に配設したコンベ
ヤーライン１８の対向する両側に位置するハウジング２
８の内部に配置されている。３０として図示の、各カメ
ラの視線が各ハウジング２８の上面に穿設されたスロッ
ト３２を貫通して延びている。第１図と第２図に示すよ
うに、ゲージホール２４が各カメラ２６の視野内に配設
されているので、各カメラはそれぞれのゲージホール２
４に関する情報を含むデータから成る画像平面を生成す
る。これついては、後に詳述する。一般に、カメラ２６
は、各ゲージホール２４が各自のカメラの視野内にある
限り、ワークセル１２内の任意の場所に置いてもよい。
カメラ２６を車体の上、又は下、或はこの車体にそって
置くことができる。しかしながら、１つの制約はどの２
つのカメラの画像平面も互に平行になるようにしてはな
らないということである。どの画像平面に対する法線ベ
クトルも互にかなりの角度をなすようにしたとき最適性
能が得られる。好ましくは、４個のカメラが各ワークス
テーション１２において使用される。しかしながら、車
体１６の位置と姿勢とを見つけるとき、カメラ２６は１
群が３個のカメラから成る数群の形で使用される。従っ
て、たとえ３個のカメラ２６のうちの１個が不具合にな
っても、システム１０は依然として作動し車体１６の位
置と姿勢とを見つけることができる。システム１０は立
体照明などのような特別な照明を何も必要としない。周
囲の照明条件に比較的大きな変動があったとしても、シ
ステム１０の精度は最少限の影響を受けるにすぎない、
しかしながら、カメラ２６が貧弱な照明の行なわれてい
る組立区域内にある自動車の底面で経験するような極端
な暗闇の中にあれば、人工照明の方が好ましい。人工照
明は又、ワークステーション１２が、太陽光の直射光の
射しているときに見られるような、周囲光の大きな強度
変化を規則的に受けるときには望ましいものである。し
かしながら、上記の２つの場合のどちらでも、ほんのわ
ずか少数の、比較的廉価な照明工具で適切な照明環境を
つくることができる。第３図に示すように、乗り物の車
体１６は各標点をカメラ２６の１つだけが見ることので
きるようにした３個の既知標点（つまり、ゲージホール
２４）を具えた剛体と考えることができる。車体１６が
零偏差位置、つまり理想的公称位置にあるとき、車体１
６上、もしくはその近傍に原点を置いた局所座標系、つ
まりビジョン座標系（ＶＣＳ）にかかる車体１６を結び
つけて考えることにする。零偏差を与える位置にある各
標点にそれぞれ対応する点において、かかる点を始点と
して３本の互に直交するベクトルを立て、かかるベクト
ルの大きさを単位長に、又その方向をＶＣＳの３個の単
位ベクトルの方向に平行にする。３本の単位ベクトルが
各標点においてつくる小座標系をセンサー座標系１、２
及び３（すなわち、それぞれにＳＣＳ１、ＳＣＳ２、及
びＳＣＳ３）と名づけることにする。かかる３つの座標
系間の変換は周知のように不変である。ＶＣＳはカメラ
２６に対して固定されているものと仮定する。車体１６
はそれ自体の座標系をもち、この座標系は車体それ自体
に対し固定されていて、車体座標系（ＢＣＳ）と呼ばれ
る。車体１６がその零偏差位置にあるとき、ＢＣＳとＶ
ＣＳとは一致する。また、車体１６がその零偏差位置に
あるとき、各標点（つまり、各ゲージホール２４）は３
つのセンサー座標系の各原点にそれぞれ正確に対応して
いる。車体１６がその零偏差位置から移動するとき、か
かる車体の受ける剛体の運動はＶＣＳをＢＣＳに関係づ
ける変換〔Ｔ〕によって完全に決定される。この変換は
ＶＣＳに関して定義された変換であって、かかる変換に
よってＢＣＳの位置と方位、従って車体１６の位置が完
全に決定されるのである。ＶＣＳにおける標点の新しい
位置を古い位置から定めるためにも、この同じ変換を使
用することができる。ＶＣＳにおける標点の零偏差位置
座標及びこの標点が変位した時に占める位置座標が与え
られれば、零偏差位置座標と変位した位置座標とはこの
変換によって直接に関係づけられるのである。各カメラ
の視野内で標点を凝視することによって変換〔Ｔ〕を決
定できるようにすることが本発明の目的である。第４図
を参照して説明するに、同図には３４として較正設備の
全体が示されていて、かかる較正設備は各ＳＣＳの大き
さ及び形状に適合した特徴を表面上に具えた目盛キュー
ブ３６を包含する。上記較正設備３４は上記目盛キュー
ブ３６を支持するスタンド３８を又包含する。この較正
設備を使用してそのキューブ３６の位置を定めるには、
そのスタンド３８をキューブ３６の３本の稜線が３個の
ＳＣＳのうちの１つのＳＣＳの、互に直交する軸に、そ
れぞれ平行になるように、ワークステーション１２内で
所定位置に置くことにすればよい。この位置決めは手動
によっても、あるいはロボット１４の１つによっても行
なうことが可能である。較正設備３４は、カメラ２６の
各カメラがキューブ３６の３本の稜線の特定の交点を凝
視することができるように、しかもキューブ３６のデカ
ルト座標系の各座標軸が上記カメラに対応する特定のＳ
ＣＳの各座標軸にそれぞれ平行になるように、その座標
位置が遂次決められる。後に詳述するように、ビジョン
システム１０の周辺機器インタフェースつきコンピュー
タの諸回路４０がカメラ２６から映像信号を受け、この
信号を較正に必要な情報に翻訳する。較正設備３４を該
設備がワークステーション１２内で多重移動を行なわな
ければならないように構成したキューブ３６などの単一
のキューブを包含するようにしてもよいし、又はいくつ
かのカメラ２６によって同時に凝視されるように構成し
た多重個のキューブを包含するようにしてもよい。キュ
ーブ３６によってその表面から投射されたベクトルの位
置座標を含む較正情報は、上記投射後ビジョンシステム
１０の大容量記憶装置４２の中に書き込まれる。又この
記憶装置４２の中にはＢＣＳにおけるゲージホール２４
の位置座標が、較正プロセスの途中に、書き込まれる。
こうする代わりに、ビジョンシステム１０の入出力端末
装置４４の入力装置を介して、較正情報を手動でこのシ
ステム１０に入力することもできる。この入出力端末装
置４４がカメラ情報などの情報を監視し表示する映像モ
ニタやデータモニタを包含するよう構成してもよい。周
辺機器インタフェースつきコンピュータの諸回路４０は
３個のカメラ２６とかかるカメラからの情報を処理する
コンピュータとの間のインタフェースとしての役割を果
たす。一般に上記回路４０は、そのプロセッサ位置にお
いて、コンボルーション積分を求めたり、ビデオ記録装
置に書き込まれているデータを移したりするなどのオペ
レーションを行なう能力を有する。周辺機器インタフェ
ースつきコンピュータの諸回路４０はビジョンシステム
１０のソフトウェアとビデオ画像の数フレームを収容す
るに足る記憶装置を包含すると共に、コンピュータを種
々の周辺装置に結合する周辺機器インタフェース制御用
各種データ送受信口を包含する。
システムのソフトウェア システムのソフトウェアを第５図に示す。このシステム
のソフトウェアは、好ましくは、３つの同時に進行する
プロセス、つまり、ブロック４６、４８及び５０によっ
てそれぞれに図示されているビジョン、コミニュケーシ
ョン及びスーパバイザの各個別機能を実行するための、
３つのタスクから成るように構成される。これらの３つ
のタスクのうちで最大であり、しかも最も複雑なものは
システムスーパバイザ、つまりスーパバイザタスク５０
である。このスーパバイザタスクは初期化モージュール
５４、較正モジュール５６及びラン・タイムモジュール
５８の各モジュールから成る。５４、５６及び５８の各
モジュールはそれ自身のユーザ・インタフェースを包含
する。ビジョンタスク４６はスーパバイザ５０からの要
求に応じてカメラ２６の発生する二次元の、目に見える
情報を処理することに主として係わる。コミニュケーシ
ョンタスク４８は、スーパバイザタスク５０からの要求
に従って、システムのソフトウェアに、ロボット、プロ
グラマブルコントローラなどの外部装置にアクセスする
能力を賦与する、インタフェースとしての、入出力プロ
セスを包含する。ライン５２は種々のタスク、モジュー
ル及び外部装置間でやりとりされるデータの流れを示
す。
ビジョンタスク ビジョンタスク４６はスーパバイザタスク５０からの要
求に応じて、カメラ２６によって発生されたビジョン情
報をセット・アップし、見つけ出して表示する。このタ
スク４６は画像のグレイスケール処理を行なうものであ
って、カメラ２６によって形成された二次元画像平面内
の（たとえば、ゲージホール２４などの）所定の幾何学
的形状を見つけ出すことに係わる。スーパバイザタスク
５０から代表的な呼出し命令をビジョンタスク４６が受
けている間、ビジョンタスク４６は画像平面の諸座標位
置にもどり、そこに格納されている命令を見出してこれ
を実行する。このタスクを実行するには、通常のビジョ
ンタスクが使用される。ビジョンタスク４６はライブな
カメラ画像を入出力端末装置に表示させると共に、かか
るビジョンデータを元の値に戻して大容量記憶装置４２
上の定められた場所に保存する。
コミニュケーションタスク コミニュケーションタスク４８の機能は、任意タイプ及
び任意個数の、ロボットやプログラマブルコントローラ
などの周辺装置を相手にして行なわれる外的なコミニュ
ケーションを処理することである。かかる周辺装置とし
ては、数値制御工作機械、別のビジョンシステム、デー
タ管理システムなどを含めてもよい。このタスクを実行
するには、通常のコミニュケーションタスクが使用され
る。初期化モジュールを含むスーパバイザタスク スー
パバイザタスク５０はフローチャートの形で第７図に示
されている。一般に、スーパバイザタスク５０はシステ
ム１０の全構成部品のオペレーションを制御する。スー
パバイザタスク５０が始動すると、コミニュケーション
タスク４８とビジョンタスク４６とが開始させられる。
スーパバイザタスク５０は較正データ構造と呼ばれるモ
ジュールを含み、このモジュールの中には較正、射影、
スケーリング及び変換に関する全必要情報が入ってい
る。これらの情報については後に詳述する。スーパバイ
ザタスク５０がタスクを開始して後、初期化モジュール
５４がこのスーパバイザタスク５０によって呼び出され
ると、このモジュール５４は較正データ構造にデータを
入れるため記憶装置を確保し、かかる記憶装置の番地に
格納されている内容を最初に定めた値に指定する。初期
化モジュール５４が入出力端末装置４４を介してユーザ
ーに質問を発して、ユーザーがシステムの大容量記憶装
置４２からデータファイルを選定するのを望んでいるの
か、それとも望んでいないのかを決定する。さもなけれ
ば、デフォルト値を使用する。このようにして、モジュ
ール５４はシステムの較正データ構造の初期化を行な
う。ついで、スーパバイザタスク５０が、入出力端末装
置４４を介して、ユーザーに、較正モードやシステム運
転モードなどの、システムの種々のオペレーションモー
ドの中からどのモードを選定するかを尋ねる。スーパバ
イザタスク５０は又、システム１０の運転を中止して運
転停止を行なわせるオプションも具備している。ユーザ
ーが所望のオペレーションモードを指定すると、スーパ
バイザータスク５０が適当なモジュールを呼び出し、今
度は、この呼び出されたモジュールが指定モード内のオ
ペレーションを全て処理する。いずれにしても、較正デ
ータ構造は選定モジュールに移され、このモジュールに
移されたデータ構造はスーパバイザータスクに戻され
る。コミニュケーションタスク４８の場合と同様に、ビ
ジョンタスク４６はラン・タイムモジュール５８と較正
モジュール５６のどちらからも呼び出すことが可能であ
る。較正デター構造は以下に列挙する諸内容吻を包含す
る。すなわち、システムの使用することのできるカメラ
の数、各カメラに付された論理的名称、各カメラに組み
合された、カメラの見る標的（つまり、ゲージホー
ル）、標的とカメラの各対に組み合わされた自動車の組
み立てに関する情報。キューブ３６などの較正用目標の
実寸法に関する情報。実像空間とカメラ空間を結びつけ
る変換、およびカメラ像のパースペクティブ歪曲に関す
る情報。ビジョンシステムの局所的基準座標系と、ロボ
ットと相対性理論でいう時空世界（四次元空間）におけ
る座標系とを結びつける変換。車体１２の公称位置（つ
まり、ロボット１４が数え込まれて辿る、車体上の作業
経路）。
較正モジュール 第８図を参照して説明するに、同図にはスーパバイザタ
スク５０から呼び出された較正モジュール５６がフロー
チャートの形で示されている。較正モジュール５６を使
用すれば、ユーザーは入出力端末装置４４を介して較正
変数を手動で入力及び／又は変更することができる。較
正モジュール５６は以下に記載する諸機能を果たす。
ａ． ユーザーはシステム１０が位置決めしようとして
いる剛体１６上の標的のデカルト座標を指定する。かか
るデカルト座標は時空世界における基準座標系に関して
指定される。
ｂ． 較正モジュール５６は、個々のカメラの画像平面
上への較正設備３４の射影に関する情報を得ることを可
能にする。これは手動によっても、あるいはロボットに
較正目標をシステムのカメラ２６の視野内に持ち来たら
せて、かかる較正目標の表面がもつ特徴から射影情報を
自動的に生成させることによっても達成される。こうす
るには、ビジョンタスク４６の呼び出しを必要とし、ロ
ボット１４の１つが使用されていれば、コミニュケーシ
ョンタスク４８の呼び出しが必要になる。
ｃ． 較正モジュール５６は較正情報を入出力端末装置
に表示することができる。
ｄ． 較正モジュール５６を使用して、ユーザーは他の
較正データや諸定数を、相互作用の結果として、印字し
たり編集したりすることができる。
ｅ． 較正モジュール５６はカメラの視野内の、車体１
６の公称位置を自動的に定める。
ｆ． 較正モジュール５６は、大容量記憶装置４２か
ら、もしくはホストコンピュータ（図示せず）とのコミ
ニュケーションにより、較正データを受取って記憶す
る。
ラン・タイムモジュール 第９図を参照して説明するに、同図にはソフトウェアの
フローチャートの形でラン・タイムモジュールが示され
ている。一般に、ラン・タイムモジュール５８はカメラ
２６の視野内にある目標の三次元位置偏差を生成する。
まずはじめに、ラン・タイムモジュール５８はビジョン
タスク４６を呼び出し、車体１６をカメラ２６の視野内
で凝視して車体１６上の標点（つまり、ゲージホール２
４）の座標をカメラの画像平面上で見つけ出す。つい
で、ラン・タイムモジュール５８はこうして見つけ出し
た特徴を入出力端末装置４４の映像モニタに表示する。
こうして求めた画像平面上の座標と前に生成しておいた
較正データとを使用して、車体１６の位置を二次の摂動
項までとる公式によって求める。この公式によって得ら
れる二次の斉次方程式の組を、たとえばニュトンの二次
近似法のような標準的な繰り返し計算法によって解く。
こうして、６個の自由度を指定すれば空間中の車体の位
置が決まるように、上記方程式を解くことができる。か
かる手順の基礎になっている数学については、第１０図
乃至第２０Ｋ図を参照して後に詳述する。ついで、ラン
・タイムモジュール５８は、６個の運動の自由度に関す
る情報を入出力端末装置４４のモニタに表示する。この
時点で、モジュール５８はかかる情報を車体１６の前に
測定しておいた公称位置からの、６つの自度の偏差に変
換するための別のアルゴリズムを呼び出す。ついで、モ
ジュール５８はビジョン座標系における偏差を１個以上
のロボットなどの周辺装置の結びつけられている基準座
標系における偏差に変換する。最後に、モジュール５８
はコミニュケーションタスク４８を呼出して、こうして
求めた偏差をロボット１４へ伝達し、ロボット１４は現
在加工中の剛体に関して数え込まれている経路を補償す
るためにこうして受け取った偏差を使用することができ
る。
システムの数学的背景 車体１６が若干の偏差をもつ位置にあるときは、前に指
摘しておいたように、画像平面上の標点（つまり、ゲー
ジホール２４）は一般に種々のＳＣＳ座標系の原点から
離れた位置へ移動してしまっている。第１０図のグラフ
は１枚の画像平面とこの平面に結びつけられた幾つかの
射影、及び若干の偏差をもつ位置にある車体１６から投
射された１つの標点の画像平面上への射影Ｐ１を示して
いる。第１０乃至第２０図を参照して後に詳述するよう
に、一般に、画像平面上への３個の射影を較正データと
組み合わせることによって、車体１６のその公称位置か
らの偏差の６個の自由度を決定することが可能である。
第１０図と第１１図を参照して説明するに、点Ｐ１がＳ
ＣＳ１座標系のＸ−Ｙ平面上にあるものと仮定すれば、
各カメラ２６は互に独立してかかる点Ｐ１の位置を解く
ことができるはずである。ベクトルＡ、Ｂ及びＰを第１
１図に示すように定義する。ベクトルＡとベクトルＢ
は、ＳＣＳ１座標系におけるＸ方向の単位ベクトルとＹ
方向の単位ベクトルの画像平面上への射影である。点Ｐ
１のＸ座標とＹ座標（つまり、Ｘ１とｙ１）は第１２図
に示す方程式（１）乃至（４）から得られる。方程式
（４）の解はこの限定された場合の単純解を与える。第
１３図を参照して説明するに、これはより一般化した場
合であって、この場合ｚは任意の値をとりうるもと仮定
している。ｘ１とｙ１を解きｚ１で表わすことが可能で
ある。３つの画像平面の全てについてそのようにし、か
つ或る種の拘束条件を課することによって、解の値を求
めようとする全システムに対して、ｚ１、ｚ２及びｚ３
で表わされた１つの表式を得ることができる。方程式
（５）乃至（９）で与えられるベクトルはカメラの結び
つけられている座標系１について定義されたものであ
り、ｘ１とｙ１は第１３図及び第１４図に示されている
方程式（９）乃至（１２）を解いてｚ１で表わすことが
できる。方程式（１２）はｘ１とｙ１が共にｚ１の線形
関数であることを示す。同様の方程式を他の２個の画像
平面についても導出することができて、かかる方程式の
完全な組は第１０Ｆ図に示す方程式（１３）乃至（１
５）によって与えられる。方程式（１２）乃至（１５）
に現われる諸定数はカメラ２６の各カメラに対する較正
モジュールによって計算される。方程式（１３）乃至
（１５）は９個の未知数をもった６個の一次方程式であ
る。これらの方程式が解けるために必要な追加の拘束条
件は、車体が剛体であることを考慮することによって得
られる。３個の標点間の距離は一定であるから、これら
の距離は第１６図に示すように、ＶＣＳ座標系において
測った３つのＳＣＳ座標系の各原点間の距離に等しい。
これらの３つの一定距離は第１７図に示す方程式によっ
て与えられ、また、変位後にかかる距離は方程式（１
０）で与えられる。第１８図を参照して説明するに、方
程式（１３）、（１４）及び（１５）を（１６）に代入
することによって、第１８図に示す方程式の第１の組が
得られるが、これらの方程式を書き換えると第１８図の
方程式の第２の組が得られる。これらの方程式中のｋ、
１及びｍ項は容易に計算することのできる定数である。
第１８図に示す方程式の第２の組を解くための種々の数
値計算法が従来技術によって開示されている。しかしな
がら、ｚ１、ｚ２及びｚ３の値を求めるのに最も好まし
い方法はニュートン（Ｎｅｗｔｏｎ）の相互作用を用い
るものである。これらの値が求まったら、かかる値を方
程式（１３）、（１４）、（１５）の中に代入し、そう
することによって第１９図に示すようなｘ１、ｘ２、ｘ
３、ｙ１、ｙ２及びｙ３の値が得られる。前に述べたよ
うに、これらの値はビジョン標的、つまりゲージホール
２４のかかる値のそれぞれが結びつけられている各ＳＣ
Ｓ座標系における位置の座標をめいめいに表わしてい
る。標点２４の、ＳＣＳ座標系における座標値はついで
ＶＣＳ座標系における座標値に変換される。しかる後、
偏差値をユーザーの望むようにロボットが作業経路を移
動するような形に変換することが可能である。
繰り返しパースペクティブ補償 四角形法は３点の位置偏差を計算する際に、かかる点が
画像平面上へ正射影として投影されるということを仮定
している。しかしながら、実射影は真のパースペクティ
ブ射影に近いものである。実際のパースペクティブ射影
において、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の各射影は画像平面上で
見て直線目盛りと見做すことができないが、その理由は
各座標軸の終点がカメラからそれぞれに異なる距離にあ
ることによる。かかる誤差を補償するには、第２０図に
示す方程式の第２の組によって与えられるような写像関
係を実座標軸とその各射影軸との間に確立する必要があ
る。各軸に対する、この写像関係は較正時に各座標軸上
で３点以上の測定を行ない、ついで必要な関係を得るた
め補間法を使用することによって獲得することが可能で
ある。新しいスケールファクターの計算結果が第２０図
に方程式の組により与えられている。この補償法は３点
の位置偏差を公称の四角形法を用いて計算するというも
のである。四角形法計算の最後に、座標軸の射影に新し
いスケールファクターを乗じて非直線性を補償する。第
１０Ｋ図の第３組の方程式によって与えられている新し
いスケールファクターを使用して、第１４図に示す各定
数を各画像平面について計算し直す。その後、四角法計
算をまた続ける。上述のシステム及び方法は、立体照明
を使用することなく３台のカメラ２６の各カメラから得
られる特徴的な単一点照明を利用することによって、空
間中の剛体の位置と姿勢を定めることを可能にする。３
台のカメラ２６と車体上の３つの標点とを使用すること
によって、システム１０は車体の位置を正確、かつ迅速
に決定することができる。その後、こうして得られた情
報をロボットなどの任意タイプの周辺装置との間でやり
とりすることが可能である。本発明の自動車ビジョンシ
ステムは高度に特殊であったり複雑であったりするハー
ドウェアを必要とせず、しかも頑丈である（つまり、シ
ステムの性能を著しく劣化させることなく工作物、カメ
ラの調節及び周囲光の小さな変動に耐えることができ
る）。システム１０の較正は迅速、かつ容易に実施さ
れ、しかもカメラやレンズの交換を必要とするような場
合にはその特定のカメラやレンズだけを再較正すればよ
い。以上、本発明を例示する形で説明してきたけれど
も、これまで使用してきた術語は限定するという意味よ
りはむしろ記述する言葉がもつ本来の性質の意味でかか
る術語を使用したものであると解すべきである。以上教
示したところに照らして、本発明に対して種々の修正や
変形を施しうることは明白である。従って、本発明は、
添付の特許請求の範囲から逸れることなく、本明細書に
記載したものとは別に実施できるものと解すべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、組立てるべき自動車の両側にロボットが配置
されているワークステーション、つまりワークセルにお
いて組立中の自動車について、本発明の方法及びシステ
ムの動作を示す斜視図である。第２図は第１図に示した
本発明のシステムの端面図である。第３図はビジョン座
標系（ＶＣＳ）における、ビジョンシステムの３個のカ
メラと剛体との間の相対位置を示す略図であって、この
剛体は３個の標点を有し、かかる標点がそれぞれに３つ
のセンサー座標系（ＳＣＳ）の座標原点を形成してい
る。第４図は本発明の方法及びシステムにおいて使用さ
れる較正設備を示す斜視図である。第５図は本発明のソ
フトウェアの諸モジュールと諸タスク、及びかかるモジ
ュールとかかるタスクとの間でやりとりされるデータの
流れを示す略図である。第６図は初期化モジュールのフ
ローチャートである。第７図はスーパバイザタスクのフ
ローチャートである。第８図は較正モジュールのフロー
チャートである。第９図はラン・タイムモジュールのフ
ローチャートである。第１０図乃至第２０図は本発明の
方法及びシステムの数学的基礎を説明する図形と数式と
を示したものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｂ 19/18 Ｇ０５Ｂ 19/18 Ａ (72)発明者 ルイス エル ホウィットコーム アメリカ合衆国 ミシガン州 48098 トロイアシュレー 1086 (72)発明者 バーソルト ケー ピー ホーン アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 01742コンコード スタットフォードシ ャー レーン 54ビー (56)参考文献 特開 昭60−54011（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 イ）三次元物体の３つの既知標点の１つ
    だけを１つのカメラの撮像面が捉えるように、且つ撮像
    面が互いに平行にならないように３個のカメラを配置
    し、 ロ）ワークステーションに固定の局所座標系と前記のカ
    メラの撮像面との間の関係を決定する座標間関係情報
    と、前記の三次元物体が偏差零の理想的公称位置にある
    ときに前記の局所座標系で見た前記の３つの標点の位置
    を示す基準位置情報とを較正データとして設定し、 ハ）前記のワークステーションにおいて新たな経路に沿
    って固定された前記の三次元物体の標点を前記のカメラ
    で撮像し、 ニ）各標点の撮像面上の２次元座標値を決定し、 ホ）この２次元座標値と、前記の座標間関係情報と、前
    記の較正データにより決定した３つの標点の相互間の距
    離とから前記の局所座標系における、新たな経路に沿っ
    て固定された三次元物体の各標点の位置を決定し、そし
    て ヘ）この各標点の位置について、前記の基準位置情報を
    参照して最初にプログラムされた最初の経路を修正し、
    それによりロボットが最初の経路とは異なる新たな経路
    に沿って移動して前記のワークステーションの三次元物
    体を処理することを特徴とするロボット制御方法。
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