JP7379045B2 - Calculation method, article manufacturing method, program, information processing device, system - Google Patents
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Description
本発明は、算出方法、物品の製造方法、プログラム、情報処理装置、システムに関する。 The present invention relates to a calculation method, an article manufacturing method, a program, an information processing device, and a system.
計測対象物を撮影し、その撮影した対象物の画像から対象物の三次元位置を計測する三次元位置計測技術は様々な目的に利用されている。近年、工業製品の生産工程において、従来人間が行っていた作業の一部をロボットが行うようになりつつある。例えば、容器に山積みされた部品をロボットが把持し、指定の場所へ運ぶピッキング工程などにおいては、安定且つ高精度な部品の位置、姿勢計測が可能な三次元位置計測技術が必要である。 Three-dimensional position measurement technology that photographs an object to be measured and measures the three-dimensional position of the object from the photographed image of the object is used for various purposes. In recent years, robots have begun to perform some of the tasks traditionally performed by humans in the production process of industrial products. For example, in a picking process where a robot grasps parts piled up in a container and transports them to a designated location, three-dimensional position measurement technology that can stably and accurately measure the position and orientation of parts is required.
三次元位置計測技術の1つに、三角測量の原理を用いたパターン投影法がある。これは、パターン生成手段で作られる明暗のパターン光を対象物へプロジェクタで照射し、照射方向と異なる角度から、対象物である被検物の形状に応じて湾曲したパターン光を撮像部で撮像することにより、対象物の形状や位置を計測する手法である。 One of the three-dimensional position measurement techniques is a pattern projection method that uses the principle of triangulation. In this method, a projector irradiates a target object with bright and dark pattern light created by a pattern generation means, and an imaging unit captures an image of the curved pattern light according to the shape of the target object from an angle different from the irradiation direction. This is a method of measuring the shape and position of an object.
撮像部やプロジェクタの光学系は温度に応じて膨張・収縮するため、それらの相対位置姿勢が変化する。この変化により対象物上の点の計測結果にずれが生じることがある。 Since the imaging unit and the optical system of the projector expand and contract depending on the temperature, their relative positions and postures change. This change may cause deviations in the measurement results of points on the object.
特に投影系では、光源の発熱により物体温度や周辺との温度分布が変化しやすく、さらにパターン生成手段に反射型表示素子を用いた場合等には、光学系に反射面を含むため温度による変形等に敏感となる場合が多い。 Particularly in projection systems, the temperature of the object and the temperature distribution with the surroundings are likely to change due to the heat generated by the light source.Furthermore, when a reflective display element is used as a pattern generation means, the optical system includes a reflective surface, which causes deformation due to temperature. They are often sensitive to such things.
従って、温度変化を補正する必要があるが、温度変化が大きな環境では、計測結果のずれが一定に変化しないことがあるため、高精度な温度補正が困難となり、補正残差の発生も問題となる。 Therefore, it is necessary to correct temperature changes, but in environments with large temperature changes, the deviation in measurement results may not change constantly, making it difficult to perform highly accurate temperature correction, and the generation of correction residuals is also a problem. Become.
そのため、三次元位置計測装置に対して既知の形状やパターンの基準物を用いてキャリブレーション計測を行い、三次元位置計測装置によって計測される位置、姿勢を校正する手法が開示されている(特許文献1、特許文献2)。
Therefore, a method has been disclosed in which the position and orientation measured by the three-dimensional position measuring device are calibrated by performing calibration measurements on the three-dimensional position measuring device using a reference object with a known shape and pattern (
特許文献1、特許文献2に記載の発明では、キャリブレーションに用いる基準物である校正用ターゲットは多くの既知のパターンや形状の位置情報が必要であり大型化しやすい。そのため、工業製品の生産工程で使用される三次元位置計測装置のキャリブレーションのため、計測作業の中断や終了後に計測対象物を退避させて、校正用の基準物を設置する必要があり、生産効率の低下を招くおそれがある。
In the inventions described in
一方、簡易な基準物の計測結果の変化量を求め、その変化量を補正値として、三次元位置計測装置は計測範囲内の場所によらずに一律に、計測対象物の計測誤差を補正する方法がある。 On the other hand, the three-dimensional position measuring device calculates the amount of change in the measurement result of a simple reference object, uses that amount of change as a correction value, and uniformly corrects the measurement error of the measurement target regardless of the location within the measurement range. There is a way.
しかし、三次元位置計測装置は計測範囲内の場所によって、温度変化による計測結果のずれ量が異なる場合があり、一律に補正すると計測範囲内の場所によっては、補正残差が発生する。これにより、生産工程のピッキング工程において、三次元位置計測装置の計測範囲であっても対象物をロボットが把持出来ない場所が発生し、生産工程が中断する恐れがある。 However, in a three-dimensional position measuring device, the amount of deviation in measurement results due to temperature changes may vary depending on the location within the measurement range, and if uniform correction is performed, a correction residual error will occur depending on the location within the measurement range. As a result, in the picking process of the production process, there may be places where the robot cannot grasp the object even within the measurement range of the three-dimensional position measuring device, and the production process may be interrupted.
そこで、本発明は、三次元位置計測装置に関して、より簡単に校正でき、計測精度劣化を低減することを例示目的とする。 Therefore, the present invention aims to exemplify a three-dimensional position measuring device that can be calibrated more easily and reduces deterioration in measurement accuracy.
上記課題を解決する本発明の一側面としての算出方法は、対象物の位置を算出する算出方法であって、三次元計測装置を用いて基準部材を計測した計測結果を用いて、前記三次元計測装置の計測範囲の奥行方向における前記基準部材の第1位置計測値を算出する第1工程と、前記三次元計測装置を用いて前記基準部材と前記対象物を計測した計測結果を用いて、前記奥行方向における前記基準部材の第2位置計測値と、前記奥行方向及び前記奥行方向に対して直交する直交方向における前記対象物の第1位置を算出する第2工程と、を有し、前記対象物の第1位置に対して、前記基準部材の第1位置計測値と第2位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置に応じて異なる大きさの誤差を補正し、前記基準部材の第1位置計測値と第2位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置によって変化しない前記直交方向における位置の補正値で補正することにより、前記奥行方向及び前記直交方向における補正後の前記対象物の位置を算出することを特徴とする。 A calculation method as an aspect of the present invention for solving the above problems is a calculation method for calculating the position of a target object, and the calculation method uses the measurement result obtained by measuring a reference member using a three-dimensional measuring device to A first step of calculating a first position measurement value of the reference member in the depth direction of the measurement range of the measuring device, and using the measurement results obtained by measuring the reference member and the target object using the three-dimensional measuring device, a second position measurement value of the reference member in the depth direction, and a second step of calculating a first position of the object in the depth direction and an orthogonal direction perpendicular to the depth direction , Using the first position measurement value and the second position measurement value of the reference member with respect to the first position of the target object, errors of different sizes depending on the position in the depth direction are corrected, and the error of the reference member is corrected according to the position in the depth direction. The object after correction in the depth direction and the orthogonal direction is corrected by correcting the position in the orthogonal direction that does not change depending on the position in the depth direction using the first position measurement value and the second position measurement value. It is characterized by calculating the position of an object.
本発明によれば、三次元位置計測装置に関して、より簡単に校正でき、計測精度劣化を低減することができる。 According to the present invention, a three-dimensional position measuring device can be calibrated more easily and deterioration in measurement accuracy can be reduced.
以下、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付する。 A detailed description will be given below with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals are given to the same parts.
<実施形態1>
図1は、本実施形態における三次元位置計測装置(三次元計測装置)100の構成図である。三次元位置計測装置100は、プロジェクタ1と撮像部2(三次元計測部)、及び、演算処理部3を有する。プロジェクタ1は、計測用のLED光源と、パターン光を生成する為の液晶パネルを用いたパターン生成部と、生成されたパターン光を投影する投光レンズ(投影光学系)で構成されている。
<
FIG. 1 is a configuration diagram of a three-dimensional position measuring device (three-dimensional measuring device) 100 in this embodiment. The three-dimensional
光源とパターン生成部は、プロセッサ等の演算処理部(情報処理装置)3により電気的に制御が可能であり、明部のみ又は明暗部の縞を持つパターン光を生成し、計測対象物である被検物(ワーク)4、基準部材である基準マーク5へ照射する。パターン生成部は液晶パネルの代わりにDMDや、遮光パターンを有するマスクを用いても良い。
The light source and the pattern generation unit can be electrically controlled by an arithmetic processing unit (information processing device) 3 such as a processor, and generate a pattern of light having only bright areas or stripes of bright and dark areas, which is the object to be measured. The object to be inspected (work) 4 and the
基準マーク5は三次元位置計測装置100にて計測できる範囲に設置される。しかし、基準マーク5の計測が可能であれば、例えば、ロボット上などに搭載し、被検物4の計測保証範囲外や被検物4と干渉しない位置に、固設又はロボットによる所定位置への移動によって、配置してもよい。
The
撮像部2は、パターンが投影された計測対象物からの光を受光するためのレンズ(光学系)と、CCDなどの撮像素子を有し、その光学系の光軸がプロジェクタ1(投光レンズ)の光軸とは異なる角度で配置されている。撮像部2によって、被検物4、基準マーク5の形状に応じて湾曲したパターン光が2次元画像として撮像される。投影するパターン光を変えながら被検物4、基準マーク5(配置された物体)を複数回撮像することにより、複数の画像を得る。そして、演算処理部3は、撮像された複数の画像(計測データ)から三角測量の原理を用いて、物体における複数の計測点の位置(距離情報)を算出する。このようにして、三次元位置計測装置100による位置計測結果から、三次元位置計測装置からの被検物4と基準マーク5の位置(距離)計測結果である座標を取得することが可能である。
The
被検物4が無い状態でキャリブレーション(校正)した直後など、被検物4と基準マーク5は実際の位置に対して誤差が少ない状態で計測可能となる。図2において、5aがこの状態の基準マークの計測結果であり、この時の座標(Xb0、Yb0、Zb0)をマーク基準座標と呼ぶ。4aは、この状態で計測した場合に期待される被検物4の計測結果(真の位置に近い状態)であり、この時の座標(Xw0、Yw0、Zw0)をワーク基準座標と呼ぶ。
Immediately after calibration without the
ここでは三次元位置計測装置100から外装の頂点の中心Aを原点とし、Z軸方向は三次元位置計測装置100から見た計測範囲における奥行方向としている。また、Z軸に直交し且つ三次元位置計測装置100の投影光学系と撮像部の光学系の基線長の方向を含む平面上の軸をX軸とし、X、Z軸に直交する軸(直交方向)をY軸としている。
Here, the origin is the center A of the apex of the exterior from the three-dimensional
三次元位置計測装置100に温度変化が発生した場合、撮像部2やプロジェクタ1の光学系は、温度等の使用環境に応じて膨張又は収縮するため、その相対位置姿勢が変化する。この変化により被検物の計測結果にずれが生じることがある。そのため、たとえばキャリブレーション後に、三次元位置計測装置100の温度が変化した場合、温度変化後の三次元位置計測装置100による被検物4と基準マーク5の計測結果は計測ずれである誤差を含んだ結果となる。図2においては、温度変化後の状態における被検物4の計測結果を4b、基準マーク5の計測結果を5bと表記している。そして、4bの座標をワーク座標(Xwn、Ywn、Zwn)、5bの座標をマーク座標(Xbn、Ybn、Zbn)とする。
When a temperature change occurs in the three-dimensional
図2では1つの基準マーク5を計測する様子を示しているが、基準マークの数がこれに限らず、2つ以上でもよい。ただし、三次元位置計測装置の計測範囲の全域をカバーするように多数の基準マークを配置することなく、計測範囲の一部の範囲に少ない基準マークを配置して校正することで、簡単な構成で校正を行うことができる。
Although FIG. 2 shows how one
三次元位置計測装置100の主要部品の姿勢変化によって生じるZ軸方向の計測誤差は、三次元位置計測装置100からのZ軸方向の距離の比に対して、ほぼ2乗で変化する特性を有する事を見出した。これは、三次元位置計測装置100のプロジェクタ1のレンズ、パターン生成部、撮像部2の撮像素子の位置のシフト(ずれ)や、プロジェクタ1と撮像部2の輻輳角など、多くの主要部品の変化は光軸の傾き変化に相当する成分となる為である。そのため、温度変化等によるZ軸方向の位置と誤差の関係は、以下の式1で表される。
(Zbn-Zb0):(Zwn-Zw0)=Zbn^2:Zwn^2・・・(式1)
The measurement error in the Z-axis direction caused by changes in the posture of the main components of the three-dimensional
(Z b n - Z b 0): (Z w n - Z w 0) = Z b n^2: Z w n^2... (Formula 1)
つまり、被検物4の位置計測結果に含まれるZwnの誤差は、以下の手順で求めることができる。まず、あらかじめ、被検物と基準物の座標の相対位置が正しく計測できる状態でマーク基準座標Zb0を取得しておく。次に、被検物4の計測時に、基準マーク5も計測し、取得したワーク座標Zwn、マーク座標Zbnから、式1より被検物4の計測点のZwnの誤差を求めることができる。
In other words, the error of Z w n included in the position measurement result of the
上記においては、被検物4を計測した結果から補正する例を示しているが、必ずしもその必要は無く、マーク座標5bとマーク基準座標5aから、変化した量を装置パラメータ(たとえば輻輳角)の変化に置き換えても良い。これにより、計測空間全体の座標を補正することで、被検物4の計測結果を求めても良い。
In the above, an example is shown in which correction is made based on the measurement results of the
なお、三次元位置計測装置100の原点AからのZ軸方向の距離を用いて誤差を求めた。しかし、三次元位置計測装置100と被検物4、基準マーク5のZ軸方向の距離が十分大きいため、大きな差が無ければ三次元位置計測装置100付近の任意の点からの距離を用いて誤差を求めてもよい。
Note that the error was determined using the distance in the Z-axis direction from the origin A of the three-dimensional
次に、各実施例について説明する。 Next, each example will be described.
図3は、実施例1における計測方法(算出方法)のフロー図である。各工程は、三次元位置計測装置100のプロジェクタ1、撮像部2、演算処理部3が行うが、演算処理に関しては、外部のコンピュータ(情報処理装置)を用いて行ってもよい。また、かかる演算方法は、例えば、フローチャートの各ステップを実行可能なプログラムを、ネットワーク又は記録媒体を介して情報処理装置であるコンピュータに供給し、情報処理装置がプログラムを読み出して実行することによって実現される。また、情報処理装置が、メモリ等の記憶媒体に記憶されたプログラムを読み出して実行することによっても実現されうる。
FIG. 3 is a flowchart of the measurement method (calculation method) in Example 1. Each step is performed by the
先ず工程1(第1工程)で、被検物4と基準マーク5の相対位置が正しく計測されている状態、例えば、キャリブレーション校正後にて、基準マーク5を計測し、補正の基準の座標情報としてマーク基準座標(第1位置計測値)5aを算出する。工程1は、基準マーク5の実際の位置がずれた時や、過去に工程1を実施した場合に得られたマーク基準座標に対して位置がずれてしまったときなどに実施する。
First, in step 1 (first step), the
工程2以降が位置補正のための工程(第2工程)である。工程2では、工程1の後に、基準マーク5を計測し、基準マークの位置を表すマーク座標(第2位置計測値)5bを算出する。工程2における基準マーク5の実際の位置は、工程1のときと変わらないが、基準マーク5の位置計測結果には計測誤差により実際の位置からずれている可能性がある。工程2は、工程1の後に、任意の時刻で、又は、予め決められた周期等で行うことができる。ただし、温度等の使用環境の変化により、三次元位置計測装置100の主要部品の姿勢変化によって計測誤差が生じてしまった場合に、工程2以降を行うと効果的である。そのため、温度等の使用環境が、工程1を行った時から変化したことを検知して、予め決められた温度差などの条件を満足したときに工程2を行ってもよい。なお、工程1と工程2との時間間隔は小さい方が、マーク座標がマーク基準座標から大きく変化しないので、以降で算出する補正値の変化量が小さいため、補正精度を向上することができる。
次に、工程3(第2工程)では、被検物4を計測してワーク座標(対象物位置)4bを算出する。ワーク座標4bとしては、被検物4上における複数の計測点の座標や、被検物4の代表位置の座標でもよい。工程3のタイミングは工程2と同時でも異ならせてもよい。工程2の基準マーク5の計測と工程3の被検物4の計測との間隔は、短い方が計測条件の差を小さくすることができ、以降で求める補正量の精度低下を抑えることができる。
Next, in step 3 (second step), the
次に、工程4で、マーク座標とマーク基準座標から基準マーク5のZ軸方向の誤差である変化量ΔZbnを求める。マーク座標のZ軸方向の位置をZbn、マーク基準座標のZ軸方向の位置をZb0とすると、Z軸方向の変化量ΔZbnは以下の(式2)で表される。
ΔZbn=Zbn-Zb0・・・(式2)
Next, in
ΔZ b n = Z b n - Z b 0... (Formula 2)
次に、工程5で、被検物4のZ軸方向の位置に対する補正値ΔZwnを算出する。上記式1のZ軸方向の位置と誤差の関係より、補正値ΔZwnは式3を用いて算出できる。式3の関係を図4に示す。ここで、工程3で得られた被検物4のワーク座標のZ軸方向の位置をZwnとする。
ΔZwn=ΔZbn×(Zwn/Zbn)^2・・・(式3)
Next, in
ΔZ w n=ΔZ b n×(Z w n/Z b n)^2... (Formula 3)
補正値ΔZwnは、工程4で得られた基準マーク5のZ軸方向の変化量ΔZbnと、工程3で得られた被検物4のワーク座標のZ軸方向の位置Zwnと、工程2で得られたマーク座標のZ軸方向の位置Zbnを用いて算出できる。補正値ΔZwnは、被検物4のワーク座標のZ軸方向の位置Zwn、つまり、被検物4の計測点の位置に応じて異なる大きさとなる。
The correction value ΔZ w n is the amount of change ΔZ b n in the Z-axis direction of the
次に、工程6で、被検物4のX軸方向、Y軸方向の位置の補正値ΔXwn、ΔYwnを算出する。具体的には、工程5で算出した被検物4のZ方向の位置の補正値ΔZwnと、計測値であるワーク座標(Xwn、Ywn、Zwn)から、X軸方向、Y軸方向の補正値ΔXwn、ΔYwnを、式4、5を用いて算出する。式4の関係を図5に示す。式5についても式4と同様の関係である。補正値ΔXwn、ΔYwnは、被検物4のワーク座標のZ軸方向の位置Zwn、つまり、被検物4の計測点の位置に応じて異なる(変化する)大きさとなる。
ΔXwn=ΔZwn×(Xwn/Zwn)・・・(式4)
ΔYwn=ΔZwn×(Ywn/Zwn)・・・(式5)
Next, in
ΔX w n = ΔZ w n × (X w n / Z w n) (Formula 4)
ΔY w n = ΔZ w n × (Y w n / Z w n) (Formula 5)
次に、工程7にて、被検物4の位置によって変化(依存)しないX軸方向、Y軸方向の補正値をマーク座標とマーク基準座標から求める。先ず、マーク座標とマーク基準座標のZ軸方向の変化量ΔZbnとマーク基準座標(Xb0、Yb0、Zb0)から予測される、基準マークの位置によって変化する成分(ΔXbn_calc、ΔYbn_calc)を式6、7を用いて算出する。式6の関係を図6に示す。
ΔXbncalc=ΔZbn×(Xb0/Zb0)・・・(式6)
ΔYbncalc=ΔZbn×(Yb0/Zb0)・・・(式7)
Next, in
ΔX b n calc = ΔZ b n × (X b 0/Z b 0) (Formula 6)
ΔY b n calc = ΔZ b n × (Y b 0/Z b 0) (Formula 7)
これらを、実際の計測結果から求めたマーク座標(Xbn、Ybn)と比較し、その差を、位置によって変化しないX軸方向、Y軸方向の補正値ΔXbn_r、ΔYbn_rとして、式8、式9を用いて算出する。
ΔXbn_r=(Xbn-Xb0)-ΔXbncalc・・・(式8)
ΔYbn_r=(Ybn-Yb0)-ΔYbncalc・・・(式9)
These are compared with the mark coordinates (X b n, Y b n) obtained from the actual measurement results, and the difference is calculated as correction values ΔX b n_r, ΔY b n_r in the X-axis direction and Y-axis direction that do not change depending on the position. It is calculated using Equation 8 and Equation 9.
ΔX b n_r=(X b n−X b 0)−ΔX b n calc ...(Formula 8)
ΔY b n_r = (Y b n - Y b 0) - ΔY b n calc ... (Formula 9)
最後に、工程8にて、工程5、6、7で得られた補正値を用いて、式10、11、12のようにワーク座標を補正する。ここで、補正後の結果として補正後のワーク座標を(Xwn_correct、Ywn_correct、Zwn_correc)とする。
Xwn_correct=Xwn-ΔXwn-ΔXbn_r・・・(式10)
Ywn_correct=Ywn-ΔYwn-ΔYbn_r・・・(式11)
Zwn_correct=Zwn-ΔZwn・・・(式12)
Finally, in step 8, the workpiece coordinates are corrected as shown in equations 10, 11, and 12 using the correction values obtained in
X w n_ correct =X w n - ΔX w n - ΔX b n_r... (Formula 10)
Y w n_ correct = Y w n - ΔY w n - ΔY b n_r... (Formula 11)
Z w n_ correct = Z w n - ΔZ w n... (Formula 12)
なお、上記では、被検物4のZ軸方向の位置に対する補正値(計測誤差)ΔZwnを、被検物4と基準マーク5のZ軸方向の座標Zbn、Zwnの比の2乗を用いて求めた。しかし、主要部品の姿勢変化以外で発生する誤差やその精度改善効果を考慮し、距離の比の1.5乗以上2.5乗以下の乗数を用いて求めてもよい。
In the above, the correction value (measurement error) ΔZ w n for the position of the
その理由は以下である。例えば、三次元位置計測装置100のZ軸方向の計測範囲を1500~2000mmとし、1500mmの位置で20mmの計測誤差がある場合、Z位置の2乗の誤差を含むと、計測結果は1520mm~2036mmとなり、誤差は最大36mmとなる。
The reason is as follows. For example, if the measurement range of the three-dimensional
ここで、基準マーク5を1500mmに配置して計測し、Z位置が1500mmにおける補正値をZ位置の比の2乗を用いて求めた場合、誤差は0となる。当該補正値をZ位置の1.5乗を用いて求めた場合、補正後の計測結果は1500mm~2005mmであり、誤差は最大でも5mmとなり、比較的誤差を軽減することができる。また、基準マーク5を1500mmに配置して計測し、補正値をZ位置(距離)の比の2.5乗で求めた場合も、誤差を5mmまで軽減することができる。つまり、1.5乗~2.5乗の範囲内であれば、誤差は3割程度以下まで軽減することができる。
Here, when measurement is performed with the
以上により、三次元位置計測装置100は、簡易な基準物を用いて、Z軸方向における位置ごとに計測誤差を精度良く補正することが可能であり、計測精度劣化を低減することができる。
As described above, the three-dimensional
なお、工程8完了後、例えば、順次、別の被検物4を連続して計測する場合、次回の計測では、工程1、2を行わずに、工程3から開始してもよい。これは直前の計測時との温度変化が小さいなどの場合、マーク座標の変化が大きくなく、工程5、6、7の補正値の変化は小さいためである。
Note that, after completion of step 8, for example, when successively measuring another
なお、基準マーク5を1つとして説明したが、2個以上用いてもよい。基準マーク5を2個以上用いる場合は、工程1、工程2で、基準マーク5毎にマーク基準座標、マーク座標を取得する。そして、工程3において、基準マーク5毎のマーク基準座標とマーク座標をそれぞれ平均して、ΔZbnを求めてもよい。
Although the description has been made using one
次に、図7、図8に基づいて、実施例2の三次元位置計測装置100について説明する。図7は、本実施例における計測のフロー図である。まず、実施例1と同様に、工程1、2を実施し、マーク基準座標とマーク座標を取得する。
Next, a three-dimensional
次に、工程3で補正値として、三次元位置計測装置100の位置計測結果の計算に用いる装置のパラメータの内の一つである、プロジェクタ1と撮像部2の光軸の相対角度差である輻輳角RExの変化量ΔRExを求める。図8は、輻輳角RExの変化量を示す図である。輻輳角の変化量ΔRExは、マーク基準座標のZ軸方向の位置Zb0と、マーク座標のZ軸方向の位置Zbnと、プロジェクタ1と撮像部2の基線長Dから求めることができる。ここでは、輻輳角の補正値を説明したが、三次元位置計測装置100からのZ軸方向の距離の比の2乗で誤差が変化する装置のパラメータであれば、プロジェクタ1のパターン生成部や撮像部2の撮像素子のシフト(位置ずれ)を補正項目としても良い。
Next, in
次に、工程4で、被検物4の位置により変化しないX軸方向、Y軸方向の補正値ΔXbn_r、ΔYbn_rを求める。補正値を求める方法は、実施例1の工程7と同様、式6~9のように、マーク座標とマーク基準座標のZ軸方向の変化量と、マーク基準座標とから求めることできる。または、工程3で得られた補正値で補正した三次元位置計測装置100の装置のパラメータを用いて、基準マーク5のマーク座標を再計算し、再計算した基準マーク5のマーク座標とマーク基準座標との差から、補正値ΔXbn_r、ΔYbn_rを求めても良い。
Next, in
次に、工程5で、三次元位置計測装置100の装置のパラメータを工程3、工程4で得られた補正値で補正する。ただし、工程5において、工程4で取得したX、Y補正値で補正せずに、工程6の計算後の結果をX、Y補正値で補正してもよい。
Next, in
最後に、工程6で被検物4を計測して、補正済みの装置のパラメータを用いて、被検物4の位置を計算し、補正後のワーク座標として取得する。
Finally, in
以上により、三次元位置計測装置100は、簡易な基準物を用いて校正が可能であり、計測精度劣化を低減する三次元位置計測装置が実現される。
As described above, the three-dimensional
なお、被検物4を連続して計測する場合、工程6完了後、工程4から開始してもよい。これは直前の計測時との温度変化が小さいなどの場合、マーク座標の変化が大きく変わらず、工程4の補正値の変化は小さいためである。たとえば、直前の計測時との温度差を確認し、任意の温度差などの条件を設け、条件を満足すれば工程4から始めればよい。
In addition, when measuring the
次に、図9、図10に基づいて実施例3の三次元位置計測装置100について説明する。図9は、本実施例における計測方法のフロー図である。本実施例は実施例1とは、図10のように基準マーク5、6、7がZ軸方向の異なる位置に3個配置されている点が異なる。そのため、実施例1の図3のフロー図の工程4とは基準マーク毎に変化量を求める点が異なる。また、工程5のZ軸方向の補正量算出方法が異なる。
Next, a three-dimensional
先ず事前に工程1で、被検物4と基準マーク5の相対位置が正しく計測されている状態にて基準マーク5、6、7を計測し、補正の基準の座標情報として各マーク基準座標を取得する。
First, in
通常、工程1の実施は基準マーク5、6、7を配置した位置から実際にずれた時など、あらかじめ実施した工程1のマーク基準座標からずれてしまったときなどに再実施する。
Normally,
工程2以降が実際の被検物4を計測する場合の運用である。工程2で補正量を算出するために基準マーク5、6、7を計測する。この時、工程1同様、基準マーク毎に各マーク座標を取得する。
次に、工程3で、第1実施例の工程3と同様に被検物4を計測してワーク座標を取得する。なお、被検物4を連続して計測する場合、工程8完了後、工程3から開始してもよい。これは直前の計測時との温度変化が小さいなどの場合、マーク座標の変化が大きく変わらず、補正値の変化量が小さいためである。例えば、直前の計測時との温度差を確認し、任意の温度差などの条件を設け、条件を満足すれば工程3から始めればよい。
Next, in
次に、工程4で基準マーク5、6、7の各基準座標と基準座標のZ軸方向の各変化量ΔZb5、ΔZb6、ΔZb7を求める。
Next, in
次に、工程5で計測対象物4のZ軸方向の補正値ΔZwnを求める。基準マーク5、6、7の三次元位置計測装置100からのZ軸方向の誤差ΔZb5、ΔZb5、ΔZb7は三次元位置計測装置からの各基準マーク5、6、7のZ軸方向の座標Zb5、Zb6、Zb7とすると、式13、式14、式15で表すことができる。
A+B+C=ΔZb5・・・(式13)
A×(Zb6/Zb5)^2+B×(Zb6/Zb5)+C=ΔZb6・・・(式14)
A×(Zb7/Zb5)^2+B×(Zb7/Zb5)+C=ΔZb7・・・(式15)
Next, in
A+B+C=
A×(
A×(
ここで、A、B、Cは基準マーク5での誤差値であり、AはZ軸方向に距離の比の2乗で変化する誤差成分、BはZ軸方向に距離の比で変化する誤差成分、CはZ軸方向に関係なく一律に変化する誤差成分である。
Here, A, B, and C are error values at the
式13、式14、式15より、基準マーク5の誤差値A、B、Cを求め、被検物4のワーク座標から、被検物4の距離の比の2乗で変化する誤差成分と距離の比で変化する誤差成分ZwnA、ZwnBを求める。(式16、式17)
ΔZwnA=A×(Zwn/Zb5)^2・・・(式16)
ΔZwnB=B×(Zwn/Zb5)・・・(式17)
From Equations 13, 14, and 15, the error values A, B, and C of the
ΔZ w n A = A × (Zwn/Z b 5)^2... (Formula 16)
ΔZ w n B = B × (Zwn/Z b 5) (Formula 17)
Cの一律に変化する誤差に関しては、三次元位置計測装置100の全体の位置変化や基準マーク5の配置した位置の変化などの外部要因が考えられる。そのため誤差成分AやBによる誤差より誤差に影響する場合は、被検部物の座標と基準物の座標の相対位置が正しく計測されている状態、たとえば三次元位置計測装置100の位置、姿勢のキャリブレーション校正を実施し、再計測することがのぞましい。
Regarding the error that changes uniformly in C, external factors such as a change in the overall position of the three-dimensional
次に、工程6にて、工程5で算出したZ方向の補正値ΔZwnAとΔZwnBとワーク座標(Xwn、Ywn、Zwn)から、被検物4の位置によって変化する誤差成分を求め補正値ΔXwn、ΔYwnを算出する。(式18、式19)
ΔXwn=(ΔZwnA+ΔZwnB)×(Xwn/Zwn)・・・(式18)
ΔYwn=(ΔZwnA+ΔZwnB)×(Ywn/Zwn)・・・(式19)
Next, in
ΔX w n = (ΔZ w n A + ΔZ w n B ) × (X w n / Z w n) (Formula 18)
ΔY w n = (ΔZ w n A + ΔZ w n B ) × (Y w n / Z w n) (Formula 19)
次に、工程7にて、基準マーク5、6、7毎で被検物4の位置によって変化しないXY補正値をそれぞれ求める。ここでは、工程5で得られた誤差成分A、Bを用いて、工程6と同様に基準マーク5、6、7の位置によって変化するXY誤差成分を求める。基準マーク5、6、7のそれぞれで、位置によって変化するXY誤差成分とマーク座標とマーク基準座標の変化から、実施例1の工程7と同様に、位置によって変化しないXY誤差成分をそれぞれ求め、平均し補正値ΔXbn_r、ΔYbn_rを求める。
Next, in
最後に、工程8にて、工程5、6、7で得られた補正値を用いてワーク座標を補正し、(式20、式21、式22)より、補正後ワーク座標(Xwn_correct、Ywn_correct、Zwn_correc)を算出する。
Xwn_correct=Xwn-ΔXwn-ΔXbn_r・・・(式20)
Ywn_correct=Ywn-ΔYwn-ΔYbn_r・・・(式21)
Zwn_correct=Zwn-(ΔZwnA+ΔZwnB)・・・(式22)
Finally, in step 8, the workpiece coordinates are corrected using the correction values obtained in
X w n_ correct =X w n - ΔX w n - ΔX b n_r... (Formula 20)
Y w n_ correct = Y w n - ΔY w n - ΔY b n_r... (Formula 21)
Z w n_ correct =Z w n-(ΔZ w n A +ΔZ w n B )...(Formula 22)
以上により三次元位置計測装置100は、少ない基準マーク数で位置毎に変化する補正成分を分離し、それぞれの成分の補正量を求める事が可能であるため。実施例1や実施例2よりもさらに計測精度劣化を低減する三次元位置計測装置が実現される。
As described above, the three-dimensional
次に、図11に基づいて実施例4の三次元位置計測装置について説明する。図11は、本実施例における計測方法のフロー図である。実施例3と同様の工程1~2を実施し、各マーク基準座標と各マーク座標を取得する。
Next, a three-dimensional position measuring device according to a fourth embodiment will be described based on FIG. 11. FIG. 11 is a flow diagram of the measurement method in this example.
先ず事前に工程1で、被検物4と基準マーク5の相対位置が正しく計測されている状態(例えば、キャリブレーション校正後)にて基準マーク5、6、7を計測し、補正の基準の座標情報として各マーク基準座標を取得する。通常、工程1の実施は基準マーク5、6、7を配置した位置から実際にずれた時など、あらかじめ実施した工程1の基準マーク元座標からずれてしまったときなどに再実施する。
First, in
工程2以降が実際の被検物4を計測する場合の運用である。工程2で補正量を算出するために基準マーク5、6、7を計測する。この時、工程1同様、基準マーク毎に各マーク座標を取得する。
次に、工程3にて、各マーク基準座標と各基準座標から、三次元位置計測装置100の位置計測の計算に用いる装置のパラメータの補正値を求める。実施例3と同様、基準マーク5の誤差値である、Z軸方向に距離の比の2乗で変化する誤差成分Aと、Z軸方向に距離の比で変化する誤差成分B、Z軸方向に関係なく一律に変化する誤差成分Cを求める。次に、A、Bからそれぞれ装置のパラメータとして補正量を求める。ここでAは距離の比の2乗の比で変化する誤差であり、実施例2と同様に、プロジェクタ1と撮像部2の輻輳角の変化量、プロジェクタ1のパターン生成器や撮像部2の撮像素子のシフト成分として補正値を求める。次に、距離の比に比例する誤差成分Bからプロジェクタ1と撮像部2の基線長の補正値を求める。Cの一律に変化する誤差に関しては、三次元位置計測装置100の全体の位置変化や基準マーク5の配置した位置の変化などの外部要因が考えられる。そのため、誤差成分AやBによる誤差より誤差に影響する場合は、被検部物の座標と基準物の座標の相対位置が正しく計測されている状態、たとえば三次元位置計測装置100の位置、姿勢のキャリブレーション校正を実施し、再計測することがのぞましい。
Next, in
次に、工程4で、被検物4の位置により変化しないXY補正値ΔXbn_r、ΔYbn_rを求める。補正値を求める方法は、実施例3の工程7と同様、各マーク座標各マーク基準座標のZ軸方向の変化量とマーク基準座標から求める。または、工程3で得られた補正値で補正した三次元位置計測装置100の装置のパラメータで基準マーク5、6、7の座標を再計算し、再計算した基準マーク5の座標とマーク基準座標のそれぞれの差を平均し、補正値ΔXbn_r、ΔYbn_rを求めても良い。
Next, in
次に、工程5にて三次元位置計測装置100の装置のパラメータを工程3、工程4の補正値を用いて補正する。工程4で取得したXY補正値を装置のパラメータとしない場合は工程6で計算結果を工程4の補正値で補正する。
Next, in
最後に、工程6にて被検物4を計測して、工程5で補正済みの装置のパラメータを用いて計算を実施し、補正後ワーク座標(Xwn_correct、Ywn_correct、Zwn_correc)を取得する。
Finally, in
以上により三次元位置計測装置100は、少ない基準マーク数で位置毎に変化する補正成分を分離し、それぞれ成分の補正量を求める事が可能であるため。実施例1や実施例2よりもさらに計測精度劣化を低減する三次元位置計測装置が実現される。
As described above, the three-dimensional
なお、本実施形態ではプロジェクタ部でパターンを投影し、1つの撮像部(第1光学系)で撮像する構成とした。しかし、物体を照明するプロジェクタ(第2光学系)に対して異なる方向に設置された複数の撮像部(第1光学系)を配置した構成でも良い。この場合、プロジェクタと各撮像部の組み合わせでそれぞれ補正を行い、計測結果を合成すればよい。また、本実施形態では、パターン投影法を用いた三次元位置計測装置を用いて説明した。しかし、相対的な位置及び姿勢が既知な二台の撮像部(第1光学系、第2光学系)により撮影された画像をもとに三角測量の原理を用いたステレオ法を用いた三次元位置計測装置でも良い。また、本実施形態では(X、Y、Z)座標系で補正したが、原点Aと回転による補正でも良い。 Note that this embodiment has a configuration in which a pattern is projected by a projector section and an image is captured by one imaging section (first optical system). However, a configuration may also be used in which a plurality of imaging units (first optical system) are installed in different directions with respect to a projector (second optical system) that illuminates the object. In this case, each combination of the projector and each imaging section may perform correction, and the measurement results may be combined. Further, in this embodiment, a three-dimensional position measuring device using a pattern projection method is used. However, a three-dimensional method using a stereo method using the principle of triangulation is based on images taken by two imaging units (first optical system, second optical system) whose relative positions and orientations are known. It may also be a position measuring device. Further, in this embodiment, the correction is performed using the (X, Y, Z) coordinate system, but correction may be performed using the origin A and rotation.
<実施形態2>
次に、実施形態2について説明する。実施形態2では、マーク基準座標(第1位置計測値)を求めるための基準マーク5の実際の位置と、マーク座標(第2位置計測値)を求めるための基準マーク5の実際の位置と、が異なる。実施形態1では、マーク基準座標を求めるための基準マーク5の実際の位置とマーク座標を求めるための基準マーク5の実際の位置とを同じにしていたため、実施形態2では、実施形態1と異なり、それらの位置の差を含めて補正を行う必要がある。
<
Next, a second embodiment will be described. In the second embodiment, the actual position of the
図12は、本実施形態における計測、補正を説明する図である。本実施形態では、工程1において、基準マーク5(基準部材)をロボット上に搭載し、ロボットによって所定の位置へ移動して配置し、基準マーク5を計測する。この時、計測されたマーク基準座標5aを(Xb0、Yb0、Zb0)とする。その後、工程2において、基準マーク5の実際の位置が、工程1における基準マーク5の実際の位置とは異なるように、ロボットによって基準マーク5を移動させて配置する。そして、基準マーク5を計測し、マーク座標(Xbn、Ybn、Zbn)を求める。工程1および2において、ロボットの位置制御が高精度に行われれば、配置誤差はほとんどなく、工程1と工程2における基準マーク5の実際の位置の差分(ΔXrn、ΔYrn、ΔZrn)は、ロボットの制御情報から求めることができる。
FIG. 12 is a diagram illustrating measurement and correction in this embodiment. In this embodiment, in
そのため、マーク基準座標5aに対して、マーク基準座標5aとマーク座標5b計測時の上記実際の計測位置の差をオフセットした結果より、マーク座標5bの計測位置と同じ位置でマーク基準座標を計測したものと等価の座標情報を得ることができる。例えば、マーク座標の計測結果に含まれるZ方向の計測誤差(変化量)ΔZbnは、以下の(式23)で表される。
ΔZbn=Zbn-Zb0-ΔZrn・・・(式23)
Therefore, the mark reference coordinates were measured at the same position as the measurement position of the mark coordinates 5b based on the result of offsetting the difference between the above actual measurement positions when measuring the mark reference coordinates 5a and mark coordinates 5b with respect to the
ΔZ b n = Z b n - Z b 0 - ΔZ r n... (Formula 23)
X方向及びY方向の計測誤差についても同様の式で求めることができる。 Measurement errors in the X direction and Y direction can also be determined using similar formulas.
そのため、ロボットの位置座標(マーク位置制御情報)など、基準マーク5の配置の変化を用いれば、マーク基準座標とマーク座標の位置とが異なる場合でも、その差分を考慮して、実施形態1と同様に補正を行うことが可能である。そのため、マーク基準座標とマーク座標の位置とが異なることによって、実施形態1よりも被検物4の設置範囲の制約を緩和することができる。
Therefore, by using changes in the arrangement of the
以上により、三次元位置計測装置100は、基準マーク5の位置を固定しないでも補正が可能なため、実施形態1よりも被検物の設置範囲の制約を緩和した三次元位置計測装置を実現することができる。
As described above, since the three-dimensional
(システム)
三次元位置計測装置100は、被検物4の補正された位置(距離情報)を用いて被検物4の距離、形状や姿勢を算出することができる。三次元位置計測装置100は、例えば、ロボット200と組合せたシステムとして用いられる。図13にシステムを示す。三次元位置計測装置100が算出した被検物4の位置、姿勢を、ロボット制御部201に出力して、ロボット制御部201がその位置、姿勢に基づいて、ロボット200のハンド等の把持部で被検物を把持して移動させるように、ロボット200を制御する。そして、バラ積みされた複数の被検物4のうち1つをロボット200のハンド等で移動させた後、三次元位置計測装置100を用いてバラ積みされた複数の被検物4を計測することを繰り返す。
(system)
The three-dimensional
(物品製造方法)
次に、前述の三次元位置計測装置を用いて、機械部品など物品を製造する製造方法を説明する。まず、機械部品など対象物が複数、バラ積みされた状態で、前述の三次元位置計測装置を用いて対象物を計測し、対象物の位置、姿勢を計測する。そして、ロボット制御部201がその位置、姿勢に基づいて、ロボット200のハンド等の把持部で対象物を把持して移動させるように、ロボット200を制御する。移動された対象物は、他の部品と連結したり、締結したり、他の部品に挿入したりする処理が行われる。また、他の加工工程で加工処理が行われ得る。そして、このような処理がされた対象物を含む物品を製造する。
(Article manufacturing method)
Next, a manufacturing method for manufacturing articles such as mechanical parts using the aforementioned three-dimensional position measuring device will be described. First, with a plurality of objects such as mechanical parts stacked in bulk, the objects are measured using the aforementioned three-dimensional position measuring device, and the positions and orientations of the objects are measured. Based on the position and orientation, the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist.
Claims (20)
三次元計測装置を用いて基準部材を計測した計測結果を用いて、前記三次元計測装置の計測範囲の奥行方向における前記基準部材の第1位置計測値を算出する第1工程と、
前記三次元計測装置を用いて前記基準部材と前記対象物を計測した計測結果を用いて、前記奥行方向における前記基準部材の第2位置計測値と、前記奥行方向及び前記奥行方向に対して直交する直交方向における前記対象物の第1位置を算出する第2工程と、を有し、
前記対象物の第1位置に対して、
前記基準部材の第1位置計測値と第2位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置に応じて異なる大きさの誤差を補正し、
前記基準部材の第1位置計測値と第2位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置によって変化しない前記直交方向における位置の補正値で補正することにより、
前記奥行方向及び前記直交方向における補正後の前記対象物の位置を算出することを特徴とする算出方法。 A calculation method for calculating the position of a target object, the method comprising:
A first step of calculating a first position measurement value of the reference member in a depth direction of a measurement range of the three-dimensional measuring device using a measurement result obtained by measuring the reference member using a three-dimensional measuring device;
Using the measurement results obtained by measuring the reference member and the object using the three-dimensional measuring device, a second position measurement value of the reference member in the depth direction , the depth direction, and a value perpendicular to the depth direction are determined. a second step of calculating a first position of the object in an orthogonal direction ,
With respect to the first position of the object,
Using the first position measurement value and the second position measurement value of the reference member, correcting errors of different sizes depending on the position in the depth direction,
By using the first position measurement value and the second position measurement value of the reference member, correcting with a correction value of the position in the orthogonal direction that does not change depending on the position in the depth direction,
A calculation method, comprising calculating the corrected position of the object in the depth direction and the orthogonal direction .
前記第1位置を前記第1補正値および前記第2補正値を用いて補正する補正工程と、を有し、
前記第1補正値および前記第2補正値のそれぞれは、前記奥行方向における位置に応じて異なる大きさの補正値を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の算出方法。 A first correction value in the depth direction with respect to the first position and a second correction value in the orthogonal direction with respect to the first position are calculated using the first position measurement value and the second position measurement value of the reference member. The process of
a correction step of correcting the first position using the first correction value and the second correction value ,
3. The calculation method according to claim 1 , wherein each of the first correction value and the second correction value includes a correction value of a different size depending on the position in the depth direction.
前記パラメータに対する補正値を用いて前記パラメータを補正して、補正後の前記パラメータと前記対象物を計測した計測結果を用いて前記奥行方向および前記直交方向における前記対象物の位置を算出する工程と、を有し、
前記パラメータは、その値が変化した場合に、前記奥行方向における前記対象物の位置に応じて異なる大きさで前記対象物の位置が奥行方向に変化するパラメータであることを特徴とする請求項1又は2に記載の算出方法。 calculating a correction value for the parameter of the three-dimensional measuring device using the first position measurement value and the second position measurement value of the reference member;
correcting the parameter using a correction value for the parameter, and calculating the position of the object in the depth direction and the orthogonal direction using the corrected parameter and the measurement result of measuring the object; , has
Claim 1, wherein the parameter is a parameter that causes the position of the object to change in the depth direction by a different magnitude depending on the position of the object in the depth direction when the value thereof changes. Or the calculation method described in 2.
前記パラメータは、前記第1光学系と前記第2光学系の輻輳角又は基線長であることを特徴とする請求項7に記載の算出方法。 The three-dimensional measuring device is a measuring device that measures using a first optical system that receives light from the target object and a second optical system that receives light from the target object or illuminates the target object. And,
8. The calculation method according to claim 7, wherein the parameter is a convergence angle or baseline length of the first optical system and the second optical system.
前記パラメータは、前記撮像素子の位置であることを特徴とする請求項7に記載の算出方法。 The three-dimensional measuring device is a measuring device that measures using an image sensor that receives light from the target object,
8. The calculation method according to claim 7, wherein the parameter is a position of the image sensor.
前記投影光学系は、投影するパターン光を生成する生成部を有し、
前記パラメータは、前記生成部の位置であることを特徴とする請求項7に記載の算出方法。 The three-dimensional measuring device is a measuring device that measures using a projection optical system that projects light onto the target object,
The projection optical system includes a generation unit that generates pattern light to be projected,
8. The calculation method according to claim 7, wherein the parameter is a position of the generation unit.
算出された位置に基づいて、前記対象物に対する処理を行うことにより、物品を製造することを特徴とする物品の製造方法。 Calculating the position of the object using the calculation method according to any one of claims 1 to 15 ;
A method for manufacturing an article, characterized in that the article is manufactured by performing processing on the target object based on the calculated position.
三次元計測装置を用いて基準部材を計測した計測結果を用いて、前記三次元計測装置の計測範囲の奥行方向における前記基準部材の第1位置計測値を算出し、
前記三次元計測装置を用いて前記基準部材と前記対象物を計測した計測結果を用いて、前記奥行方向における前記基準部材の第2位置計測値と、前記奥行方向及び前記奥行方向に対して直交する直交方向における前記対象物の第1位置を算出する処理部を有し、
前記処理部は、
前記対象物の第1位置に対して、
前記基準部材の第1位置計測値と第2位置計測値を用い、前記奥行方向における位置に応じて異なる大きさの誤差を補正し、
前記基準部材の第1位置計測値と第2位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置によって変化しない前記直交方向における位置の補正値で補正することにより、
前記奥行方向及び前記直交方向における補正後の前記対象物の位置を算出することを特徴とする情報処理装置。 An information processing device that calculates the position of a target object,
Calculating a first position measurement value of the reference member in the depth direction of the measurement range of the three-dimensional measuring device using a measurement result obtained by measuring the reference member using a three-dimensional measuring device;
Using the measurement results obtained by measuring the reference member and the object using the three-dimensional measuring device, a second position measurement value of the reference member in the depth direction , the depth direction, and a value perpendicular to the depth direction are determined. a processing unit that calculates a first position of the object in an orthogonal direction ,
The processing unit includes:
With respect to the first position of the object,
Using the first position measurement value and the second position measurement value of the reference member, correcting errors of different sizes depending on the position in the depth direction,
By using the first position measurement value and the second position measurement value of the reference member, correcting with a correction value of the position in the orthogonal direction that does not change depending on the position in the depth direction,
An information processing device that calculates a corrected position of the object in the depth direction and the orthogonal direction .
前記三次元計測部による計測データの演算処理を行い、前記対象物の位置を求める、請求項18に記載の情報処理装置と、を有することを特徴とするシステム。 a three-dimensional measurement unit that measures the object;
19. A system comprising: the information processing device according to claim 18 , which calculates the position of the target object by performing arithmetic processing on measurement data by the three-dimensional measurement unit.
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