JP6287231B2 - 測距装置及びロボットピッキングシステム - Google Patents

Description

本発明は、ステレオカメラを用いて対象物との距離を測定する測距装置及びこれを適用したロボットピッキングシステムに関する。

従来、計測（測距）対象物を２つのカメラ（ステレオカメラ）で撮影し、得られた２つの画像を用いて計測対象までの距離情報を得る「ステレオ測距」と呼ばれる技術が知られている。
この「ステレオ測距」では、２つのカメラで撮影した２つの画像間に生じる視差Δを利用して、三角測量の原理により奥行きを算出するが、ステレオ測距において視差Δを求めるためには、ウィンドマッピングを行って各画像において互いに対応する点（対応点）を探し出す必要がある。
特に視差Δが発生する方向における２つのカメラの並進ズレ（水平ズレとも言う）が発生すると、そのズレがそのまま視差Δの誤差となってしまい、正確な距離を算出できなくなる。
距離測定可能なステレオカメラをＦＡ（ファクトリーオートメーション）におけるロボットピッキング等に応用する場合には、特に正確な測距が求められ並進ズレの影響も顕著である。

ロボットピッキングとは、バラ積みされたピッキング対象物（ワーク）をステレオカメラにて撮影して得た距離画像から最も掴みやすい（最も近い）ワークを検出し、そのワークをロボットアームによって掴んで別の場所に移動させるというものである。
ロボットアームが確実にワークを掴むためにはステレオカメラが常に正しく距離測定をできていなければならないが、振動や温度変化などでカメラの位置が数μｍずれてしまうことがある（並進ズレ）。
その結果、ステレオカメラによる正確な距離を算出できなくなり、ロボットアームがワークを掴み損ねる事態が発生し得る。

それに対し、特許文献１には、レーザ光によって空中にプラズマによる発光点（空中可視像）を形成し、この発光点を基準点としてステレオカメラのキャリブレーションを行う手法が開示されている。
より具体的には、特許文献１では、予め設定した上記の発光点とステレオカメラとの距離と、ステレオカメラで測距した発光点までの距離を比較することにより、ステレオカメラにおけるカメラ同士の位置ずれ等を検知し、それを校正する。
この方法によれば、キャリブレーションボードを使って人力にてキャリブレーションを行う必要がなく、生産性の向上を図ることが出来る。

特許文献１においては、ステレオカメラのキャリブレーションを行うにあたって基準点として使用する空中発光点とステレオカメラとの距離を、レーザ発光器のレンズ光学系の焦点距離によって設定している。
しかしながら、そのレンズ光学系に対する温度変化や振動などの影響を考慮すると、必ずしも空中発光点とステレオカメラとの距離を一定に制御可能であるとは言えない。
そのため、キャリブレーションの基準となる発光点のまでの距離の精度を確保しにくく、信頼性の高い正確な校正を行うことが出来ない。
上記の問題点を鑑みて、本発明は、信頼性の高いキャリブレーションが可能な測距装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、複数のレンズを介して複数の画像情報を取得する撮像手段と、前記複数の画像情報に基づいて測距対象に対する測距を行う測距制御手段と、複数の発光部を有し、任意の投光面に少なくとも一つのスポット光を形成可能な光源と、を備え、前記光源は、前記複数の発光部のうちの発光する発光部を前記レンズの画角に応じて切り換え可能であり、前記測距制御手段は、前記光源により前記投光面に形成された前記スポット光までの距離に基づいて、前記測距対象に対する測距結果を校正する測距装置を特徴とする。

上記のように構成したので、本発明によれば、信頼性の高いキャリブレーションを行うことが可能な測距装置を実現することが出来る。

「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図（その１）。 「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図（その２）。 本実施形態に係る測距装置の構成を示す図。 図３に示すレーザ光源の概要を示す概略斜視図。 本実施形態の測距装置を適用したロボットピッキングシステムにおける測距装置の動作態様を説明する図。 本実施形態の測距装置を適用したロボットピッキングシステムにおける測距装置のキャリブレーションの態様を説明する図。 本実施形態にかかる測距装置の測距制御部の構成を示す機能ブロック図。 本実施形態に係る測距装置の動作を説明するフローチャート。 本実施形態の測距装置が備えるレーザ装置を用いた発光パターン生成の他の態様を示す図。 本実施形態に係る測距装置の変形構成例を示す図。 従来用いられる「キャリブレーションボード」の構成を示す図。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
まず、図１、図２を用いて、本実施形態に係る測距装置の前提となるステレオ測距の原理を説明する。
図１、図２は、「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図である。
「ステレオ測距」を用いた測距方法においては、１対の２次元センサと１対のレンズとを組み合わせることにより、２つのカメラを構成し、計測対象物のずれ（視差）を検出し、三角測量の原理で距離を計測する。

図１に示すステレオカメラ装置１０６において、計測対象物１０１からの光を同一の光学系からなる２つのカメラ１０２ａ、１０２ｂを配置して撮影する場合を考える。
カメラ１０２ａは、レンズ１０３ａ、二次元センサ１０５ｂを備え、カメラ１０２ｂは、レンズ１０３ａ、二次元センサ１０５ｂを備えている。
レンズ１０３ａを通して得た計測対象物像１０４ａと、レンズ１０３ｂを通して得た計測対象物像１０４ｂは、計測対象物１０１上の同一点が視差Δだけずれて２次元センサ１０５ａ、１０５ｂ（図２）に至る。そして、これらの計測対象物像は、複数の受光素子（画素）で受光されて電気信号に変換される。
ここでレンズ１０３ａ、１０３ｂの光軸間の距離は基線長と呼ばれ、これをＢとし、レンズと被写体との距離をＡ、レンズの焦点距離をｆとしたとき、Ａ≫ｆであるときには次式（１）が成り立つ。
Ａ＝Ｂｆ／Δ・・・式（１）
基線長Ｂ、およびレンズの焦点距離ｆは既知であるから、視差Δを検出すれば（式１）を用いて被写体までの距離Ａを算出することができる。
なお、上記の方法は、２つの２次元センサに映った計測対象物１０１について、画素の輝度値の分布特性に基づいて対応点を探し出す方法である。対応点の探索には、差分絶対値和（ＳＡＤ：Sum Of Absolute Difference)相関法や位置限定相関法（ＰＯＣ：Phase-Only Correlation）などを適用出来る。

以上の前提に基づいて本発明の測距装置の構成を詳細に説明する。
図３は、本実施形態に係る測距装置の構成を示す図である。
図３に示すように、本実施形態に係る測距装置１は、ステレオ画像を撮影するためのステレオカメラ１０と、ステレオカメラ１０によって取得したステレオ画像を用いて測距を行うための制御を行う測距制御部Ｃｔｒを備えている。
ステレオカメラ１０は、第１カメラ（基準カメラ）１１及び第２カメラ（参照カメラ）１２と、これらのステレオカメラのキャリブレーションを行うための基準となるパターン３５を投光面２０に投射するレーザ装置１３と、を備えている。なお、図３の例では、ステレオカメラ１０において、レーザ装置１３は、第１カメラ１１、第２カメラ１２の間に配置されている。
第１カメラ１１は、被写体（測距対象物）からの光を取り込む第１レンズ１１ａと、第１レンズ１１ａからの入射光に基づく画像を取得する撮像素子（撮像手段）１１ｂとを備えている。

また、第２カメラ１２は、第１レンズ１１ａと同様に被写体からの光を取り込む第２レンズ１２ａと、第２レンズ１２ａからの入射光に基づく画像を取得する撮像素子（撮像手段）１２ｂと、を備えている。
第１レンズ１１ａ、第２レンズ１２ａの焦点距離やＦ値などの光学仕様は互いに同じである。
また、第１カメラ１１の撮像素子１１ｂ、第２カメラ１２の撮像素子１２ｂのセンササイズや画素ピッチなどセンサ仕様も互いに同じである。
さらに、第１カメラ１１、第２カメラ１２の第１レンズ１１ａ、第２レンズ１２ａは、互いに光軸が平行となるように配置されている。
また、レーザ装置１３は、後述するようなレーザ光束を出射するレーザ光源１３ｂとレーザ用レンズ１３ａとを備えている。

図４は、図３に示すレーザ光源１３ｂの概要を示す概略斜視図である。
図４に示すレーザ光源１３ｂは、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER：垂直共振器面発光レーザ）と呼ばれる複数の発光点（発光部）３０を備え、これらの発光点から複数のレーザ光（レーザ光束Ｌ１）を出射可能なレーザ光源である。
レーザ光源１３が備える複数の発光点３０から出射されたレーザ光束Ｌ１は、その光軸上に配置されるレーザ用レンズ１３ａに取り込まれ、図３に示すように出射方向前方の任意の投光面２０に結像されて発光パターンを形成する。
発光点３０が複数存在するため、投光面２０には複数の結像点（スポット）３５を有する発光パターン（スポット群）が形成されることになる。
レーザ光源１３ｂにおける発光点３０の位置は、半導体プロセスによって精度良く位置決めされているため、投光面２０に投影される複数のスポット３５は高い位置精度を保っている。
ステレオカメラ１０のキャリブレーションを行うにあたってスポット３５は必ずしも複数である必要はなく、一つであっても構わない。

しかしながら、特にロボットピッキングで用いる測距装置などでは、約１ｍ離れた１ｍ四方の領域において誤差±１ｍｍ以下といった非常に高い測距の精度が求められる。従って、その場合には、図４に示すようにレーザ光源１３ｂに複数の発光点３０を備え、複数のスポット３５を投光面２０に形成してこれら複数のスポット３５を用いてキャリブレーションを行うことが望ましい。
また、スポット３５を形成するために用いる光源は、レーザ光源に限定されず、ＬＥＤ等を用いても良いが、より正確なパターンを形成するためには、レーザ光源を用いることが望ましい。

以下では、複数の発光点を有するレーザ光源を用いて複数のスポットからなる発光パターンを形成する場合の例について説明する。
図５、図６は、本実施形態の測距装置を適用したロボットピッキングシステムにおいて、測距装置の動作及びキャリブレーションの態様を説明する図である。
図５に示すように、ロボット８０によりピッキングするワークＷが積載された箱９０を直上位置から撮影可能な位置にステレオカメラ１０を設置する。
ステレオカメラ１０によって測距可能な範囲は、第１カメラ、第２カメラの画角が重なる領域であり、この領域内に収まるように箱９０を配置する。

一例に係るロボットピッキングの手順として、ステレオカメラ１０でワークＷを撮影し、測距制御部Ｃｔｒは、箱９０内の（レンズから）ワークＷまでの距離Ａ１を測定し、距離画像を生成する。
生成された距離画像は、測距制御部Ｃｔｒと接続されたロボット８０に入力される。
そのワークＷをロボット８０でピッキングした後、再度ステレオカメラ１０で箱９０内のワークＷを撮影し、同様に最もピッキングしやすいワークを検知し、そのワークＷをロボット８０でピッキングする。
距離画像をもとにロボット８０がピッキングを行う方法は、従来周知（例えば特開２００２−９０１１３公報）であるので、詳細な説明を割愛する。
この工程を繰り返して箱９０の中のワークＷを１つずつロボット８０によりピッキングし、全てをピッキングし終わったら、空になった箱９０は図示しないコンベアや人力により移動する。
なお、最もピッキングしやすいワークの検出は、測距装置１からロボット８０に入力された距離画像を用いて、ロボット８０側で行っても良い。すなわち、測距装置１からの出力を用いてロボットが動作する。これにより、作業を止めることなく、ロボットピッキングを行うことが出来、作業効率を向上することが出来る。

箱９０が移動されると、図６に示すようにワークがない状態になるので、このタイミングでステレオカメラ１０のキャリブレーションを行う。
図５に示すピッキングの工程において、測距装置１では組み付け誤差や、温度などの環境変化、振動によって生じるカメラ間の並進誤差によらず正確な測距を行えるよ、う、視差演算によって算出した距離を、校正データを用いて校正する。
この校正データを作成したり、経時の環境変化や振動に伴う並進誤差の変動に対応するために校正データを修正することが、本実施形態における「キャリブレーション」である。
キャリブレーション工程において、測距装置１は、図６に示すようにレーザ装置１３からレーザ光束Ｌ１を出射し、例えば床面などの任意の距離（１ｍ程度）離れた投光面２０に対して複数のスポット３５を形成する。
測距装置１（のレンズ）からスポット３５（投光面２０）までの距離Ａ２は、レンズにずれが生じない限りは常に一定である。本実施形態の測距装置１は、このスポット３５までの距離Ａ２を用いて、下記に詳述するステレオカメラ１０のキャリブレーションを行う。すなわち、これら複数のスポットを基準点としてステレオカメラのキャリブレーション（校正）を行う。
キャリブレーションが終了すると、再びワークＷが運ばれてきて、図５に示すようにロボット８０によるピッキングが行われる。

図７は、本実施形態にかかる測距装置の測距制御部の構成を示す機能ブロック図である。
図７を用いて、本実施形態の測距装置による測距動作及びキャリブレーションの方法を説明する。
測距制御部Ｃｔｒは、制御部５０と、画像入力部５１と、距離画像生成部５２と、校正データ保持部５３と、校正ずれ判定部５４と、校正データ生成部５５と、対象物検知部５６と、画像出力部５７と、を備えている。
制御部５０は、本実施形態に係る測距装置の機能を実現するための制御プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、制御プログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）と、制御プログラムやその他の一時データが展開されるＲＡＭ（Random Access Memory）を備える。
画像入力部５１は、２つのカメラ（第１カメラ１１、第２カメラ１２）と測距制御部Ｃｔｒとのインターフェイスであり、これらのカメラで撮影・取得された２つの画像を測距制御部Ｃｔｒに取り込む。

距離画像生成部５２は、画像入力部５１によって取り込まれた２つの画像を用いて視差演算を行い測距対象物までの距離を算出し、距離画像を生成する。
また、校正データ保持部５３には、距離画像生成部５２が算出した距離を校正するための校正データが保持されている。
距離画像生成部５２は、第１カメラ１１、第２カメラ１２の組み付け誤差や温度などの環境変化、あるいは振動に関わらず正確な測距を行うために、ステレオ画像を用いた視差演算によって算出した距離を、この校正データを用いて校正する。
すなわち校正データは、上記の式（１）Ａ＝Ｂｆ／Δにおいて、組み付け誤差や環境変化による第１カメラ１１、第２カメラ１２のズレによる基線長Ｂ／視差Δ（図１を参照）の変化を吸収して正確な距離Ａを算出するための係数である。
第１カメラ１１と第２カメラ１２の互いのズレにより基線長Ｂが既知の値とは異なる基線長Ｂ’、さらに異なる視差Δ’となっている場合でも、距離Ａ’に対して（Ｂ／Δ）／（Ｂ’／Δ’）を掛け合わせることにより正確な距離Ａを得ることが出来る。
校正データとしての（Ｂ／Δ）／（Ｂ’／Δ’）は、ステレオカメラ１０から予め決められた（既知の）基準距離ａにある基準対象物をステレオカメラ１０によって測距し、測距結果Ａと基準距離ａとを比較することによって(比率を求めることで)得ることが出来る。
なお、温度などの室内環境は、常に刻々と変化するものであるため、必要に応じて校正データを修正する。

本実施形態の測距装置は、図１、図２に示したレーザ装置１３から照射された発光パターン（スポット３５）との距離を基準距離ａとして校正データの修正の是非を判断し、校正データの修正を行うものである。
ロボットピッキング等を行う現場ではステレオカメラ１０を構成するする２つのカメラ１１、１２は、例えば天井における予め決められた位置に固定されており、スポット３５を投光する投光面２０までの距離（基準距離ａ）も予め決まっている。
基準距離ａは、校正データ保持部５３に保持されており、本実施形態の場合、図６に示す距離Ａ２と同じである。
校正ずれ判定部５４は距離画像生成部５２が求めた距離と校正データ保持部５３に保持される基準距離ａとを比較する。
比較の結果、その差違｜ａ−Ａ｜が所定未満であれば、校正ずれ判定部５４は、正確な測距が出来ており現在の校正データを使用可能（校正ずれ無し）と判定し、所定以上の差異であれば、校正データの修正／作成要と判定する。
校正ずれ有りと判定した場合、校正ずれ判定部５４は、基準距離ａと測距結果Ａの比較結果を校正データ生成部５５に出力する。
校正データ生成部５５は、校正ずれ判定部５４による判定結果に基づいてステレオカメラ１０の校正データを修正し、修正したデータを校正データ保持部５３に修正したデータを送る。

距離画像生成部５２は、校正データ保持部５３に格納された修正済みの校正データに基づいて測距結果Ａの誤差を修正した距離画像を生成する。
対象物検知部５６は、生成された距離画像を用いて最もピッキングし易い（高さ方向で最も近い）ワークを検知し、ロボット８０に対して指示を行う。
画像出力部５７は、測距制御部Ｃｔｒとロボット８０との通信インターフェイスであり、生成した距離画像や最もピッキングのし易いワークについての情報をロボット８０に対して出力する。

距離画像生成部５２、校正ずれ判定部５４、校正データ生成部５５、対象物検知部５６は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などハードウェアを用いて実現することが出来る。また、これらの処理部は、制御部５０が有するＣＰＵによるソフトウェア処理によって実現することも出来る。
さらに、測距制御部Ｃｔｒは、ステレオカメラを接続したパーソナルコンピュータとして実現しても良く、この場合、上記処理部は、パーソナルコンピュータのＣＰＵによるソフトウェア処理によって実現される。
なお、上記の校正データの修正、作成処理は、あくまで一例であり、実現可能なその他の方法であっても構わない。

図８は、本実施形態に係る測距装置の動作を説明するフローチャートである。
まず、電源投入に伴い制御部５０がステレオカメラ１０を始動させる（ステップＳ１０１）。
ステレオカメラが始動すると、制御部５０はステレオカメラの校正モードを開始する（ステップＳ１０２）。
制御部５０は、校正モードとしてレーザ装置１３を作動させ（ステップＳ１０３）、図３、図６で説明したスポット３５を形成する（ステップＳ１０４）。
次に、制御部５０は、距離画像生成部５２を制御して、第１カメラ１１、第２カメラ１２によって取得したスポット画像を用いてスポット３５が形成される投光面２０までの予め決められた（既知の）距離を測定させる（ステップＳ１０５）。この時、上記したように、距離画像生成部５２は、校正データ保持部５３に保持される校正データを用いて測距結果に対して校正を行っている。
次に、制御部５０は、校正ずれ判定部５４を制御し、ステップＳ１０５で測定した距離（測距結果）Ａと校正データ保持部５３に保持される基準距離ａとを比較する（ステップＳ１０６）。

比較の結果、測距結果Ａと基準距離ａとの間に所定値以上のズレがある場合（ステップＳ１０７でＹｅｓ）、制御部５０は、校正データ保持部５３に保持される校正データに修正（初回起動の場合など校正データが存在しない場合は新たに作成）が必要と判断する。そして、制御部５０は、校正データ生成部５５に校正データの修正／作成を行わせる（ステップＳ１０８）。校正データの修正方法は、上記の通りである。
そして、制御部５０は、全てのスポットについて測距結果Ａと基準距離ａとの比較が終わったか否かを判断する（ステップＳ１０９）。
比較が終わっていれば（ステップＳ１０９でＹｅｓ）、校正モードを終了する（ステップＳ１０９）。
比較が終わっていなければ、次のスポットについて、ステップＳ１０５〜ステップＳ１０８の処理を繰り返す。
ステップＳ１０７において測距結果Ａと基準距離ａとの間に所定値以上のズレがない場合（ステップＳ１０７でＮｏ）、制御部５０は、全てのスポットについて測距結果Ａと基準距離ａとの比較が終わったか否かを判断する（ステップＳ１０９）。
比較が終わっていれば（ステップＳ１０９でＹｅｓ）、校正モードを終了する（ステップＳ１１０）。
比較が終わっていなければ、次のスポットについて、ステップＳ１０５〜ステップＳ１０８の処理を繰り返す。

校正モード終了後には、ロボット８０によってピッキングすべきワークＷが運ばれてきて、ロボット８０によるワークＷのピッキングが始まる。
すべてのワークＷのピッキングが終了すると、ワークＷを入れていた箱９０は空となって移動する。空の箱が移動したら次のワークが同様にして運ばれてくる。
次のワークＷが運ばれて来るまでのワークＷが存在しない時間に上記に示したキャリブレーションを行う。ただし、必ずしもワークＷが存在しない時に毎回校正を行う必要はなく、定期的にキャリブレーションを行えばよい。

制御部５０は、対象物検知部５６を制御して、ロボット８０でピッキングすべきワークの有無を検知する（ステップＳ１１１）。
ワークがあると検知した場合（ステップＳ１１１でＹｅｓ）、制御部５０は、ロボットアームによってワークが全てピックされて、対象物検知部５６によってワークが検知されなくなる（ステップＳ１１１でＮｏ）のを待機する。
対象物検知部５６によってワークが検知されなくなると、制御部５０は、ステップＳ１０２に戻り、校正モードを再び開始する。
ステップＳ１０２からステップＳ１１０までのループは、測距装置１の電源ＯＦＦまで繰り返されるものとする。

図９は、本実施形態の測距装置が備えるレーザ装置を用いた発光パターン生成の他の態様を示す図である。
図４で説明したようにレーザ装置１３は、その内部に複数の発光点３０を有するレーザ光源１３ｂが搭載されている。
例えば図９（ａ）に示すように、レーザ光源１３ｂが備える全ての発光点３０が発光した場合は、投光面２０には、全ての発光点３０に対応するスポット３５が結像する。
一方、図９（ｂ）に示すように、レーザ光源１３ｂの一部の発光点３０が発光した場合には、投光面２０には一部の発光点３０に対応するスポット３５のみが結像する。
すなわち、レーザ光源１３ｂにおいて、発光する発光点３０の数や位置を変えることで、投光面２０におけるスポットの数や位置を変えることが出来る。
従って、ステレオカメラ１０の第１レンズ１１ａ、第２レンズ１２ａの画角が大きい場合には、より広い領域でスポット３５が結像面に結像するように発光する発光点３０の数を増やす。
その一方で、第１レンズ１１ａ、第２レンズ１２ａの画角が小さい場合には、より狭い領域で結像するように発光させる発光点３０の数を減らすことが出来る。

ロボットピッキングにおいて、ピッキングを行うワークが同じであっても、その数に応じてワークを入れる箱９０の大きさが異なる場合がある。ワークの数は、生産台数や生産規模によって変化する。
生産規模が大きく箱９０が大きい場合には、画角の広いレンズを使い、生産規模が小さく箱が小さい場合には画角の狭いレンズを使うことになり、それに応じてスポットの形成領域を大小させることとなる。
そのような場合でも、レーザ装置１３の部品交換の必要は無く、制御部５０による制御によってレーザ光源１３ｂの発光点３０の数を変えるだけで対応することが出来る。
このように、画角の異なるレンズに応じてレーザ光が形成するスポットの位置も異なるようにすることでレンズ仕様に合わせた最適な発光パターンを提供できる。

また、発光させる発光点３０は全て同時に発光させる必要は必ずしもない。
発光点３０を順次発光させ、スポット３５を一つずつ用いて複数回のキャリブレーションを繰り返すように制御してもよい。
また、図４を用いて上記に説明したように、レーザ光源１３ｂにおける発光点３０の位置は、半導体プロセスによって精度良く位置決めされているため、投光面２０に投影される複数のスポット３５は高い位置精度を保っている。

上記の特許文献１では、複数の発光点を空中に形成するために、１つの半導体レーザ光源からの出射光を、反射部材を回動させるなどして光を走査させている。
ＶＣＳＥＬを用いた本実施形態のレーザ光源１３ｂは、上述した特許文献１とは異なり複数のスポット３５を生成するための可動部を必要としないため、振動や経時変化に対しても安定で、繰り返し再現性も高い。
よって、スポットの形成位置のばらつきが小さくなり、本実施形態によっては、より正確且つ信頼性の高いキャリブレーションを行うことが出来る。
その結果、頻繁に校正を行う必要が無くなり、生産性の向上を実現することが出来る。
また従来は、図１１に示すようなキャリブレーションボード２００に設けられたパターン２０１をステレオカメラにて撮影し、得られた距離と、現実のキャリブレーションボードとステレオカメラの距離に基づいてキャリブレーションを行っていた。
しかし、このキャリブレーション方法は人手が必要であるため、キャリブレーションの度に生産ラインの停止が必要であるなど生産性の面において大きな問題点を抱えていた。
それに対し、本実施形態の測距装置においては、レーザ光源１３ｂによって、距離が既知の投光面にスポットを形成し、それを利用してキャリブレーションを行うため、自動的な処理が可能であり、生産性を大幅に向上することが可能である。

［変形例］
図１０は、本実施形態に係る測距装置の変形構成例を示す図である。
なお、図１０では、測距制御部Ｃｔｒについては表示を省略している。
図１０に示す変形例は、図３に示す構成よりも広い領域を用いてステレオカメラのキャリブレーションを行うことが出来る構成である。
図３、図４に示す構成と同様に、レーザ光源１３ｂは複数の発光点３０を有するＶＣＳＥＬである。
ＶＣＳＥＬの発光点３０は、例えば、「光通信用面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の高性能化に関する研究 平成１５年度 大儀義孝」においては８×８の発光点３０が２５０μｍ間隔で配置されている。
この場合、レーザ光源１３ｂの幅方向両端側の発光点３０は１７５０μｍ離れることになる。

レーザ用レンズ１３ａの焦点距離をｆ＝１０ｍとし、測距対象物像を結像させるための第１レンズ１１ａ、第２レンズ１２ａの焦点距離を夫々１０００ｍｍとすると、投光面２０には１７５ｍｍ角のなかに８×８のスポットが形成されることになる。
画角の大きいレンズで広い領域を測距するステレオカメラの場合、スポット３５が形成される領域が狭く、レンズの画角内でスポット３５が存在しない部分が出てくることがある。これでは、ステレオカメラの正しいキャリブレーションができなくなることがある。
そこで、図１０に示すステレオカメラ１０Ａでは、より広い領域にスポット３５を形成できるように、レーザ用レンズ１３ａから出射するレーザ光束Ｌ１の光路上にビームスプリッタ（光学手段）６０を配置している。
そして、レーザ光束Ｌ１を、このビームスプリッタ６０によってレーザ光束Ｌ１の光路と同方向に直進するレーザ光束Ｌ１０と、レーザ光束Ｌ１の光路と直交する方向（９０度）に光路（進路）を変更されるレーザ光束Ｌ１１とに分割する。

レーザ光束Ｌ１０は、その光路上に配置された第３レンズ６２から出射して投光面２０Ａにスポット３５を形成する。
また、光路を変更されたレーザ光束Ｌ１１は、その光路上に配置されたミラー６１によって光路をさらに９０度（直交方向）変更されて、第４レンズ６３から出射して投光面２０Ｂにスポット３５を形成する。なお、レーザ光束Ｌ１０とレーザ光束Ｌ１１の光路は、互いに平行である。
このように、ビームスプリッタ６０によってレーザ光源１３ｂからのレーザ光束Ｌ１を分割し、発光パターンを２つ照射出来るようにしたことで、図３の場合に比べてより広い領域を使ってステレオカメラのキャリブレーションを行うことが出来る。
これにより画角の広いレンズで大きい面積を測距するステレオカメラであっても、正確にキャリブレーションを行うことが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の測距装置においては、レーザ光源１３ｂから出射されたレーザ光によって複数のスポットを形成し、これを基準としてステレオカメラのキャリブレーションを行う。よって、本実施形態の測距装置では「キャリブレーションボード」を用いて人手でキャリブレーションを行う必要がなくロボットピッキングの生産性を高めることができる。
また、キャリブレーションの基準点となる複数のスポット３５は、反射部材を回動させて、光を走査させて形成するのではなく、予め発光点の位置が高精度に位置決めされているＶＣＳＥＬと呼ばれるマルチビーム光源を用いる。従って、振動や経時によるズレが生じることなく、高いキャリブレーション精度を確保することが出来る。
なお、本実施形態では、ステレオカメラとして、レンズ及び撮像素子よりなるカメラユニットを複数備えるカメラを例示したが、それに限定されるものではない。

単一又は複数の撮像素子上に、複数（２つ）のレンズを含むレンズアレイを配置した構成としてもよい。本実施形態で説明したカメラユニット間の並進ズレは発生しえないが、温度変化によってレンズアレイが変形、膨張するなどしてレンズ間の距離（基線長）が変化するため、本実施形態と同様の課題が発生し、本発明の解決手段が適用し得る。
また、レンズ及び撮像素子の組み合わせのうち、少なくともレンズについては２つに限らず、３つ又はそれ以上のレンズを備えるようにしても良い。
また、本実施形態の測距装置は，ロボットピッキングに限らず、精密な測距が求められるその他の用途に使用可能であることは言うまでも無い。

［第１の発明］
第１の発明おいて、複数のレンズ１１ａ、１２ａを介して複数の画像情報を取得する撮像手段１１ｂ、１２ｂと、複数の画像情報に基づいて測距対象に対する測距を行う測距制御手段Ｃｔｒと、少なくとも一つの発光部３０を有し、任意の投光面２０に少なくとも一つのスポット光３５を形成可能な光源と、を備え、測距制御手段Ｃｔｒは、投光面２０に形成したスポット３５までの距離に基づいて、測距対象に対する測距結果を校正する。
レーザ光源１３ｂによって投光面に正確なスポットを形成し、それを基準として測距結果の構成(キャリブレーション)を行うため、自動的且つ正確な処理が可能であり、生産性を大幅に向上することが可能である。

［第２の発明］
第２の発明においては、測距制御手段Ｃｔｒは、各レンズ間の位置ずれによる測距結果の変動を校正する。
本発明によれば、環境変化や振動などレンズ間の位置ずれに応じて信頼性の高いキャリブレーションを行い、精度の高い測距を可能とすることが出来る。

［第３の発明］
測距制御手段Ｃｔｒは、予め決められた投光面２０までの距離と、投光面２０に形成したスポット光３５に対する実際の測距距離と、を比較し、この比較結果に基づいて、測距対象に対する測距結果を校正する。
予め距離が決められた投光面に形成したスポット光までの距離を測定した結果と予め距離が決められた投光面までの距離を比較することで、正確にレンズ間の位置ずれを検知するとともに、キャリブレーションも正確に行うことが出来る。

［第４の発明］
本発明においては、光源１３ｂは複数の発光部３０を備え、複数の発光部３０のうちの発光する発光部３０をレンズの画角に応じて切り換え可能である。
これによれば、画角の異なるレンズに応じてレーザ光が形成するスポットの位置も異なるようにすることでレンズ仕様に合わせた最適なパターンを生成出来る。

［第５の発明］
光源１３ｂから出射された光を複数系統に分割し、一以上のスポット光を含むパターンを投光面に複数形成する光学手段（ビームスプリッタ）６０を備えた。
これにより、ビームスプリッタ６０によってレーザ光源１３ｂからのレーザ光束Ｌ１を分割し、発光パターンを２つ照射出来るようにしたことで、図３の場合に比べてより広い領域を使ってステレオカメラのキャリブレーションを行うことが出来る。
これにより画角の広いレンズで大きい面積を測距するステレオカメラであっても、信頼性の高いキャリブレーションを行うことが可能となる。

［第６の発明］
測距装置に接続されたピッキングロボットが、測距装置によって測定されたピッキング対象までの距離を用いてピッキング動作を行う。
本発明によれば、スポット光を用いた信頼性の高いキャリブレーションを行うことによりピッキング対象までの距離を正確に測定できるため、正確にピッキングを行い、生産性を著しく向上させることが出来る。

国際公開第２００９／１１９２２９号パンフレット

１ 測距装置、１０ ステレオカメラ、１０Ａ ステレオカメラ、１１ 第１カメラ、１１ａ レンズ、１１ｂ 撮像素子、１２ 第２カメラ、１２ａ レンズ、１２ｂ 撮像素子、１３ レーザ装置、１３ａ レーザ用レンズ、１３ｂ レーザ光源、２０ 投光面、２０Ａ 投光面、２０Ｂ 投光面、３０ 発光点、３５ スポット、５０ 制御部、５１ 画像入力部、５２ 距離画像生成部、５３ 校正データ保持部、５４ 校正ずれ判定部、５５ 校正データ生成部、５６ 対象物検知部、５７ 画像出力部、６０ ビームスプリッタ、８０ ロボット、９０ 箱

Claims (5)

1. 複数のレンズを介して複数の画像情報を取得する撮像手段と、
   前記複数の画像情報に基づいて測距対象に対する測距を行う測距制御手段と、
   複数の発光部を有し、任意の投光面に少なくとも一つのスポット光を形成可能な光源と、を備え、
   前記光源は、前記複数の発光部のうちの発光する発光部を前記レンズの画角に応じて切り換え可能であり、
   前記測距制御手段は、前記光源により前記投光面に形成された前記スポット光までの距離に基づいて、前記測距対象に対する測距結果を校正することを特徴とする測距装置。
2. 複数のレンズを介して複数の画像情報を取得する撮像手段と、
   前記複数の画像情報に基づいて測距対象に対する測距を行う測距制御手段と、
   少なくとも一つの発光部を有する光源と、
   前記光源から出射された光を複数系統に分割し、一以上のスポット光を含むパターンを任意の投光面に複数形成可能な光学手段と、
   を備え、
   前記測距制御手段は、前記光学手段により前記投光面に形成された前記パターンに含まれる前記スポット光までの距離に基づいて、前記測距対象に対する測距結果を校正することを特徴とする測距装置。
3. 請求項１又は２に記載の測距装置において、
   前記測距制御手段は、前記各レンズ間の位置ずれによる前記測距結果の変動を校正することを特徴とする測距装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の測距装置において、
   前記測距制御手段は、予め決められた前記投光面までの距離と、前記投光面に形成された前記スポット光に対する実際の測距距離と、を比較し、該比較結果に基づいて、前記測距対象に対する測距結果を校正することを特徴とする測距装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の測距装置と、該測距装置に接続されたピッキングロボットと、を備え、
   前記ピッキングロボットは、前記測距装置によって測定されたピッキング対象までの距離を用いてピッキング動作を行うことを特徴とするロボットピッキングシステム。

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