JP3579396B2 - センシング手段の第２の座標系内にある割り出し手段の第１の座標系を校正する方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、センシング手段が実質的に堅牢に割り出し手段に取付けられるときにセンシング手段の第２の座標系内にある割り出し手段の第１の座標系を校正する方法および装置であって、限定するわけではないが、とくにロボットによる穿孔作業で使用するのに適した方法および装置に関する。
【０００２】
従来の技術
外部センサシステムによる制御のもとで部品をオートメーション方式で移動するシステムにおいては、移動を実行する本体とセンサシステムとの間の関係は、正確なロボット動作を実行するために分かっていなければならない。ロボットで使用される一般的な外部センサシステムは、ロボットおよび処理される部品と接触しているか、または離れていることを要求する。コンタクトシステム（接触系）は集中的な、もしくは徹底的（インテンシブ）な整列を含み、環境的な変化に敏感である。６度の自由度（６ＤＯＦ）の非接触構成の大半のものがディジタルもしくはフィルム応用カメラを有し、それがロボットから隔てて置かれており、典型的なものでは校正のために６ＤＯＦシステムの代わりに、レーザートラッカーのような極線測定デバイスが使用されており、これには補助装置が導入され、したがってハードウエアおよび設定時間のコストが増してしまった。
【０００３】
したがってセンシング手段の第２の座標系内にある割り出し手段の第１の座標系を校正する全体的に向上した方法および装置であって、センシング手段は実質的に堅牢に割り出し手段に取付けられ、オンライン測定に使用されることになる部品を使用する方法および装置が必要とされる。
【０００４】
発明が解決しようとする課題
本発明の第１の態様にしたがって、センシング手段が実質的に堅牢に割り出し手段に取付けられるときにセンシング手段の第２の座標系内にある割り出し手段の第１の座標系を校正する方法であって：センシング手段に対する複数の第１の光源の第１の位置を測定し、第１の光源の各々がセンシング手段から離れていて、しかも能動的（アクティブ）な光源かまたは照明可能な反射点の何れかであるものとし、第１の位置が割り出し手段の第１の絶対的な位置に対応する段階と；割り出し手段を移動する段階と、センシング手段に関係する複数の第１の光源の第２の位置を測定し、第２の位置が割り出し手段の所望の第２の絶対的な位置に対応する段階と；第１の位置から第２の位置への測定および移動を繰り返して、各々が既知の独特の（ユニークな）変換である少なくとも２つの移動に対応する第１および第２の位置の少なくとも２組の測定値を与える段階と；変換手段によってセンシング手段に関係する複数の第１の光源の第１および第２の位置の少なくとも２つの組の測定値を組合せて、第２の座標系内の第１の座標系を校正する段階とを含む方法を提供する。
【０００５】
センシング手段に対する複数の第１の光源の第１または第２の位置、あるいはその両者の測定値は、複数の第１の光源から反射または投影された少なくとも２つの作像デバイスにおいて作像する段階と；少なくとも２つの作像デバイスの各々からプロセッサへ反射または投影された光の配分を示す信号を送る段階と；前記信号を組合せて、センシング手段に関係する複数の第１の光源の第１または第２、あるいはその両者の位置を定義する段階とを含むことが好ましい。
【０００６】
少なくとも２組の第１および第２の位置に対応する既知の移動が２並進であることが好都合である。
【０００７】
少なくとも２組の第１および第２の位置に対応する既知の移動が１並進と１回転であることが効果的である。
【０００８】
少なくとも２組の第１および第２の位置に対応する既知の移動が異なる軸の回りを２回転することであることが好ましく、さらに少なくとも１並進または別の回転、あるいはこの両者が加わるときと、加わらないときがある。
【０００９】
少なくとも２組の第１および第２の位置の測定値の組合せが：少なくとも２組の第１および第２の位置測定に各々について、第１および第２の測定された位置の各々と、対応する既知の移動変換および未知の変換のマトリックス乗算とを組合せることであって、ただしここでの未知の変換は第２の座標系内の第１の座標系を記述していて、少なくとも２つの表現形式を含む組を与えることと；少なくとも２つの式を含む組の各々の和をとることと；そこから生じる誤差を標準の最適化方法によって最適化して、未知の変換では第２の座標系内の第１の座標系を校正する未知の変換を判断して決めることとを含むことが好都合である。
【００１０】
本発明の別の態様にしたがって、センシング手段が実質的に堅牢に割り出し手段に取付けられたときにセンシング手段の第２の座標系内にある割り出し手段の第１の座標系を校正する装置であって：センシング手段と；実質的に堅牢にセンシング手段に取付けられたときにセンシング手段を移動する割り出し手段と；能動的（アクティブ）な光源または照明可能な反射点を含み、空間内の固定位置に置かれる複数の第１の光源と；割り出し手段と動作上関係付けられたプロセッサと；このプロセッサと動作上関係付けられた変換手段と；センシング手段に対する複数の第１の光源の各々の第１および第２の位置を示す信号をセンシング手段からプロセッサへ送る送信手段であって、センシング手段に関係する複数の第１の光源の各々の第１および第２の位置がそれぞれ割り出し手段の絶対的な第１の位置および所望の絶対的な第２の位置に対応していて、割り出し手段が絶対的な第１の位置から該所望の絶対的な第２の位置へ移動するとき、プロセッサへ送られたセンシング手段に対する複数の第１の光源の各々の第１および第２の位置が変換手段によって組合されて、第２の座標系内にある第１の座標系を校正するようにした送信手段とを含む装置を提供する。
【００１１】
割り出し手段がロボットおよびエンドエフェクタであることが好ましい。
【００１２】
センシング手段が少なくとも２つの作像デバイスを含み、各作像デバイスがエンドエフェクタに取付け可能であり、複数の第１の光源の各々を作像するように構成可能であることが好都合である。
【００１３】
エンドエフェクタの周りで実質的に等間隔をとって置かれた少なくとも２つの作像デバイスの各々は、ディジタル化可能なイメージ（像）を生成するように動作可能な測定用センサであることが効果的である。
【００１４】
少なくとも２つの第２の光源の各々はそれぞれ作像デバイスと関係付けられていて、複数の第１の光源は複数の反射性ターゲットであることが好ましい。
【００１５】
第１の部品として、複数の光源を保持していて、しかも長方形プレートと、長方形プレートの第１の面に取り外し可能に取付けることができ、その上に位置付けられた複数の第１の光源の少なくとも１つをもつ実質的に円形断面のシャフトと、シャフトを長方形プレートに取り外し可能に取付ける手段とを含む第１の部品を備えることが好都合である。
【００１６】
送信手段は同軸ケーブルおよび系グラッバーポートを含み、センシング手段に関係する複数の第１の光源の各々の第１および第２の位置を示す信号をプロセッサへ送信することが効果的である。
【００１７】
ここで本発明をよりよく理解し、本発明がどのように実行できるかを示すために、例示的に添付の図面を参照することにする。
【００１８】
発明の実施の形態
外部センサを使用して、穿孔される部分の位置および配向を測定するロボットによる穿孔システムにおいて、ロボットのツール系はセンサの座標系の特徴において校正されなければならない。この校正は、位置的な調節がセンサ座標系で検出されることになるので必要とされ、ロボットによって行なわれる。添付の図面の図１ないし７に示したように、センシング手段が実質的に堅牢に割り出し手段に取付けられたときに割り出し手段の第２の座標系内にあるセンシング手段の第１の座標系を校正する本発明の方法は、部品を移動するシステムを校正するのに適していて、この部品の移動は、センサシステムに関係してシステムそれ自体に堅牢に取付けられた外部センサシステムによって制御される。とくにロボットのツールの中心点は、ロボットのエンドエフェクタに取付けられた写真測量（フォトグラメトリ）システムの座標系で校正することができる。
【００１９】
したがって添付の図面の図１に示した本発明の装置は、添付の図面の図２を参照して本発明の方法を使用し、センシング手段２ａ、２ｂが割り出し手段４に実質的に堅牢に取付けられるときにセンシング手段２ａ、２ｂの第２の座標系３内にある割り出し手段４の第１の座標系１を校正する。この方法は、センシング手段２ａ、２ｂに関係して複数の第１の光源６の第１の位置５を測定し、この第１の光源６の各々がセンシング手段２ａ、２ｂから離れていて、能動的な光源かまたは照明可能な反射点であり、第１の位置５が割り出し手段４の第１の絶対的な位置７に対応する段階と、割り出し手段４を所望の第２の絶対的な位置８に移動する段階と、センシング手段２ａ、２ｂに関係して複数の第１の光源６の第２の位置９を測定し、この第２の位置９が割り出し手段４の所望の第２の絶対的な位置８に対応する段階とを含む。構成要素２ａないし６は、後述するように本発明の装置の一部を形成している。
【００２０】
図２に示したように、この方法は第１の位置５から第２の位置９への測定および移動を繰り返して、少なくとも２つの移動に対応する第１および第２の位置（５，９）_１、（５，９）_２の少なくとも２つの組の測定値を与えることを含み、この少なくとも２つの移動の各々が既知の独特の（ユニークな）変換１０_１、１０_２であって、好ましくは２並進か、または１並進および異なる軸の周りの１回転、または少なくとも２回転を含み、さらに少なくとも１並進または別の回転、あるいはその両者を加えるときと、加えないときがある。第１および第２の位置（５，９）_１、（５，９）_２の測定値についてのこれらの２つの組は、１１ａに組合され、第２の座標系３内にある第１の座標系１を校正する。
【００２１】
センシング手段２ａ、２ｂに関係する複数の第１の光源６の第１の位置５または第２の位置９、あるいはその両者の測定は、センシング手段２ａ、２ｂに設けた少なくとも２つの作像デバイス上で、複数の第１の光源６から反射または投影された光の像を作ることと、少なくとも２つの作像デバイスの各々からプロセッサ１３へ反射または投影された光の配分を示す信号１２ａ、１２ｂを送信することとを含む。図３に示したように、これらの信号１２ａ、１２ｂは、対応する既知の移動変換１０_ｉおよび未知の変換１５のマトリックス乗算を使用して第１および第２の測定された位置（５，９）_ｉの各々を操作することによって１１ａに組合され、この未知の変換１５は第２の座標系３内の第１の座標系１を記述して、少なくとも２つの式１６_ｉを与える。これらの式１６_ｉは１８においてコスト関数のような標準の最適化方法によって最適化されて、未知の変換１５を判断する。
【００２２】
上述の本発明の方法は、本発明の装置を使用することによってセンシング手段２ａ、２ｂの第２の座標系内にある割り出し手段４の第１の座標系１を校正するように動作し、本発明の装置はセンシング手段２ａ、２ｂ、堅牢に取付けられたときにセンシング手段２ａ、２ｂを移動する割り出し手段４、能動の光源または照明可能な反射点を含み、空間内の固定点に位置付けることができる複数の光源手段６を含んでいる。好ましくは割り出し手段４は、図４に示したようにロボット１９およびエンドエフェクタ２０であり、このエンドエフェクタ２０にはセンシング手段２ａ、２ｂが取付けられ、センシング手段２ａ、２ｂはエンドエフェクタ２０の周りに実質的に等間隔で位置している。センシング手段２ａ、２ｂは作像デバイス、とくにディジタル化可能な像を生成するように動作可能な測定用センサであることが好ましく、したがって第１の光源６の各々から投影または反射される光が、暗い背景に対する白いピクセルの像として再生成され、この白いピクセルは各作像デバイス２ａ、２ｂの各々で第１の光源６の２次元の空間的位置を定義する。これらの像は出力信号１２ａ、１２ｂとして、好ましくは同軸ケーブルである通信リンク２３によってフレームグラッバポート２３ａ、２３ｂを通ってプロセッサ１３へ通信される。作像デバイス２ａ、２ｂはエンドエフェクタ２０の周りに実質的に等間隔に位置する。
【００２３】
プロセッサ１３は、割り出し手段４と動作上関係付けられていて、センシング手段２ａ、２ｂに関係して複数の光源６の各々の第１および第２の位置５、９を示す信号１２ａ、１２ｂを受取り、１１ａにおいて信号１２ａ、１２ｂを未知の変換１５および変換１０と結合する。変換１０は割り出し手段４の第１の絶対的な位置７からその所望の第２の絶対的な位置８への移動を規定し、この移動はプロセッサ１３から割り出し手段４へ通信され、上述の方法にしたがうこれらのパラメータ１１ａの結合は未知の変換１５を判断して決定する。
【００２４】
装置は少なくとも２つの光源２１ａ、２１ｂを含み、各光源２１ａ、２１ｂは各作像デバイス２ａ、２ｂと関係付けられている。複数の第１の光源６は好ましくは複数の反射性ターゲットであり、各反射性ターゲットは第１の部品２２上に位置決めすることができ、かつ逆反射性材料から形成され、第２の光源２１ａ、２１ｂの各々によって投影される光は、正確な入射光線方向に反射される。図５、６、および７に示した第１の部品２２は、長方形プレート２２ａ、実質的に円形断面をもち、長方形プレート２２ａの第１の面に取外し可能に取付けることができ、その上に複数の第１の光源の少なくとも１つが位置付けられているシャフト２２ｂ、およびシャフト２２ｂを長方形プレート２２ａへ取外し可能に取付ける手段２２ｄを含む。図５には、長方形プレート２２ａを貫通しているクリアランス孔２２ｅが示されており、この孔２２ｅを使用して、第１の光源６を位置決めする。クリアランス孔２２ｈはプレート２２ａ上の適所に置かれて、シャフト ２２ ｂを取付けるのに用いられる。
【００２５】
シャフト２２ｂは、その一方の端部では内側にねじを切っためくら孔２２ｆが貫通していて、手段２２ｄ、好ましくはねじを切った六角頭のボルトと結合することができる。ボルトは長方形プレートの第２の面２２ｇを介してクリアランス孔２２ｈへ挿入して、前記シャフト２２ｂ内の孔２２ｆと結合して、シャフト２２ｂを長方形プレート２２ａに固定することができる。動作において、複数の第１の光源６の１つは、シャフト２２ｂの他方の端部を貫通しているめくら孔２３へ挿入され、他の第１の光源は孔２２ｅへ挿入されて、三次元フィールドの光を与える。
【００２６】
上述の本発明の方法は、次の手続きにしたがって実行することができ、図２および３を参照して記載する。
【００２７】
・割り出し手段４を第１の絶対的な位置７から少なくとも２つの所望の絶対的な位置８へ移動する。各移動は特定の変換１０_ｉによって与えられる；
・各第１の光源６の第１および第２の位置（５，９）_ｉを測定する：同じ第１の光源上における第１の絶対的な位置７から第２の絶対的な位置８への２つの測定値は次式のように関係している：
【数１】

【００２８】
・全ての第１の光源６において第１の絶対的な位置７から所望の第２の絶対的な位置８への２つの移動の各々に対して式１を加算および最適化する。
【００２９】
【数２】

【００３０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがってセンシング手段が割り出し手段に実質的に堅牢に取付けられたときに、割り出し手段の座標系内にあるセンシング手段の座標系を校正する装置の模式的な斜視図。
【図２】図１の装置に応用可能な方法の段階のブロック図。
【図３】図１の装置に応用可能な方法の段階の一部を形成する結合手段のブロック図。
【図４】割り出し手段および第１の部品を示す図１の装置の模式的な斜視図。
【図５】図４の第１の部品の一部を与える長方形プレートの平面図。
【図６】図５の長方形プレート上の線Ａ−Ａからとった長方形プレートの端面の断面図。
【図７】図４の第１の部品の一部を用意したシャフトおよびボルト手段の断面図。

Claims (14)

1. センシング手段が堅牢に割り出し手段に取付けられるときにセンシング手段の第２の座標系内にある割り出し手段の第１の座標系を校正する方法であって：
   センシング手段に対する複数の第１の光源の第１の位置を測定し、この際に第１の光源の各々がセンシング手段から離れていて、しかも能動的な光源かまたは照明可能な反射点の何れかであるものとし、第１の位置が割り出し手段の第１の絶対的な位置に対応するようにする段階と；
   割り出し手段を移動する段階と；
   センシング手段に対する複数の第１の光源の第２の位置を測定する段階であって、ただしこの第２の位置は割り出し手段の所望の第２の絶対的な位置に対応している段階と；
   第１の位置から第２の位置への測定および移動を繰り返して、少なくとも２つの既知の移動に対応する第１および第２の位置の少なくとも２組の測定値を与えるようにする段階と；
   変換手段によってセンシング手段に関係する複数の第１の光源の第１および第２の位置の少なくとも２つの組の測定値を組合せて、第２の座標系内の第１の座標系を校正する段階とを含む方法。
2. センシング手段に対する複数の第１の光源の第１または第２の位置、あるいはその両者の測定値が、複数の第１の光源から反射または投影された少なくとも２つの作像デバイスにおいて作像する段階と；
   少なくとも２つの作像デバイスの各々からプロセッサへ反射または投影された光の配分を示す信号を送る段階と；
   前記信号を組合せて、センシング手段に関係する複数の第１の光源の第１または第２、あるいはその両者の位置を定義する段階とを含む請求項１記載の方法。
3. 少なくとも２組の第１および第２の位置に対応する既知の移動が２並進である請求項２記載の方法。
4. 少なくとも２組の第１および第２の位置に対応する既知の移動が１並進および１回転である請求項２記載の方法。
5. 少なくとも２組の第１および第２の位置に対応する既知の移動が、異なる軸の回りを２回転することである請求項２記載の方法。
6. 少なくとも１並進または別の回転、あるいはこの両者を含む請求項５記載の方法。
7. 少なくとも２組の第１および第２の位置の測定値の組合せが：
   少なくとも２組の第１および第２の位置測定の各々について、第１および第２の測定された位置の各々と対応する既知の移動および決定されるべきである変換のマトリックス乗算とを組合せることであって、ただし前記変換は第２の座標系内の第１の座標系を記述していて、少なくとも２つの表現形式の組を与えることと；
   少なくとも２つの表現形式の組の各々の和をとることと；
   そこから生じる誤差を最適化方法によって最適化して、第２の座標系内の第１の座標系を校正する前記変換を決定することとを含む請求項３ないし６の何れか１項記載の方法。
8. センシング手段が堅牢に割り出し手段に取付けられたときにセンシング手段の第２の座標系内にある割り出し手段の第１の座標系を校正する装置であって：
   センシング手段と；
   堅牢にセンシング手段に取付けられたときにセンシング手段を移動する割り出し手段と；
   能動的な光源または照明可能な反射点を含み、空間内の固定位置に置かれる複数の第１の光源と；
   割り出し手段と動作上関係付けられたプロセッサと；
   該プロセッサと動作上関係付けられた変換手段と；
   センシング手段に関係する複数の第１の光源の各々の第１および第２の位置を示す信号をセンシング手段からプロセッサへ送る送信手段であって、センシング手段に対する複数の第１の光源の各々の第１および第２の位置がそれぞれ割り出し手段の絶対的な第１の位置および所望の絶対的な第２の位置に対応していて、割り出し手段が絶対的な第１の位置から該所望の絶対的な第２の位置へ移動するときには、プロセッサへ送られたセンシング手段に対する複数の第１の光源の各々の第１および第２の位置が変換手段によって組合されて、第２の座標系内にある第１の座標系を校正するようにした送信手段とを含む装置。
9. 割り出し手段がロボットおよびエンドエフェクタである請求項８記載の装置。
10. センシング手段が少なくとも２つの作像デバイスを含み、各作像デバイスがエンドエフェクタに取付け可能であり、複数の第１の光源の各々を作像するように構成可能である請求項９記載の装置。
11. エンドエフェクタの周りで等間隔をとっている少なくとも２つの作像デバイスの各々は、ディジタル化可能な像を生成するように動作可能な測定用センサである請求項１０記載の装置。
12. 少なくとも２つの第２の光源の各々はそれぞれ作像デバイスと関係付けられていて、複数の第１の光源は複数の反射性ターゲットである請求項１１記載の装置。
13. 第１の部品として、複数の光源を保持していて、かつ長方形プレートと、長方形プレートの第１の面に取り外し可能に取付けることができて、その上に位置付けられた複数の第１の光源の少なくとも１つをもつ円形断面のシャフトと、シャフトを長方形プレートに取り外し可能に取付ける手段とを含む第１の部品を備えた請求項１２記載の装置。
14. 送信手段が同軸ケーブルおよびフレームグラッバーポートを含み、センシング手段に関係する複数の第１の光源の各々の第１および第２の位置を示す信号をプロセッサへ送信する請求項１３記載の装置。

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