JP3068325B2 - 3D position measuring device - Google Patents

3D position measuring device

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JP3068325B2
JP3068325B2 JP4127213A JP12721392A JP3068325B2 JP 3068325 B2 JP3068325 B2 JP 3068325B2 JP 4127213 A JP4127213 A JP 4127213A JP 12721392 A JP12721392 A JP 12721392A JP 3068325 B2 JP3068325 B2 JP 3068325B2
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JP
Japan
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image
rotation
television camera
detector
rotation angle
Prior art date
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JP4127213A
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Japanese (ja)
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JPH05322530A (en
Inventor
博之 中山
淳 時岡
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボット等の制
御に用いられる3次元位置計測装置に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional position measuring device used for controlling an industrial robot or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】産業用ロボットでは、その作業を行なう
際、工具やハンドの付いた先端部分の位置を計測し、目
的とされる所にロボット先端部を移動させなければなら
ない。この時、最も簡単な方法としては、ロボットの各
関節の回転角度を計測し、これらの情報から先端の位置
を求める方法が挙げられる。しかし、この方法ではロボ
ット自身の重量によるたわみが生じ、正確に位置計算が
できないことがある。
2. Description of the Related Art In an industrial robot, when performing its work, it is necessary to measure the position of a tip portion with a tool or a hand and move the tip portion of the robot to a target location. At this time, the simplest method is to measure the rotation angle of each joint of the robot and obtain the position of the tip from the information. However, in this method, deflection occurs due to the weight of the robot itself, and accurate position calculation may not be performed.

【0003】そこで、従来では図3に示すように、2台
のテレビカメラ11,12を用いて先端の位置を計測し
ていた。即ち、ロボット先端に取り付けた対象物10
を、第1のテレビカメラ11、及び、第2のテレビカメ
ラ12で撮像する。撮像された画像は切換器9により順
次、画像座標検出器4に入力される。画像座標検出器4
では、撮像された画像上での対象物10の位置を検出す
る。
Therefore, conventionally, as shown in FIG. 3, the position of the tip is measured using two television cameras 11 and 12. That is, the object 10 attached to the robot tip
Is captured by the first television camera 11 and the second television camera 12. The captured images are sequentially input to the image coordinate detector 4 by the switch 9. Image coordinate detector 4
Then, the position of the target object 10 on the captured image is detected.

【0004】画像座標検出器4での処理は、簡単化を図
るため、対象物10に発光ダイオード等の周囲環境より
十分に明るい素子を用いれば、二値化処理により対象物
10の領域が容易に抽出でき、その領域の重心を求める
ことにより実行される。重心の検出方法は周知の技術で
ある。
In order to simplify the processing in the image coordinate detector 4, if an element such as a light emitting diode, which is sufficiently brighter than the surrounding environment, is used for the object 10, the area of the object 10 can be easily formed by the binarization processing. And is performed by determining the center of gravity of the region. The method of detecting the center of gravity is a known technique.

【0005】2枚の画像からそれぞれ対象物10の画像
上での位置が検出されると、それらの位置の間には、2
台のテレビカメラ11,12の間隔に相当する視差が存
在するため、座標演算器6は三角測量の原理に従って、
対象物10の3次元位置を計算する。この演算方法は周
知の技術である。そして計算した3次元位置が表示器7
に表示される。
When the position of the object 10 on the image is detected from each of the two images, the distance between the positions is 2.
Since there is a parallax corresponding to the interval between the two television cameras 11 and 12, the coordinate calculator 6 uses
The three-dimensional position of the object 10 is calculated. This calculation method is a known technique. The calculated three-dimensional position is displayed on the display 7.
Will be displayed.

【0006】なお、テレビカメラ11,12は回転機構
2上に載置され、駆動回路5により回転機構2が回転し
てテレビカメラ11,12の向きが変わる。また、回転
機構2の回転角度は角度検出器3で検出され検出回転角
度が座標演算器6へ送られる。
[0006] The television cameras 11 and 12 are mounted on the rotation mechanism 2, and the rotation mechanism 2 is rotated by the drive circuit 5 to change the orientation of the television cameras 11 and 12. The rotation angle of the rotation mechanism 2 is detected by the angle detector 3, and the detected rotation angle is sent to the coordinate calculator 6.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術では、2台のテレビカメラ11,12が共に撮像で
きる範囲しか計測できない。このため、位置や可動範囲
が未知の対象物10を計測する場合には、2台のテレビ
カメラ11,12を回転させる回転機構2を設け、対象
物10を探せるようにしなければならない。また、3次
元座標を計算するためには、各テレビカメラ11,12
の位置や、取り付け角度を予め求めておく必要がある
が、テレビカメラが2台であるため、その校正作業が複
雑になると言った課題があった。
However, according to the prior art, only the range in which both of the two television cameras 11 and 12 can capture an image can be measured. For this reason, when measuring the target object 10 whose position or movable range is unknown, it is necessary to provide the rotation mechanism 2 for rotating the two television cameras 11 and 12 so that the target object 10 can be searched for. Further, in order to calculate the three-dimensional coordinates, each of the television cameras 11 and 12 is required.
It is necessary to determine the position and the mounting angle in advance, but there is a problem that the calibration work becomes complicated because there are two television cameras.

【0008】本発明は、上記従来技術に鑑み、構成及び
校正作業が簡単でしかも高精度な3次元位置計測装置を
提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a high-precision three-dimensional position measuring apparatus which is simple in configuration and calibration work in view of the above prior art.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、回転機構と、回転機構により回転させられ
るとともに所定の回転角度に達する毎に対象物を含む画
像を撮像する1台のテレビカメラと、回転機構によるテ
レビカメラの回転角度を検出する角度検出器と、撮像の
たびに前記テレビカメラから出力される各出力画像を処
理して画像上での対象物の位置を検出する画像座標検出
器と、各撮像ごとに得た画像上での対象物の位置と各撮
像をしたときのテレビカメラの各回転角度とから対象物
の3次元座標を計算する座標演算器と、を有することを
特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, a configuration of the present invention comprises a rotating mechanism and a single unit which is rotated by the rotating mechanism and captures an image including an object every time a predetermined rotation angle is reached. A television camera, an angle detector for detecting a rotation angle of the television camera by a rotation mechanism, and an image for processing each output image output from the television camera for each imaging to detect a position of an object on the image A coordinate detector for calculating three-dimensional coordinates of the object from the position of the object on an image obtained for each image and the rotation angle of the television camera at the time of each image; It is characterized by the following.

【0010】[0010]

【作用】本発明では、回転機構によってテレビカメラは
回転され、その撮像位置が順次変化する。この時、任意
の回転角度にて画像を撮像する。また、他の回転角度で
画像を撮像すると、先に撮像した画像との間には移動し
た回転角度に相当するだけの視差が存在することにな
る。従って、撮像された画像上での対象物の位置を画像
座標検出器で検出すると、その時の回転角度と合わせ
て、対象物の3次元座標を求めることができる。
According to the present invention, the television camera is rotated by the rotation mechanism, and its imaging position is sequentially changed. At this time, an image is captured at an arbitrary rotation angle. Further, when an image is captured at another rotation angle, there is a parallax corresponding to the moved rotation angle between the image captured earlier and the image captured earlier. Therefore, when the position of the target on the captured image is detected by the image coordinate detector, the three-dimensional coordinates of the target can be obtained together with the rotation angle at that time.

【0011】[0011]

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0012】図1に示すように、本発明の実施例に係る
3次元位置計測装置では、テレビカメラ1は取付治具2
2により回転機構2に取り付けられる。回転機構2の回
転軸には角度検出器3が接続される。テレビカメラ1の
出力画像は画像座標検出器4に接続され、画像上での対
象物10の位置が検出される。画像上での位置検出方法
は、従来技術の一例で示したように、対象物10に発光
ダイオードを用いると、二値化処理と重心検出の周知の
技術で容易に実現できる。
As shown in FIG. 1, in a three-dimensional position measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, a television camera 1 includes a mounting jig 2.
2 attaches to the rotation mechanism 2. An angle detector 3 is connected to a rotation shaft of the rotation mechanism 2. The output image of the television camera 1 is connected to the image coordinate detector 4, and the position of the object 10 on the image is detected. As shown in an example of the prior art, a method of detecting a position on an image can be easily realized by using a well-known technique of binarization processing and gravity center detection when a light emitting diode is used for the object 10.

【0013】画像座標検出器4は対象物10の画像上で
の位置を検出すると、駆動回路5に指令を出す。駆動回
路5は予め設定された移動量にしたがって、回転機構2
を回転させる。座標演算器6は、画像座標検出器4の複
数回分の出力と、それらの画像を撮像した時の角度検出
器3のそれぞれの出力角度から、対象物10の3次元座
標を計算する。
When detecting the position of the object 10 on the image, the image coordinate detector 4 issues a command to the drive circuit 5. The driving circuit 5 rotates the rotating mechanism 2 according to a predetermined moving amount.
To rotate. The coordinate calculator 6 calculates the three-dimensional coordinates of the object 10 from the outputs of the image coordinate detector 4 for a plurality of times and the respective output angles of the angle detector 3 when the images are captured.

【0014】計算された3次元座標は表示器7に表示さ
れ、ロボットの操作員に通知されるか、または、直接ロ
ボットの制御装置に通知され、ロボットの制御が行われ
る。
The calculated three-dimensional coordinates are displayed on the display 7 and notified to the robot operator or directly to the robot controller to control the robot.

【0015】次に、座標演算器6での処理について、図
2を用いて詳述する。図2は本発明の光学系を示したも
のである。同図に示すように、3次元座標の基準となる
世界座標系20をOXYZとし、回転機構2の回転軸を
Y軸と平行にとる。
Next, the processing in the coordinate calculator 6 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 shows an optical system according to the present invention. As shown in the figure, the world coordinate system 20, which is a reference for three-dimensional coordinates, is OXYZ, and the rotation axis of the rotation mechanism 2 is parallel to the Y axis.

【0016】回転軸上で、テレビカメラ1のレンズの中
心OV と同一の高さの点を回転中心OR (XR ,YR
R )とする。回転中心OR から回転軸に垂直に回転半
径Lだけ離れた位置にレンズの中心OV が存在すること
になる。テレビカメラ1は、回転機構2の回転角度θが
0°の時、このレンズの中心O V を中心にして、X軸、
Y軸、及び、Z軸に対してそれぞれ、ω、φ、κだけ回
転して撮像すると考える。
On the rotation axis, in the lens of the TV camera 1
Heart OVA point at the same height as the rotation center OR(XR, YR,
ZR). Rotation center ORHalf a rotation perpendicular to the rotation axis from
The center O of the lens at a position separated by the diameter LVExists
become. The television camera 1 has a rotation angle θ of the rotation mechanism 2.
At 0 °, the center O of this lens VCentering on the X axis,
Ω, φ, κ times about Y axis and Z axis respectively
It is assumed that the image is inverted.

【0017】この時、テレビカメラ1の視線の方向と逆
方向をz軸とし、撮像素子8の横方向をx軸、縦方向を
y軸とする、視覚座標系21をOV xyzで定義する。
撮像素子8は、レンズの中心OV から、画面距離Cだけ
離れた位置で視線に垂直に、かつ、視線が撮像素子8の
中心を通るように撮像するものとする。また、回転機構
2の移動によって、視覚座標系21は回転軸を中心にθ
だけ回転するものとする。
At this time, a visual coordinate system 21 is defined by O V xyz, where the z-axis is the direction opposite to the line of sight of the television camera 1, the x-axis is the horizontal direction of the imaging device 8, and the y-axis is the vertical direction. .
It is assumed that the image sensor 8 captures an image perpendicularly to the line of sight at a position separated by the screen distance C from the center O V of the lens so that the line of sight passes through the center of the image sensor 8. In addition, the visual coordinate system 21 becomes θ around the rotation axis by the movement of the rotation mechanism 2.
Only rotate.

【0018】以上の光学系では、レンズの中心OV の位
置(X0 ,Y0 ,Z0 )は次式(1)で与えられる。
In the above optical system, the position (X 0 , Y 0 , Z 0 ) of the center O V of the lens is given by the following equation (1).

【0019】[0019]

【数1】 (Equation 1)

【0020】対象物の点Pは視覚座標系21で(xp
p 、zp )と表され、世界座標系20で(X,Y,
Z)で表されるとすると、次式(2)が成り立つ。
The point P of the object is represented by (x p ,
y p , z p ), and (X, Y,
Z), the following equation (2) holds.

【0021】[0021]

【数2】 (Equation 2)

【0022】ここで、行列Aは以下の通りである。Here, the matrix A is as follows.

【0023】[0023]

【数3】 (Equation 3)

【0024】また、点P、p、OV が一直線上にあると
言う条件から次式(4)(5)を得る。
The following equations (4) and (5) are obtained from the condition that the points P, p and O V are on a straight line.

【0025】[0025]

【数4】 (Equation 4)

【0026】行列Aは回転座標変換であるから、上式
(4)(5)は次式(6)(7)に書き換えることがで
きる。
Since the matrix A is a rotational coordinate transformation, the above equations (4) and (5) can be rewritten as the following equations (6) and (7).

【0027】[0027]

【数5】 (Equation 5)

【0028】上式(6)(7)は点PとOV を通る直線
の方程式になっているので、回転機構2の回転角度θの
時の画像上で対象物10の位置(x,y)を複数枚分計
測すれば、最小二乗法により対象物の3次元座標(X,
Y,Z)が計算できる。
Since the above equations (6) and (7) are equations of a straight line passing through the points P and O V , the position (x, y) of the object 10 on the image at the rotation angle θ of the rotation mechanism 2 ) For a plurality of sheets, the three-dimensional coordinates (X,
Y, Z) can be calculated.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明を適用することにより、1台のテ
レビカメラを用いるのみで、回転軸に対して360°方
向の対象物の位置計測が行え、装置の構成が簡単にな
る。
According to the present invention, the position of an object can be measured in the direction of 360 ° with respect to the rotation axis by using only one television camera, and the configuration of the apparatus is simplified.

【0030】また、テレビカメラを1台しか用いないた
め、その校正作業が簡単となり省力化が図れる。
Further, since only one TV camera is used, the calibration work is simplified and labor saving can be achieved.

【0031】更に、2台のテレビカメラを用いる従来の
方法では、対象物の3次元座標を計算するために、2枚
の画像しか用いることができないため、画像上での対象
物の位置の検出誤差の影響を受けやすく、精度の向上が
図り難いが、本発明によれば多数枚の画像を用いて対象
物の3次元座標を計算することができるため、画像上で
の位置検出誤差を相殺することができ、高精度化が図れ
る等、産業上の利用効果は極めて大きい。
Further, in the conventional method using two television cameras, since only two images can be used to calculate the three-dimensional coordinates of the object, the position of the object on the image is detected. Although it is easily affected by errors and it is difficult to improve the accuracy, according to the present invention, it is possible to calculate the three-dimensional coordinates of the target object using a large number of images, thereby canceling the position detection error on the images. Therefore, the industrial utilization effect is extremely large, for example, high accuracy can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例に係る3次元位置計測装置を
示す構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a three-dimensional position measuring device according to one embodiment of the present invention.

【図2】本発明における3次元座標の計算方法を説明す
るための説明図。
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a method of calculating three-dimensional coordinates according to the present invention.

【図3】従来技術による3次元位置計測装置を示す構成
図。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a conventional three-dimensional position measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,11,12 テレビカメラ 2 回転機構 3 角度検出器 4 画像座標検出器 5 駆動回路 6 座標演算器 7 表示器 8 撮像素子 9 切換器 10 対象物 20 世界座標系 21 視覚座標系 22 取付治具 1, 11, 12 TV camera 2 Rotating mechanism 3 Angle detector 4 Image coordinate detector 5 Drive circuit 6 Coordinate calculator 7 Display 8 Image sensor 9 Switcher 10 Object 20 World coordinate system 21 Visual coordinate system 22 Mounting jig

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−314243(JP,A) 特開 平4−62676(JP,A) 実開 昭63−92211(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 102 G06T 1/00 G06T 7/00 G06T 7/60 Continuation of front page (56) References JP-A-5-314243 (JP, A) JP-A-4-62676 (JP, A) JP-A-63-92211 (JP, U) (58) Fields investigated .Cl. 7 , DB name) G01B 11/00-11/30 102 G06T 1/00 G06T 7/00 G06T 7/60

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 回転機構と、回転機構により回転させら
れるとともに所定の回転角度に達する毎に対象物を含む
画像を撮像する1台のテレビカメラと、回転機構による
テレビカメラの回転角度を検出する角度検出器と、撮像
のたびに前記テレビカメラから出力される各出力画像を
処理して画像上での対象物の位置を検出する画像座標検
出器と、各撮像ごとに得た画像上での対象物の位置と各
撮像をしたときのテレビカメラの各回転角度とから対象
物の3次元座標を計算する座標演算器と、を有すること
を特徴とする3次元位置計測装置。
1. A rotation mechanism, one television camera which is rotated by the rotation mechanism and captures an image including an object each time a predetermined rotation angle is reached, and a rotation angle of the television camera by the rotation mechanism is detected. An angle detector, an image coordinate detector that processes each output image output from the television camera each time an image is captured, and detects a position of an object on the image, and an image detector that obtains each image. A three-dimensional position measuring device, comprising: a coordinate calculator for calculating three-dimensional coordinates of an object from the position of the object and each rotation angle of the television camera when each image is taken.
JP4127213A 1992-05-20 1992-05-20 3D position measuring device Expired - Lifetime JP3068325B2 (en)

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