JP3300682B2 - 画像処理機能を持つロボット装置 - Google Patents

画像処理機能を持つロボット装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、位置姿勢が未知な
対象物の位置姿勢を検出する画像処理機能を持つロボッ
ト装置に関する。特に、乱雑に山積みされた同一形状の
ワークピースに対し、個々のワークピースの位置姿勢を
検出しワークピースを１つ１つ取り出す作業のビンピッ
キング作業分野に適用される画像処理機能を持つロボッ
ト装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】同一形状のワークピースが乱雑に山積み
された中から、又は、所定領域内に３次元的に異なる任
意の位置姿勢で収納されているワークピースの集合から
個々のワークピースを取出す作業は人手によって行われ
ている。ロボットを使用してワークピースを他パレット
等の他のものに収納したり、機械や装置等の所定位置に
搬送するような場合においても、乱雑に山積みされたワ
ークピースから１つ１つをロボットが直接ワークピース
を取り出すことができないことから、予めロボットで取
り出せるようにワークピースを整列させておく必要があ
る。そのため、山積みされたワークピースから人手によ
って１つ１つ取り出し整列配置する必要があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】同一形状のワークピー
スが山積みの中から、又は多数のワークピースが所定領
域内に任意の位置姿勢で収納されている中から個々のワ
ークピースをロボットで取り出すことができない理由
は、山積みされたワークピースの位置姿勢を把握できな
いことから、ロボットを個々のワークピースを把持でき
る位置姿勢に制御することができないことに起因する。
【０００４】そこで、本発明の課題は、山積みされ若し
くは所定領域内に３次元的に異なる任意の位置姿勢で収
納されている対象物（ワークピース）に対して、その位
置姿勢を正確に検出することができ、又作業方向、作業
位置を求めることができる画像処理機能を持つロボット
装置を得ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本願請求項１に係わる発
明は、基準対象物の画像データから教示モデルを作り、
前記基準対象物と同一形状の対象物を含む画像データを
第1のデータ取込みに手段により取込んで、前記教示モ
デルと前記対象物を含む画像データとのマッチングを行
い、該マッチングの結果に基づきロボットが前記対象物
に対する作業を行う画像処理機能を持つロボット装置に
おいて、データ取込み手段により前記基準対象物を複数
の方向から捕らえて得たそれぞれの画像データから、捕
らえた方向毎に教示モデルを作り、該教示モデルと前記
方向の情報とを対応付けて記憶する手段と、前記ロボッ
トと前記対象物との相対方向の情報を教示モデルと対応
付けて記憶する手段と、前記対象物を含む画像データに
対し、前記複数の教示モデルによってマッチングを行っ
て、適合する教示モデルを選択する手段と、前記画像デ
ータにおける前記対象物の位置情報又は姿勢情報を得る
手段と、前記位置情報又は前記姿勢情報と、前記教示モ
デルと対応付けて記憶された前記基準対象物を捕らえた
方向、及び前記教示モデルと対応付けて記憶された、前
記ロボットと前記対象物との相対方向の情報に基づい
て、ロボットの作業方向、又は作業方向及び作業位置を
求める手段とを備え、ロボット作業方向位置を求めるこ
とができるようにしたものである。
【０００６】請求項２に係わる発明は、同様な画像処理
機能を持つロボット装置において、複数種類の対象物と
それぞれの種類に対応した複数の基準対象物に対して、
該各基準対象物それぞれに教示モデルを作成し、作成し
た教示モデルと前記複数種類の対象物の種類情報とを対
応付けて記憶する手段と、前記ロボットと前記対象物と
の相対方向の情報と前記種類情報とを対応付けて記憶す
る手段と、前記複数種類の内の少なくとも１種類の対象
物を含む画像データに対し、前記複数の教示モデルによ
ってマッチングを行い、適合する教示モデルを選択する
手段と、前記対象物を含む画像データにおける前記対象
物の位置情報又は姿勢情報を求める手段と、前記マッチ
ングに使用した教示モデルと対応付けて記憶された種類
情報を求める手段と、前記種類情報に対応付けて記憶さ
れた前記相対方向の情報を求める手段と、前記位置情報
又は前記姿勢情報、前記求めた種類情報、及び前記求め
た相対方向の情報に基づいてロボットの作業方向、又は
作業方向及び作業位置を求める手段とを備え、種類の異
なる対象物を判別し作業を行うことができるようにした
ものである。
【０００７】請求項３に係わる発明は、こうして、求め
られたロボットの作業方向、又は作業方向及び作業位置
に基づいて、第２のデータ取込み手段を前記対象物に対
して前記作業方向に向ける、又は前記対象物に対する前
記作業位置にて前記作業方向に向ける手段と、第２のデ
ータ取込み手段により第２の画像データを取り込み画像
処理し、画像視野内における前記対象物の位置情報又は
姿勢情報を得る手段とを備え、より正確に対象物の位置
姿勢情報を得て、作業方向、位置を得るようにしたもの
である。
【０００８】請求項４に係わる発明は、求められたロボ
ットの作業方向、又は作業方向と作業位置に基づいて、
前記対象物の特徴部位の３次元位置を取得する第２のデ
ータ取込み手段を前記対象物上の少なくとも１つの特徴
部位に向ける手段と、前記第２のデータ取込み手段によ
り前記少なくとも1つの特徴部位の３次元位置を取得
し、該取得した３次元位置から、前記対象物の３次元位
置又は方向を求める手段とを備え屡ものである。
【０００９】請求項５に係わる発明は、第２のデータ取
込み手段を第1のデータ取込み手段と共通としたもので
ある。さらに、請求項６に係わる発明は、第２のデータ
取込み手段を、対象物との距離を測定できるスポット光
走査型３次元視覚センサとし、請求項7に係わる発明
は、第２のデータ取込み手段がカメラであり、特徴部位
の３次元位置を検出するためのストラクチャライトを対
象物に照射する手段を備え屡ものとした。
【００１０】又、請求項8に係わる発明は、この画像処
理機能を備えるロボット装置によって、重なり合った箇
所のある複数の対象物から、対象物を少なくとも１つ取
出すピッキング作業を行うピッキングロボットを構成し
たものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を以下説明す
る。本実施形態では、図１に示すように、認識対象物で
ある同一形状のワークピースＷが多数山積みされている
状態で、この山をロボット手首先端に取り付けられたＣ
ＣＤカメラ等の画像データを取込むデータ取込み手段で
ある２次元視覚センサ２１にて撮像し、撮像された画像
に基づいて、ロボットの作業方向、若しくは作業方向及
び作業位置を求めるようにしたものである。さらには、
この２次元視覚センサ２１にて撮像した画像データに基
づいて個々のワークピースＷの大まかな位置姿勢を検出
し、作業方向を決めて２次元視覚センサ若しくは３次元
視覚センサ２２でワークピースの位置姿勢を正確に検出
するものである。そのために、予め取り出そうとするワ
ークピースＷに対して、カメラで複数の方向から撮像
し、この撮像で得られた２次元画像から教示モデルを生
成して記憶しておき、ワークピースＷの山を撮像しその
画像に対して教示モデルとマッチング処理を行い、適合
した教示モデルに基づいて各ワークピースの位置姿勢を
求めるようにしたものである。
【００１２】図３は、本実施形態におけるロボットＲＢ
の制御装置の要部ブロック図であり、従来のロボット制
御装置と同一構成である。符号８で示されるバスに、メ
インプロセッサ（以下単にプロセッサという。）１、Ｒ
ＡＭ、ＲＯＭ、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭなど）か
らなるメモリ２、教示操作盤用インターフェイス３，外
部装置用のインターフェイス６、画像処理装置との通信
インターフェイス７及びサーボ制御部５が接続されてい
る。又、教示操作盤用インターフェイス３には教示操作
盤４が接続されている。
【００１３】ロボット及びロボット制御装置の基本機能
をささえるシステムプログラムは、メモリ２のＲＯＭに
格納されている。又、アプリケーションに応じて教示さ
れるロボットの動作プログラム並びに関連設定データ
は、メモリ２の不揮発性メモリに格納される。そして、
メモリ２のＲＡＭは、プロセッサ１が行う各種演算処理
におけるデータの一時記憶の記憶領域として使用され
る。
【００１４】サーボ制御部５は、サーボ制御器５a1〜５
an（ｎ：ロボットの総軸数にロボット手首に取り付ける
ツールの可動軸数を加算した数）を備えており、プロセ
ッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、各軸を駆動するサ
ーボモータの位置・速度のループ制御、さらには電流ル
ープ制御を行っている。いわゆる、ソフトウエアで位
置、速度、電流のループ制御を行うデジタルサーボ制御
器を構成している。サーボ制御器５a1〜５anの出力は各
サーボアンプ５b1〜５bnを介して各軸サーボモータＭ１
〜Ｍｎを駆動制御する。なお、図示はしていないが、各
サーボモータＭ１〜Ｍｎには位置・速度検出器が取り付
けられており、該位置・速度検出器で検出した各サーボ
モータの位置、速度は各サーボ制御器５a1〜５anにフィ
ードバックされるようになっている。又、入出力インタ
ーフェイス６には、ロボットに設けられたセンサや周辺
機器のアクチュエータやセンサが接続されている。
【００１５】図４は、ロボット制御装置のインターフェ
イスに接続される画像処理装置３０のブロック図であ
る。プロセッサ３１を備え、該プロセッサ３１にはバス
４２を介してこのプロセッサ３１が実行するシステムプ
ログラム等を記憶するＲＯＭ３２、画像処理プロセッサ
３３、第１のデータ取り込み手段としての第１の視覚セ
ンサのＣＣＤカメラ２１に接続されたカメラインターフ
ェイス３４、第２のデータ取り込み手段としての第２の
視覚センサである３次元視覚センサ２２に接続された３
次元センサインターフェイス３５、各種指令やデータを
入出力するためのＣＲＴや液晶等の表示手段付ＭＤＩ３
６、フレームメモリ３７、不揮発性メモリ３８，データ
の一時記憶等に利用されるＲＡＭ３９、ロボット制御装
置に接続された通信インターフェイス４０、コンソール
４３が接続されるコンソールインターフェイス４１が接
続されている。ＣＣＤカメラ２１で撮像された画像は、
グレイスケールによる濃淡画像に変換されてフレームメ
モリ３７に格納される。画像処理プロセッサ３３は、フ
レームメモリ３７に格納された画像をプロセッサ３１の
指令により画像処理して対象物を認識する。この画像処
理装置３０の構成、作用は従来の画像処理装置と同一で
あり差異はないが、本発明に関連し、不揮発性メモリ３
８に後述する教示モデルが記憶されること、及びこの教
示モデルを用いてカメラ２１で撮像したワークピースの
山の画像に対してパターンマッチング処理を行い、ワー
クピースの位置姿勢を求め、ロボットの作業方向、さら
には作業方向と位置を求めるようにした点。さらに、こ
の求められたワークピースの位置姿勢に基づいて３次元
視覚センサ２２で位置姿勢を測定するアプローチ方向を
定め、該３次元視覚センサ２２でワークピースの位置姿
勢を精度よく検出する点が相違する。
【００１６】２次元画像を得るＣＣＤカメラ２１はすで
に周知慣用であるので、具体的な説明は省略する。ま
た、３次元位置を検出する３次元視覚センサ２２として
は、ストラクチャライト（スリット光）を対象物に照射
して対象物の３次元位置姿勢、形状を検出するものが公
知であり、すでに各種分野で使用されており、本願発明
においても３次元視覚センサ２２として、このタイプの
センサを使用してもよい。さらに、特開平７−２７０１
３７号公報に記載されたスポット光走査型３次元視覚セ
ンサを用いてもよい。簡単にこの３次元視覚センサにつ
いて述べる。
【００１７】この視覚センサは、２台のスキャナによっ
て任意の方向（Ｘ方向、Ｙ方向）にスポット状の光を照
射して対象物上に照射された光ビームを、位置検出型の
検出器（ＰＳＤ）で測定することによって光ビームの位
置を計測するものである。２台のスキャナのミラーの偏
向角度θx、θyとＰＳＤ上の受光位置からビームが照射
された対象物の３次元位置から計算して求められるもの
である。
【００１８】この３次元視覚センサを用いて、画像デー
タとして、距離データを要素とする２次元配列データを
得る方法について、図８から図１０を参照しながら簡単
に説明する。
【００１９】対象物に対する走査範囲（計測範囲）が予
め決められており、スキャナのミラーの偏向角度θx、
θyをディスクリートに制御して、図８に示すように、
この走査範囲のＸ、Ｙ平面における点（１，１）から点
（１，ｎ）、点（２，１）から点（２，ｎ）、・・・点
（ｍ，１）から点（ｍ，ｎ）と走査して各点における３
次元位置を測定し、各点（ｉ、ｊ）におけるこのセンサ
とビームが照射された点の対象物間の距離Ｚ（ｉ、ｊ）
を求め、画像処理装置３０のＲＡＭ３８に格納する。こ
うして、画像データを、図９に示すようなセンサと対象
物に照射されたビームの点間の距離データＺ（ｉ、ｊ）
を要素とする２次元配列データとして得る。
【００２０】図１０は、この画像データを得るための画
像処理装置３０のプロセッサ３１が実行する処理のフロ
ーチャートである。まず、指標ｉ、ｊを「１」にセット
し（ステップ３００）、予め決められた計測範囲の始点
ｙ１，ｘ１（図８における点（１，１））に対応するミ
ラーの偏向角度θx、θyをセンサ２０に送出し照射指令
を出力する（ステップ３０１〜３０３）、センサ２０
は、ミラーをこの偏向角度に設定し、光ビームを照射す
る。そしてＰＳＤで得られた信号を画像処理装置３０に
出力する。画像処理装置３０のプロセッサ３１は、この
ＰＳＤからの信号と指令したミラーの偏向角度θx、θy
より、対象物に照射されたビームの位置を計算し、この
センサとこのビームが照射された位置との距離Ｚ（ｉ、
ｊ）を計算し、この値をＲＡＭ２８に２次元配列データ
［ｉ、ｊ］として格納する（ステップ３０４，３０
５）。なお、対象物に照射されたビームの位置を計算し
及び距離Ｚ（ｉ、ｊ）の計算をセンサ２０側で行うよう
にしてもよい。
【００２１】次に指標ｉを「１」インクリメントし、Ｘ
軸方向走査のミラーの偏差角度θｘを設定所定量Δｘだ
け増加させ（ステップ３０６，３０７）、指標ｉが設定
値ｎを越えたか判断し（ステップ３０８）、越えてなけ
ればステップ３０３に戻り、該ステップ３０３からステ
ップ３０８の処理を行い次の点の距離Ｚ（ｉ、ｊ）を求
める。以下、指標ｉが設定値ｎを越えるまでステップ３
０３〜ステップ３０８の処理を実行し、図８における点
（１，１）から点（１，ｎ）までの各点における距離Ｚ
（ｉ、ｊ）を求めて記憶する。
【００２２】ステップ３０８で指標ｉが設定値ｎを越え
たことが判別されると、指標ｉを「１」にセットしかつ
指標ｊを「１」インクリメントして、Ｙ軸方向走査のミ
ラーの偏差角度θｙを設定所定量Δｙだけ増加させる
（ステップ３０９〜３１１）。そして、指標ｊが設定値
ｍを越えたか判断し（ステップ３１２）、越えてなけれ
ばステップ３０２に戻り前述したステップ３０２以下の
処理を実行する。
【００２３】このようにして、指標ｊが設定値ｍを越え
るまでステップ３０２〜３１２の処理を繰り返し実行す
る。指標ｊが設定値ｍを越えると、図８に示す計測範囲
（走範囲）を全て計測したことになり、ＲＡＭ２８に
は、２次元配列データである距離データＺ（１、１）〜
Ｚ（ｍ、ｎ）が記憶され、画像データ取得処理は終了す
る。
【００２４】以上が、距離データを測定できる視覚セン
サによる画像データとしての２次元配列データを得る処
理である。こうして得られた２次元配列データを画像デ
ータとして用い、教示モデルの作成及び対象物の位置、
姿勢（方向）を検出する。
【００２５】次に、教示モデルを教示する動作処理につ
いて説明する。図５は、本発明を構成するロボット制御
装置１０、画像処理装置３０による教示モデルの教示の
動作処理を示すフローである。ロボット制御装置１０の
教示操作盤４から予め、教示モデルのために所定位置に
所定姿勢で配置された基準となる１つのワークピースＷ
に対して、ロボット手首先端に取り付けられた第１のデ
ータ取込み手段としてのＣＣＤカメラ２１で撮像する最
初（第０番目）の位置、方向（姿勢）と、次以降に撮像
する位置、方向（姿勢）を特定するため該最初の位置姿
勢からカメラを回転させる回転軸と回転角を設定し、か
つ、その撮像位置、方向（姿勢）の数Ｎをも設定する。
例えば、図２に示すようにワークピースＷに対して４方
向から撮像しこの４つの２次元画像を教示モデルとす
る。図２（ａ）に示す第０番目の撮像位置、方向（姿
勢）では、ワークピースＷを真上のワールド座標系Ｚ軸
方向から撮像した２次元画像の教示モデルである。次の
撮像位置、方向（姿勢）は、このカメラ位置において、
ワークピースの配置位置を通りＣＣＤカメラ２０の光軸
方向に対して垂直方向の軸周りに回転させる回転角を設
定する。最初（第０番目）の位置、方向（姿勢）でワー
ルド座標系のＺ軸とＣＣＤカメラ２１の光軸を平行とし
た場合には、ワールド座標系のＸ軸、Ｙ軸は垂直である
から、このうちどちらかの軸周りにワークピース位置
（ワークピースに対して設定されているワーク座標系の
原点）を中心に回転させる。図２（ｂ）に示す例では、
ワールド座標系Ｘ軸まわりに３０度回転するものとして
設定し、そのとき撮像して得られる２次元画像から教示
モデルを生成するものである。同様に、図２（ｃ）、
（ｄ）は、ワークピースの配置位置を通りワールド座標
系のＸ軸と平行な軸周りにカメラ２１をそれぞれ６０
度、９０度回転させたときの２次元画像から教示モデル
を生成するものである。上述したように、カメラ２１の
位置が変わらず、その方向（姿勢）のみを変えて教示モ
デルを生成するものである場合は、教示モデルに対して
記憶する情報はカメラの方向（姿勢）のみでよい。
【００２６】以下、この４つの教示モデルを得るものを
例に取り説明する。なお、この例では、０度、３０度、
６０度、９０度の４つの教示モデルとしたが、この回転
角の刻みを小さくし、さらに多くの教示モデルを得るよ
うにしておけば、さらに精度のよいワークピースの位置
姿勢を検出することができる。
【００２７】上述したように、ロボット手首先端に取り
付けたＣＣＤカメラ２１で最初（第０番目）に撮像する
ロボットの位置姿勢と回転中心軸となる軸及び回転角を
教示し、かつその数Ｎを設定する。説明をわかりやすく
するために、所定位置に所定姿勢で配置されたワークピ
ースＷに対し、ＣＣＤカメラ２１の光軸がワールド座標
系のＺ軸と平行で、ワークピースＷのワールド座標系上
のＸ、Ｙ軸座標値と同一でＺ軸のみが異なる位置を第０
番目の教示モデル撮像位置として教示し、さらに、ワー
クピースＷの配置位置を通り、ワールド座標系Ｘ軸と平
行な軸周りに３０度、６０度、９０度回転させた位置を
第１，第２、第３の撮像位置として設定する。又撮像位
置の数Ｎを「４」と設定する。
【００２８】そして、教示モデル取得指令を教示操作盤
４から入力すると、ロボット制御装置１０のプロセッサ
１は、撮像回数を係数するカウンタＭを「０」にセット
し（ステップ１００）、ロボットを稼働し第Ｍ（＝０）
番目の位置姿勢に移動させ、画像処理装置３０へカメラ
での撮像指令を出力する（ステップ１０１）。画像処理
装置３０では、この指令を受けてＣＣＤカメラ２１でワ
ークピースを撮像し、その２次元画像をフレームメモリ
３６に格納するが、さらに、この２次元画像からＭ番目
の教示モデルを生成して不揮発性メモリ３７に格納する
（ステップ１０２）。さらに、ＣＣＤカメラ２０とワー
クピースとの相対位置、方向（姿勢）を求めＭ番目の教
示モデルの相対位置、方向（姿勢）（なお、この相対位
置姿勢を以下第１センサ相対位置姿勢という）として、
不揮発性メモリ３７に記憶する（ステップ１０３）。す
なわち、撮像を行ったときのワールド座標系上のＣＣＤ
カメラ２１の位置姿勢とワークピースＷが配置されたワ
ールド座標系の位置姿勢より、ＣＣＤカメラ２１に設け
られたカメラ座標系でのワークピースの位置姿勢に変換
し、これをカメラとワークピースとの相対位置姿勢（第
１センサ相対位置姿勢）として記憶する。例えば、カメ
ラ座標系の位置姿勢として［ｘ0，ｙ0，ｚ0，α0，β
0，γ0］c として記憶される。なおα、β、γはそれぞ
れｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転角を意味する。又、かっこの
末尾に付した「c」はカメラ座標系を意味する。又上述
したように、カメラの位置が変わらなければ、第１セン
サ相対位置姿勢として、位置は固定のものとし、方向
（姿勢）［α0，β0，γ0］c のみを教示モデルに対応
させて記憶する。
【００２９】次に、次の作業のためにワークピースから
見たロボットのとるべき相対位置姿勢（ツールセンタポ
イントの位置姿勢）、若しくは、第２の視覚センサであ
る３次元視覚センサ２２のとるべき相対位置姿勢を第Ｍ
番目の教示モデルの相対位置姿勢（以下この相対位置姿
勢をワーク−ロボット（第２センサ）相対位置姿勢とい
う）として記憶する。そして、データ取得信号をロボッ
ト制御装置に送る（ステップ１０４）。このワーク−ロ
ボット（第２センサ）相対位置姿勢は、ロボットが次に
作業するための作業方向を決めるもので、対象物をより
明確に捕らえることができる方向、位置、又は、対象物
の特徴部位の３次元位置をこの３次元視覚センサ２２で
取得できる方向、位置とするものである。
【００３０】このワーク−ロボット（第２センサ）相対
位置姿勢は、ワークピース上にワーク座標系を設定し、
このワーク座標系上でのツールセンタポイント又は３次
元視覚センサ２２の位置姿勢であり、この位置姿勢を設
定するものである。なお、以降の説明では、３次元視覚
センサ２２の位置姿勢が記憶されているものとして、説
明する。この３次元視覚センサ２２でワークピースＷの
位置姿勢を計測する際に、３次元視覚センサ２２がワー
クピースに対する位置姿勢を規定するものであり、計測
時のアプローチベクトルを示すものとなる。このワーク
−ロボット（第２センサ）相対位置姿勢は、教示モデル
によらず、全て同一の位置姿勢であってもよい。又、方
向（姿勢）のみであってもよい。さらには、ステップ１
０３で求めた情報を反映させるように、例えば、予め用
意した数パターンの中から決定するようにしてもよい。
このワーク−ロボット（第２センサ）相対位置姿勢も３
個の平行移動成分（Ｘ、Ｙ、Ｚ）wpと３個の回転成分
（α、β、γ）wpで構成される（「wp」はワーク座標系
を意味する）。なお、後述するように、この実施形態で
は、全ての教示モデルに対して共通のワーク−ロボット
（第２センサ）相対位置姿勢を設定するようにしてい
る。なお、ステップ１０３，１０４で記憶する情報は１
まとめにしてＣＣＤカメラ２１の位置から見た第２の視
覚センサ２２の相対位置姿勢情報としてもよい。
【００３１】次に、データ取得信号を受信するとロボッ
ト制御装置１０のプロセッサ１は、カウンタＭを「１」
インクリメントし（ステップ１０５）、該カウンタＭの
値が設定値Ｎ（＝４）より小さいか判断し（ステップ１
０６）、小さければ、ステップ１０１に戻り第Ｍ番目の
撮像位置、方向（姿勢）にロボットを移動させる。以
下、ステップ１０１以下の処理をカウンタＭの値が設定
値Ｎになるまで繰り返し実行する。
【００３２】こうして、各教示モデルが不揮発性メモリ
３８に記憶されると共に、それぞれの第１の視覚センサ
のＣＣＤカメラ２１とワークピースＷとの相対位置姿勢
である第１センサ相対位置姿勢が不揮発性メモリ３８に
記憶されると共に、第２視覚センサ２２（若しくはロボ
ット）のとるべき位置姿勢としてワーク−ロボット（第
２センサ）相対位置姿勢が不揮発性メモリに３８に記憶
されることになる。
【００３３】図７は、詳述した教示モデルが４つの場合
の例で、第１センサ相対位置姿勢、ワーク−ロボット
（第２センサ）相対位置姿勢の例を示す図表である。第
１センサ相対位置姿勢は、ＣＣＤカメラ２１に設定され
たカメラ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ、α、β、γ）c でのワー
クピースＷの位置姿勢として表されており、ワークピー
スＷの位置、すなわち教示モデル０〜３の位置は、全て
共通でＸ＝１０．５０、Ｙ＝−２０．８０、Ｚ＝５０．
５０の位置に配置され、Ｘ軸周りに教示モデル０はα＝
０度、教示モデル１はα＝３０度、教示モデル２はα＝
６０度、教示モデル３はα＝９０度回転したものであ
る。なお、ＣＣＤカメラ２１をワーク座標系の原点を中
心にワールド座標系のＸ軸周りに回転させたものである
が、このワールド座標系のＸ軸とカメラ座標系のＸ軸を
平行に設定していることから、カメラ座標系の回転角α
のみ変化している。
【００３４】又、ワーク−ロボット（第２センサ）相対
位置姿勢は、ワークピースに設定されたワーク座標系
（Ｘ、Ｙ、Ｚ、α、β、γ）wpでの第２の視覚センサ２
２の位置姿勢として表され、ワークピースＷから見て常
に一定の方向位置としたアプローチベクトル（３０．
５、２０．５、６０．９、０．０、０．０、０．０）wp
が設定されている。
【００３５】以上のようにして、画像処理装置３０の不
揮発性メモリ３７には教示モデルとカメラ２１とワーク
ピースＷとの相対位置が記憶される。なお、上述した実
施形態では、ロボットを使用して教示モデルを教示記憶
させたが、ロボットを使用せず、例えば手動操作で教示
記憶させるようにしてもよい。この場合は、対象物３次
元位置姿勢検出装置３０に接続されているカメラの視野
内に基準となるワークピースを配置し、このワークピー
スの姿勢を変え、カメラで撮像しその２次画像を教示モ
デルとし、そのときのカメラとワークピースの相対位置
姿勢を手動で入力して教示モデルに対応させて記憶させ
るようにすればよい。
【００３６】次に、このように教示モデルが設定記憶さ
れている画像処理装置３０を用いて、３次元で位置姿勢
の異なる対象物のワークピースの３次元位置姿勢を検出
する方法の例として、教示モデルの基準のワークピース
と同一形状のワークピースが山積みされた山からロボッ
トによって個々のワークピースを取り出すピッキング作
業について説明する。
【００３７】図６は、この教示モデルを用いて実行する
ピッキング作業の動作処理フローである。ロボット制御
装置１０に教示操作盤等からピッキング指令が入力され
ると、プロセッサ１は、まず、教示されているロボット
先端手首に取り付けられている第１の視覚センサのＣＣ
Ｄカメラ２１を山積みされたワークピースが該ＣＣＤカ
メラ２１の視野に入る撮像位置へロボットを移動させ、
該ＣＣＤカメラ２１のワールド座標系上の３次元位置姿
勢を画像処理装置３０へ出力すると共に撮像指令を出力
する（ステップ２００、２０１）。画像処理装置３０の
プロセッサ３１は、撮像指令を受信し、ワークピースの
山を撮像し幾つかのワークピースの２次元画像を得てフ
レームメモリ３７に記憶する（ステップ２０２）。
【００３８】続いて、フレームメモリ３７に記憶した２
次元画像に対して不揮発性メモリ３８に設定記憶されて
いる教示モデルの１つ（第０番目の教示モデル）を使用
してパターンマッチング処理を行いワークピースの検出
を行う（ステップ２０３）。このパターンマッチング処
理では、ワークピースの画像内の位置、回転及びスケー
ルの変化を検出するマッチング処理を行う。そして、マ
ッチング値が設定基準値以上のものが検出されたか判断
し（ステップ２０４）、基準値以上のものが検出されな
ければ、全教示モデル（第０〜第３番目の教示モデル）
に対してパターンマッチング処理を行ったか判断し（ス
テップ２０５）、行っていなければ、他の教示モデルに
よりパターンマッチングの処理を行う（ステップ２０
６）。
【００３９】こうして、ステップ２０４で、いずれかの
教示モデルに対してマッチング値が設定基準値以上のワ
ークピースの２次元画像が検出されると、この検出した
ワークピースの２次元画像に対して他の教示モデルで全
てマッチング処理を行う。すなわち、検出されたワーク
ピースの２次元画像に対して、設定記憶されている教示
モデルの全てとパターンマッチング処理を行う（ステッ
プ２０７）。このパターンマッチング処理によって得ら
れたマッチング値が一番高い教示モデルを選択し、この
選択教示モデルに対応して記憶する第１センサ相対位置
姿勢と、選択した教示モデルに対するマッチング処理で
の２次元画像内の位置、回転及びスケールの変化量とに
より最終的なＣＣＤカメラ２１とワークピースＷとの相
対位置姿勢である第１センサ相対位置姿勢データを得
る。又、選択した教示モデルに対するワーク−ロボット
（第２センサ）相対位置姿勢のデータ（アプローチベク
トル）、すなわち、ワークピースから見て第２視覚セン
サの３次元センサがとるべき位置姿勢を不揮発性メモリ
３７から読み取る（ステップ２０８）。
【００４０】なお、ここではマッチング値が一番高いも
のを選択したが、０度の教示モデルを優先的に選択した
り、スケールの拡大率の高いもの（即ち、カメラに近い
ものであり、山積みの最上部にあるもの）を優先的に選
択することができる。
【００４１】そして、ステップ２０１の処理で送られて
きたＣＣＤカメラ２１のワールド座標系における位置姿
勢と最終的な第１センサ相対位置姿勢データ（ワークピ
ースとＣＣＤカメラ２１の相対位置姿勢データ）からワ
ークピースのワールド座標系上の位置姿勢を求める。す
なわち、ワークピースＷとＣＣＤカメラ２１の相対位置
姿勢は、カメラ座標系からみたワークピースＷの位置姿
勢であるから、この位置姿勢のデータと、ＣＣＤカメラ
２１のワールド座標系における位置姿勢のデータにより
座標変換の演算を行うことによりワールド座標系上の検
出ワークピースＷの位置姿勢が求められる（ステップ２
０９）。
【００４２】こうして求められた検出ワークピースのワ
ールド座標系上の位置姿勢と、ワーク−ロボット（第２
センサ）相対位置姿勢のデータ（アプローチベクトル）
の第２視覚センサのワーク座標系における位置姿勢のデ
ータ（アプローチベクトル）よりワールド座標系におけ
る第２視覚センサのとるべき位置姿勢を求め出力する
（ステップ２１０）。ロボット制御装置１０のプロセッ
サ１は、ロボットを動作させ、この求めた第２視覚セン
サがとるべき位置姿勢へ移動させる。その後、第２視覚
センサ２２への計測指令を出力する（ステップ２１
１）。
【００４３】この計測指令を受けて、第２視覚センサの
３次元センサ２２は、ワークピースの位置姿勢を計測す
る。この第２視覚センサ２２は対象ワークピースＷに対
してとるべき位置姿勢、すなわち設定されているアプロ
ーチベクトルの位置姿勢にあるから、対象ワークピース
Ｗの位置姿勢を正確に計測することができる。この計測
結果を画像処理装置３０のプロセッサ３１はロボット制
御装置１０に出力する（ステップ２１２）。
【００４４】ロボット制御装置１０は、ロボットを動作
させ従来と同様にこの検出ワークピースをピッキングし
て教示された所定の位置に移動される（ステップ２１
３）。そして、ステップ２０２に戻り、ステップ２０２
以下の処理を繰り返し実行する。全てのワークピースが
ワークピースの山からピッキングされなくなると、ステ
ップ２０３〜２０６の処理で、全ての教示モデルに対し
てパターンマッチング処理をしても設定基準値以上のマ
ッチング値を得ることができないから、このピッキング
作業は終了する。
【００４５】なお、山積みされたワークピース全体を第
１の視覚センサのＣＣＤカメラ２１の視野に入らないよ
うな場合や、カメラの向きを変更して他のワークピース
の影に入ったワークピースを撮像する必要がある場合に
は、ステップ２０５で「Ｙｅｓ」と判断された時、ステ
ップ２００に戻り、予め教示していた次の位置姿勢に移
動するようにしてもよい。そして、設定教示されている
第１視覚センサによる撮像位置姿勢の全てにおいて撮像
し、ステップ２０５で全教示モデルでのマッチングを行
ってもマッチング値が基準値に達しない場合にこのピッ
キング作業を終了する。
【００４６】上述した実施形態では、正確にワークピー
スの位置姿勢を正確に検出するために第２の視覚センサ
として、レーザセンサのような３次元センサ２２を用い
たが、この３次元センサの代わりに２次元センサを用い
てもよい。又、この第２の視覚センサを２次元センサと
した場合には、第１の視覚センサのとは別に第２の視覚
センサを設けてもよいが、第１の視覚センサがこの第２
の視覚センサを兼ねるようにしてもよい。
【００４７】すなわち、ワークピースの山の中から、第
１の視覚センサで個々のワークピースの位置姿勢を検出
し、この検出ワークピースに対して、第２の視覚センサ
で予め決められた位置姿勢（アプローチベクトル）で位
置姿勢の計測を行うことから、第２の視覚センサで計測
する場合には、対象物のワークピースに対して間近な位
置で計測してその計測精度を向上させるものであるか
ら、第１の視覚センサが第２の視覚センサを兼ねたとし
ても、この視覚センサの例えばＣＣＤカメラで対象物の
ワークピースの間近で撮像し、マッチング処理を行えば
ワークピースの位置姿勢は正確に検出できることにな
る。
【００４８】又、第１の視覚センサであるＣＣＤカメラ
に広角レンズを取り付けて撮像する場合において、例え
ば、０度の向きのワークピースが画像視野の角にある場
合には、視差の影響で３０度傾いていると判断する恐れ
がある。この場合には、画像内のワークピースの位置に
応じてロボット手先に取り付けたカメラを平行移動し
て、該ワークピースの真上に位置させ視差の影響をなく
し、その位置を図６のステップ２００の位置とすること
により誤判断を防ぐこともできる。
【００４９】さらに、上述した実施形態では第１の視覚
センサを、ロボット手首先端に取り付けるとしたが、こ
れを上方に固定した固定カメラとすることもできる。こ
うすると、カメラ距離を長く取ることができ、視差の影
響を防ぐことができる。又、第１の視覚センサで撮像す
るために、ロボットを動かす必要のないので、サイクル
タイムを短縮できる。
【００５０】又、上述した実施形態では、１種類の対象
物を扱う例を示したが、これを複数種類の対象を扱える
ようにすることもできる。この場合、種類Ａの対象物の
教示モデルをＭａ個、種類Ｂの対象物の教示モデルをＭ
ｂ個用意し、（Ｍａ＋Ｍｂ）個の教示モデルとのマッチ
ングを行って適合する教示モデルを選択し、ロボットの
作業方向、又は作業方向及び作業位置に加えて、種類情
報も求めるようにすればよい。こうすれば、複数種類の
対象物を予め分別することなく、混在して扱えるので、
省コスト効果がある。
【００５１】上述した実施形態では、第１のデータ取込
み手段で得られた画像データから、対象物の大まかの位
置姿勢を求め、この求めた対象物に対して、第２のデー
タ取り込み手段で再度対象物の位置姿勢を正確に検出し
ロボットの作業方向、位置を決定するようにしたが、第
２のデータ取込み手段を設けずに、第１のデータ取込み
手段のみでロボットの作業方向、位置を求めるようにし
てもよい。この場合、ワーク−ロボット（第２センサ）
相対位置姿勢として、ワークピースから見たロボットの
とるべき相対位置姿勢（ツールセンタポイントの位置姿
勢）が記憶されることになる。
【００５２】
【発明の効果】本発明においては、同一形状のワークピ
ースが乱雑に山積みされていても、又、所定領域内に同
一形状のワークピースが少なくとも１以上３次元的に異
なる任意の位置姿勢で収納されていても、さらには、種
類の異なる対象物が混在していても、対象となる各ワー
クピースの位置姿勢を検出し、この検出ワークピースに
対して、ロボットがこの対象物に対して作業を行う方
向、位置を求めることができる。さらには、第２のデー
タ取込み手段で予め決められた位置姿勢（アプローチベ
クトル）で位置姿勢の計測を行うことから正確に対象ワ
ークピースの位置姿勢を検出できる。そのため、ワーク
ピースの山や集合から個々のワークピースをロボットで
自動的にピッキングすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概要を説明する説明図で
ある。
【図２】同実施形態における教示モデルの例を示す図で
ある。
【図３】同実施形態におけるロボット制御装置の要部ブ
ロック図である。
【図４】同実施形態における画像処理装置の要部ブロッ
ク図である。
【図５】同実施形態における教示モデルを生成する動作
処理フローである。
【図６】同実施形態を用いたピッキング作業の動作処理
フローである。
【図７】同実施形態における教示モデルが４つの場合の
例で、第１の視覚センサから見たワークピースの相対位
置姿勢、ワークピースから見た第２の視覚センサの相対
位置姿勢の例を示す図表である。
【図８】本発明の一実施形態に用いる３次元視覚センサ
の動作説明図である。
【図９】同３次元視覚センサによって得る画像データと
しての距離データを要素とする２次元配列データの説明
図である。
【図１０】同画像データとしての２次元配列データの取
得処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１０ ロボット制御装置 ２０ カメラ ３０ 画像処理装置 Ｗ ワークピース
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−217722（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−270137（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−136959（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−318327（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−66321（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B25J 19/04 B25J 13/08 G05B 19/19 G06T 7/00 300

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対象物と同一形状の物体を基準対象物と
    して、該基準対象物の画像データから教示モデルを作
    り、前記対象物を含む画像データを第1のデータ取込み
    手段により取込んで、前記教示モデルと前記対象物を含
    む画像データとのマッチングを行い、該マッチングの結
    果に基づきロボットが前記対象物に対する作業を行う画
    像処理機能を持つロボット装置において、前記第１の データ取込み手段により前記基準対象物を複
    数の方向から捕らえて得たそれぞれの画像データから、
    捕らえた方向毎に教示モデルを作り、該教示モデルと前
    記方向の情報とを対応付けて記憶する手段と、 前記ロボットと前記対象物との相対方向の情報を教示モ
    デルと対応付けて記憶する手段と、 前記対象物を含む画像データに対し、前記複数の教示モ
    デルによってマッチングを行って、適合する教示モデル
    を選択する手段と、 前記画像データにおける前記対象物の位置情報又は姿勢
    情報を得る手段と、 前記位置情報又は前記姿勢情報と、前記教示モデルと対
    応付けて記憶された前記基準対象物を捕らえた方向、及
    び前記教示モデルと対応付けて記憶された、前記ロボッ
    トと前記対象物との相対方向の情報に基づいて、ロボッ
    トの作業方向、又は作業方向及び作業位置を求める手段
    とを備えたことを特徴とする画像処理機能を持つロボッ
    ト装置。
  2. 【請求項２】 対象物と同一形状の物体を基準対象物と
    して、該基準対象物の画像データから教示モデルを作
    り、前記基準対象物と同一形状の対象物を含む画像デー
    タを第１のデータ取込み手段により取込んで、前記教示
    モデルと前記対象物を含む画像データとのマッチングを
    行い、該マッチングの結果に基づきロボットが前記対象
    物に対する作業を行う画像処理機能を持つロボット装置
    において、 複数種類の対象物とそれぞれの種類に対応した複数の基
    準対象物に対して、該各基準対象物それぞれに教示モデ
    ルを作成し、作成した教示モデルと前記複数種類の対象
    物の種類情報とを対応付けて記憶する手段と、 前記ロボットと前記対象物との相対方向の情報と前記種
    類情報とを対応付けて記憶する手段と、 前記複数種類の内の少なくとも１種類の対象物を含む画
    像データに対し、前記複数の教示モデルによってマッチ
    ングを行い、適合する教示モデルを選択する手段と、 前記対象物を含む画像データにおける前記対象物の 位置
    情報又は姿勢情報を求める手段と、 前記マッチングに使用した教示モデルと対応付けて記憶
    された種類情報を求める手段と、 前記種類情報に対応付けて記憶された前記相対方向の情
    報を求める手段と、 前記位置情報又は前記姿勢情報、前記求めた種類情報、
    及び前記求めた相対方向の情報に基づいてロボットの作
    業方向、又は作業方向及び作業位置を求める手段とを備
    えたことを特徴とする画像処理機能を持つロボット装
    置。
  3. 【請求項３】 求められたロボットの作業方向、又は作
    業方向及び作業位置に基づいて、第２のデータ取込み手
    段を前記対象物に対して前記作業方向に向ける、又は前
    記対象物に対する前記作業位置にて前記作業方向に向け
    る手段と、 第２のデータ取込み手段により第２の画像データを取り
    込み画像処理し、画像視野内における前記対象物の位置
    情報又は姿勢情報を得る手段とを備えたことを特徴とす
    る請求項１又は請求項２に記載の画像処理機能を持つロ
    ボット装置。
  4. 【請求項４】 求められたロボットの作業方向、又は作
    業方向と作業位置に基づいて、前記対象物の特徴部位の
    ３次元位置を取得する第２のデータ取込み手段を前記対
    象物上の少なくとも１つの特徴部位に向ける手段と、 前記第２のデータ取込み手段により前記少なくとも1つ
    の特徴部位の３次元位置を取得し、該取得した３次元位
    置から、前記対象物の3次元位置又は方向を求める手段
    とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記
    載の画像処理機能を持つロボット装置。
  5. 【請求項５】 第２のデータ取込み手段が第1のデータ
    取込み手段と共通であることを特徴とする請求項３又は
    請求項４に記載された画像処理機能を持つロボット装
    置。
  6. 【請求項６】 第２のデータ取込み手段は、対象物との
    距離を測定できるスポット光走査型３次元視覚センサで
    ある請求項３，請求項４又は請求項５記載の画像処理機
    能を持つロボット装置。
  7. 【請求項７】 データ取込み手段がカメラであり、特徴
    部位の3次元位置を検出するためのストラクチャライト
    を対象物に照射する手段を更に備えたことを特徴とする
    請求項３，請求項４又は請求項５記載の画像処理機能を
    持つロボット装置。
  8. 【請求項８】 重なり合った箇所のある複数の対象物か
    ら、対象物を少なくとも１つ取出すピッキング作業を行
    う請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７に記載さ
    れた画像処理機能を持つロボット装置。
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