JP7386531B2 - 対象物の位置および姿勢の計測のためのマーカ、装置およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、マーカを用いて撮像装置によって高精度に対象物の位置および姿勢を計測する技術に関する。

製造現場では、加工対象物を様々な工作機械と産業用ロボットと組み合わせて加工を行っている。工作機械とロボットとを協働させるため、工作機械に較正用マーカを形成し、ロボットのカメラが較正用マーカを撮像することによって、ロボットの座標系と工作機械の座標系との座標変換を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ロボットに形成された較正用マーカを用いる方法では、加工対象物を移動して、離れて配置された工作機械やロボットに加工対象物を受け渡す場合は、移動可能な範囲が狭くなってしまう。

ワークの保持具に姿勢マーカを形成してワークの３次元位置を特定する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１６－１０１６４０号公報 特開２０１７－１４４５３４号公報

本発明の目的は、対象物の位置および姿勢を高精度に計測可能なマーカ、装置およびシステムを提供することである。

本発明の一態様によれば、対象物の表面に設けられ、その対象物の位置および姿勢を計測可能なマーカであって、第１の特徴点を有する第１の面と、上記第１の特徴点から所定の段差を有し、かつ上記第１の面よりも下方にその第１の面と所定の相対姿勢を有して形成された第２の面と、を備え、上記マーカを撮像手段によって撮影した画像における上記第２の面に投影された上記第１の面の影に基づいて上記第１の特徴点に対応する第２の特徴点を求め、上記第１の特徴点および第２の特徴点に基づいて上記対象物の位置および姿勢を計測可能な、上記マーカが提供される。

上記態様によれば、第１の面と、第１の面から所定の段差を有して下方に形成された第２の面を備え、撮像手段によって撮影した画像における第１の面の第１の特徴点と、第２の面に投影された第１の面の影に基づく第２の特徴点とに基づいてマーカが設けられた対象物の位置および姿勢を高精度に計測可能なマーカを提供できる。

本発明の他の態様によれば、対象物の表面に設けられ、上記態様のマーカに光を照射して上記第１の面の影を前記第２の面に形成可能な光照射手段と、上記マーカを撮像する撮像手段と、上記撮像手段によって撮像した上記マーカの画像における上記第２の面に投影された上記第１の面の影に基づいて上記第１の特徴点に対応する第２の特徴点を求め、上記第１の特徴点および第２の特徴点に基づいて上記対象物の位置および姿勢を取得する計測手段と、を備える装置が提供される。

上記他の態様によれば、第１の特徴点を有する第１の面と、第１の面から所定の段差を有して下方に形成された第２の面を備えるマーカを撮像手段によって撮像し、画像における第１の面の第１の特徴点と、光照射手段により光を照射して第２の面に投影された第１の面の影に基づく第２の特徴点とを計測手段により測定および演算することによってマーカが設けられた対象物の位置および姿勢を高精度に計測可能な装置を提供できる。

本発明のその他の態様によれば、対象物の位置および姿勢を計測する方法であって、上記態様のマーカを撮像手段で撮像し、計測手段により取得した第１の画像データから上記第１の特徴点と、その第１の特徴点から前記所定の段差を有する上記第２の面内の第３の特徴点の座標成分を測定する第１の測定ステップと、光照射手段により光を照射して上記撮像手段で上記マーカを撮像し、計測手段により取得した第２の画像データから上記第２の面に投影された上記第１の面の影に基づいて上記第１の特徴点に対応する上記第２の特徴点の座標成分を測定する第２の測定ステップと、計測手段により上記第１および第２の測定ステップで取得した上記第１～第３の特徴点の座標成分に基づいて上記マーカの位置および姿勢の情報を演算により決定するステップと、を含む、上記方法が提供される。

上記その他の態様によれば、第１の特徴点を有する第１の面と、第１の面から所定の段差を有して下方に形成された第２の面を備えるマーカを撮像し、取得した第１の画像データから上記第１の特徴点と、その第１の特徴点から前記所定の段差を有する上記第２の面内の第３の特徴点の座標成分を測定し、光照射手段により光を照射して第２の面に投影された第１の面の影に基づく第２の特徴点の座標成分を測定し、上記第１～第３の特徴点の座標成分に基づいて上記マーカの位置および姿勢の情報を演算により決定することで、マーカが設けられた対象物の位置および姿勢を高精度に計測可能である。

本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測システムを含む工作機械の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るマーカの平面図および断面図である。 本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測システムの原理の説明図１である。 本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測システムの原理の説明図２である。 本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るマーカの変形例である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測システムを含む工作機械の概略構成図である。図１を参照するに、本発明の一実施形態に係る位置・姿勢計測システムを含む工作機械１０は、工作機械フレーム１１と、スピンドル１２と、工具１３と、移動ステージ１４と、加工物１５と、加工物１５の表面に形成されたマーカ１６と、マーカ１６に光を照射する光照射部１８と、マーカ１６を撮像するカメラ１９と、カメラ１９からの画像データを受信して加工物１５の位置・姿勢を計測する計測部２０を有する。工作機械１０は、加工物１５に形成されたマーカ１６をカメラ１９が撮像してその画像データから計測部２０がマーカ１６の位置および姿勢を計測し、マーカ１６の位置および姿勢の情報とマーカ１６と加工物１５との相対的な位置情報から加工物１５の位置および姿勢を決定し、スピンドル１２と移動ステージ１４を制御することによって工具１３によって加工物１５を加工する。

図２は、本発明の一実施形態に係るマーカの模式図であり、（ａ）はマーカに接近して得た俯瞰図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡＡ線の断面図である。図２（ａ）および（ｂ）を参照するに、マーカ１６は、加工物１５の表面１５ａに設けられたキャビティ（凹部）を有する。マーカ１６は、加工物１５の表面１５ａに平面視した形状が多角形、一例として四角形の開口部１６ａを有する。開口部１６ａの一辺の長さは、加工物１５の大きさに応じて適宜選択されるが、例えば１０ｍｍであり、０．０１ｍｍ～１０００ｍｍに設定することが、カメラ１９により開口部１６ａおよびその内部全体を撮像する点で好ましい。

開口部１６ａは、４つの頂点Ｈt₁～Ｈt₄を有する。４つの頂点Ｈt₁～Ｈt₄から特徴点（以下、「表面特徴点」とも称する。）、例えばＨt₁が選択される。

底面１６ｂは、加工物１５の表面１５ａに対して所定の相対姿勢、一例として表面１５ａに対して平行に形成されている。側壁面１６ｃは、開口部１６ａの四角形の各辺から垂直に所定の長さ（段差）Ｄで底面１６ｂまで延在する。段差Ｄは、例えば８ｍｍであり、０．０１ｍｍ～１０００ｍｍに設定することが、底面１６ｂに投影された影をカメラ１９により撮像する点で好ましい。底面１６ｂにおける頂点Ｈb₁～Ｈb₄は、各々開口部１６ａの四角形の頂点Ｈt₁～Ｈt₄に対応する。底面１６ｂにおける頂点のうち、表面特徴点Ｈt₁に対応する特徴点（以下、「底面特徴点」とも称する。）Ｈb₁が選択される。

図３は、本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測システムの概略構成図であり、図３を図１および図２と合わせて参照するに、位置姿勢計測システム１７は、マーカ１６と位置姿勢計測装置２１とを備える。位置姿勢計測装置２１は、マーカ１６に光を照射する光照射部１８と、マーカ１６を撮像するカメラ１９と、カメラ１９によって撮像したマーカ１６の画像データを処理する計測部２０とを有する。計測部２０は、測定部２２と、演算部２３と、制御部２４とを有する。

光照射部１８は、少なくとも一つの光源、例えば、ＬＥＤ光源を有し、カメラ１９のレンズの周囲に配置される。光照射部１８は、例えばレンズの両側に２つの光源が配置され、他には、レンズの周囲の４隅に４つの光源が各々配置される。光照射部１８は、マーカ１６の表面１５ａに配置された特徴点の影が底面１６ｂに形成可能なように配置される。光照射部１８は、制御部２４により点灯および消灯が制御され、光源毎に点灯および消灯が可能である。光照射部１８は、影の輪郭（明暗の境界）が明確になる点で、点光源であることが好ましい。光源は、マーカ１６に対して斜め上方に配置する。光源は、影を底面１６ｂに形成し易くなる点で、開口部１６ａが形成する仮想的な面に対して、１度～８９度さらには１０度～８０度、特に３０度～４５度の角度を有して配置することが好ましい。また、段差Ｄが小さい（浅い）場合に底面１６ｂに影を形成し易くなる点や深さ方向の測定分解能を向上する点で、この角度を小さくすることが好ましい。

カメラ１９は、レンズ、撮像素子、カメラ制御部等からなり、例えば、デジタルビデオカメラ、デジタルスティルカメラ等を用いることができる。レンズ１９ａは単焦点レンズでもよく、ズームレンズでもよい。ズームレンズの場合は、ズームレンズを短焦点側に設定して広角で撮像し、加工物１５に形成されたマーカ１６の位置を特定し、次いで、ズームレンズを長焦点側に設定してマーカ１６の拡大画像を取得してもよい。これにより、短焦点側でマーカ１６の位置を容易に特定でき、長焦点側でマーカ１６に形成された影の輪郭の位置をより正確に取得することができる。

カメラ１９は、マーカ１６の開口部１６ａおよび底面１６ｂをピントが合った画像を撮像できる点で、ピンホールカメラが好ましい。ピンホールカメラは、カメラ本体にピンホールレンズ、またはピンホールフィルタをレンズの前方に装着することで形成できる。カメラ１９は、レンズ１９ａに緑、青、赤等だけを透過する単色透過フィルタを装着してもよい。これにより明暗のコントラストを強調することで、影の輪郭を精度よく測定できる。

測定部２２は、計測部２０に設けられ、カメラ１９で撮像したマーカ１６の画像データから、表面１６ａから選択された表面特徴点Ｈt₁と、底面１６ｂに形成された表面特徴点Ｈt₁の影に基づく投影特徴点と、表面特徴点から垂直に所定の段差Ｄを下降した底面１６ｂにおける底面特徴点Ｈb₁の座標成分とを測定する。ここで測定される座標成分は、カメラ１９の撮像素子と平行な面を形成する座標成分であり、後述するように、例えばｘ座標およびｙ座標である。

演算部２３は、測定部２２により測定された表面特徴点Ｈt₁、投影特徴点、および底面特徴点Ｈb₁の各々の座標成分（例えば、ｘ座標成分およびｙ座標成分）に基づいて、表面特徴点Ｈt₁、投影特徴点、および底面特徴点底面特徴点Ｈb₁の各々の他の座標成分（例えば、ｚ座標）およびマーカ１６の傾きを演算により求めて加工物１５の位置および／または傾きを取得する。

制御部２４は、光照射部１８、カメラ１９、測定部２２、演算部２３および移動ステージ１４の制御を行うことができる。具体的には、制御部２４は、光照射部１８の点灯および消灯、カメラ１９の撮像のタイミング、測定部２２の画像データの受信のタイミング等である。

計測部２０は、パソコンと、パソコンと協働するソフトウェアによって構成することができる。計測部２０は、代替案としては、測定部２２、演算部２３および制御部２４を専用の回路で構成してもよく、パソコンおよびソフトウェアと組み合わせて構成してもよい。計測部２０は、図示しないディスプレイ、キーボード等のユーザインタフェースを備えてもよい。

図４は、本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測システムの原理の説明図１であり、（ａ）はカメラ、光照射部およびマーカの位置関係を示す図であり、（ｂ）は投影された影が形成されたマーカの俯瞰図である。

図４（ａ）を参照するに、説明の便宜のため、鉛直方向をｚ軸、水平方向をｘ軸方向として、ｘｚ平面上に、光照射部１８の一つの光源１８₁、マーカの表面１５ａの頂点（表面特徴点）Ｈt₁、およびカメラ１９のレンズの中心、この例ではピンホールレンズ２５の中心２５ａが配置され、マーカの表面１６ａはｘ軸に対して角度θ_ｘだけ傾いているとする。カメラ素子２６には、ピンホールレンズ２５を通過したマーカ１６の画像が形成され、画像データに変換され、計測部２０に送信される。マーカ１６の左上の光照射部１８の一つの光源１８₁は、制御部２４からの制御信号により点灯する。これにより、マーカの表面１５ａの影が底面１６ｂに形成される。

図４（ｂ）を参照するに、マーカ１６の表面１５ａの特徴点（表面特徴点）をＨt₁とする。表面特徴点Ｈt₁は、辺Ｈt₁－Ｈt₂と辺Ｈt₄－Ｈt₁との交点である。マーカ１６のキャビティの底面１６ｂおよび側壁面１６ｃに影が形成され、影の部分を暗部ＤＳ（ハッチングの部分）、光が直接照射されている部分を明部ＢＳと称する。底面１６ｂにおいて暗部ＤＳと明部ＢＳとの境界のうち、辺Ｋb₁－Ｋb₂は、辺Ｈt₁－Ｈt₂が投影されたものであり、辺Ｋb₄－Ｋb₁は、辺Ｈt₄－Ｈt₁が投影されたものである。辺Ｋb₁－Ｋb₂と辺Ｋb₄－Ｋb₁との交点を特徴点（投影特徴点）Ｋb₁とする。投影特徴点Ｋb₁は、表面特徴点Ｈt₁が投影されたものである。すなわち、光源１８₁と表面特徴点Ｈt₁とを直線（図４（ａ）では一点鎖線で示す。）で結び、表面特徴点Ｈt₁を越えて延ばした底面１６ｂとの交点が投影特徴点Ｋb₁である。表面特徴点Ｈt₁から表面１６ａに対して垂直方向にある底面１６ｂにおける頂点Ｈb₁を底面特徴点とする。

図５は、本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測システムの原理の説明図２である。図５は図４と同一の配置を示している。構成要素および各特徴点はｘｚ平面上にあるとしているので、それらの座標の成分のうち、ｙ座標は省略して（ｘ座標、ｚ座標）と表示する。

図５を参照するに、測定部２２は、画像データから、表面特徴点Ｈt₁、底面特徴点Ｈb₁および投影特徴点Ｋb₁のｘ座標を求める。マーカ１６の表面特徴点Ｈt₁の座標を（Ｈt_1x、Ｈt_1z）、底面特徴点Ｈb₁の座標を（Ｈb_1x、Ｈb_1z）、投影特徴点Ｋb₁の座標を（Ｋb_1x、Ｋb _1z）と表す。表面特徴点Ｈt₁を通るｘ軸に平行な平面ｚ＝Ｈt_1zにおいて、底面特徴点Ｈb₁は、ピンホールレンズ２５のレンズ中心２５ａから視た場合、平面ｚ＝Ｈt_1zとの交点Ｐ_Ｈbの位置になるので、画像データでは座標が（Ｈb_1x、Ｈt_1z）と表すことができる。同様に、投影特徴点Ｋb₁は、平面ｚ＝Ｈt_1zとの交点Ｐ_Ｋbの位置になるので、画像データでは座標が（Ｋb_1x、Ｈt_1z）と表すことができる。このようにして、測定部２２は、表面特徴点Ｈt₁のｘ座標Ｈt_1x、底面特徴点Ｈb₁のｘ座標Ｈb_1xおよび投影特徴点Ｋb₁のｘ座標Ｋb_1xを画像データから求める。

演算部２３は、測定部２２により求めた表面特徴点Ｈt₁、底面特徴点Ｈb₁および投影特徴点Ｋb₁の各々のｘ座標Ｈt_1x、Ｈb_1xおよびＫb_1xと、予め設定された光源１８₁の座標（Ｓ_1x，Ｓ_1z）およびマーカの段差Ｄと用いて、画像データから、幾何学的関係から得られる連立方程式（下記式（１）～（３））により、表面特徴点Ｈt₁のｚ座標Ｈt_1z、マーカの傾きθ_ｘおよびｘｚ平面上の影の長さ＜Ｋb_1x＞を求めて、マーカ１６の位置および傾きを取得する。
（Ｈt_1z－Ｓ_1z）（＜Ｋb_1x＞cosθ_ｘ―Ｖ_1x―Ｄcosθ_ｘ）＝Ｄcosθ_ｘ（Ｓ_1x－Ｈt_1x） …（１）
Ｈt_1z（＜Ｋb_1x＞cosθ_ｘ＋Ｖ’_1x）＝（Ｈb_1x－Ｋ_b1x）（Ｈt_1z＋Ｄcosθ_ｘ） …（２）
（Ｈt_1x－Ｋb_1x）＜Ｋb_1x＞sinθ_ｘ＝（Ｖ_1x＋Ｖ’_1x）（＜Ｋb_1x＞sinθ_ｘ＋Ｄcosθ_ｘ）…（３）

式（１）は、光源１８₁、表面特徴点Ｈt₁および底面特徴点Ｈb₁の位置から相似三角形の関係から得られた式である。式（２）は、ピンホールレンズ２５のレンズ中心２５ａおよび底面特徴点Ｈb₁の位置から相似三角形の関係から得られた式である。式（３）は、投影特徴点Ｋb₁および表面特徴点Ｈt₁の位置から相似三角形の関係から得られた式である。

式（１）～（３）に含まれるＶ_1xおよびＶ’_1xは以下の通りである。表面特徴点Ｈt₁が、光源１８₁によって底面特徴点Ｈb₁を通るｘ軸に平行な平面ｚ＝Ｈb_1zに投影された点Ｐ_Aは、投影特徴点Ｋb₁のｘ座標Ｋ_b1xに対してＶ_1xだけずれる。また、投影特徴点Ｋb₁は、ピンホールレンズ２５のレンズ中心２５ａから視た場合、平面ｚ＝Ｈb_1zでは点Ｐ_Bの位置にあり、投影特徴点Ｋb₁のｘ座標Ｋ_b1xに対してＶ’_1xだけずれる。これらのずれＶ_1x、Ｖ’_1xは、幾何学的な関係により、以下の式（４）で表すことができる。

上記式（１）～（３）は、解析的に解くことができるが、演算部２３により、数値計算、例えばニュートン法によって表面特徴点Ｈt₁のｚ座標Ｈt_1z、マーカの傾きθ_ｘおよびｘｚ平面上の影の長さ＜Ｋb_1x＞を求める。

なお、マーカ１６がｙ軸に対しても傾いている場合は、測定部２２が画像データから、表面特徴点Ｈt₁、底面特徴点Ｈb₁および投影特徴点Ｋb₁の各々のｘ座標およびｙ座標を測定し、演算部２３がｙ座標を考慮した式（１）～（３）を用いることで、マーカ１６の位置および傾きを取得する。

以上により、マーカ１６の位置および姿勢を計測できる。さらにマーカ１６と加工物１５との位置関係の情報を予め３次元計測機等で取得し計測部２０に設定しておくことで、加工物１５の位置および姿勢を高精度に決定することができる。

本実施形態に係るマーカ１６によれば、マーカ１６は、加工物１５の表面１５ａに形成された開口部１６ａと、表面１５ａから所定の段差Ｄを有する底面１６ｂとを有する。表面１５ａにおける表面特徴点Ｈt₁と、底面１６ｂに投影された表面１５ａの影の表面特徴点Ｈt₁に対応する投影特徴点Ｋb₁とを撮像した画像から測定および演算によりマーカ１６の位置および姿勢を高精度に計測でき、それによって、加工物１５の位置および姿勢を高精度に決定することができる。

本実施形態に係る位置姿勢計測装置２１によれば、加工物１５の表面１５ａに形成されたマーカ１６の表面特徴点Ｈt₁と、底面１６ｂに投影された表面１５ａの影の表面特徴点Ｈt₁に対応する投影特徴点Ｋb₁とをカメラ１９によって撮像し、計測部２０により取得した画像における表面特徴点Ｈt₁と光照射手段により光を照射して底面１６ｂに投影された表面１５ａの影に基づく投影特徴点Ｋb₁との座標成分を測定および演算することによって、マーカ１６が設けられた加工物１５の位置および姿勢を高精度に計測可能できる。

図６は、本発明の一実施形態に係る位置姿勢計測方法を示すフローチャートである。図６を図１、図２、図４および図５を合わせて参照しつつ、本発明の一実施形態に係る位置・姿勢計測方法を説明する。

最初に、Ｓ１００では、カメラ１９および光照射部１８の光源の座標データを設定する。
具体的には、計測部２０は、カメラ１９のピンホールレンズ２５のレンズ中心２５ａの座標および光照射部１８の光源１８₁～１８₄の各座標を設定して、例えばメモリ（不図示）に格納する。この例では、レンズ中心２５ａを原点として光源１８₁のｘおよびｚ座標成分を設定する。設定されたデータは、例えば、計測部２０のメモリに格納する。

次いで、Ｓ１１０では、マーカの表面と底面との段差を設定する。具体的には、計測部２０は、マーカ１６の表面１５ａから底面１６ｂの段差Ｄを設定して、例えばメモリ（不図示）に格納する。

Ｓ１２０では、カメラでマーカを撮像し、画像データから表面特徴点および底面特徴点の座標成分を測定する。具体的には、制御部２４によりカメラ１９でマーカ１６を撮像する。制御部２４は、光源Ｓ₁～Ｓ₄の一部または全て点灯してもよい。測定部２２は、撮像した画像データからマーカ１６の表面特徴点Ｈt₁および表面特徴点から段差Ｄだけ底面１６ｂに下りた位置の底面特徴点Ｈb₁の各ｘ座標Ｈt_1x、Ｈb_1xを測定データとして取得する。

Ｓ１３０では、光源を点灯してカメラでマーカを撮像し、画像データから底面に投影されたマーカの表面の形状の影に基づいて投影特徴点の座標成分を測定する。具体的には、制御部２４により光源Ｓ₁を点灯してマーカ１６の底面に表面１５ａの影を投影しカメラ１９でマーカ１６を撮像する。撮像した画像データから投影特徴点Ｋb₁のｘ座標Ｋb_1xを測定データとして取得する。

Ｓ１４０では、設定データおよび測定データから演算によりマーカの位置および姿勢の情報を取得する。具体的には、演算部２３により、Ｓ１００およびＳ１１０における設定した光源１８₁の座標（Ｓ_1x，Ｓ_1z）およびマーカの段差Ｄと、Ｓ１２０およびＳ１３０において測定した表面特徴点Ｈt₁、底面特徴点Ｈb₁および投影特徴点Ｋb₁の各々のｘ座標Ｈt_1x、Ｈb_1xおよびＫb_1xとを用いて、画像データから、幾何学的関係から得られる連立方程式（上記式（１）～（３））を数値計算、例えばニュートン法により、表面特徴点Ｈt₁のｚ座標Ｈt_1z、マーカの傾きθ_ｘおよびｘｚ平面上の影の長さ＜Ｋb_1x＞を求め、マーカ１６の表面特徴点Ｈt₁の座標および姿勢θxを決定する。

Ｓ１５０では、マーカの位置および姿勢の情報から加工物の位置および姿勢を決定する。具体的には、演算部２３により、Ｓ１４０で決定したマーカ１６の表面特徴点Ｈt₁の座標および姿勢θxから、マーカ１６と加工物１５との位置関係の情報により加工物１５の位置および姿勢を決定する。なお、マーカと加工物との位置関係の情報は、予め計測部２０に設定する。

Ｓ１００～Ｓ１５０によって、加工物に形成されたマーカを用いて加工物の位置および姿勢が計測される。なお、Ｓ１００とＳ１１０とは同時に行ってもよく、Ｓ１１０を先に行ってもよい。Ｓ１２０とＳ１３０とは同時に行ってもよく、Ｓ１３０を先に行ってもよい。

本実施形態に係る位置姿勢計測方法によれば、マーカ１６を撮像し、取得した画像データから表面特徴点Ｈt₁と、表面特徴点Ｈt₁から所定の段差Ｄを有する底面１６ｂの底面特徴点Ｈb₁の座標成分を測定し、光源Ｓ₁により光を照射して底面１６ｂに投影された表面１５ａの影に基づく投影特徴点Ｋb₁の座標成分を測定し、表面特徴点Ｈt₁、底面特徴点Ｈb₁および投影特徴点Ｋb₁の座標成分に基づいてマーカ１６の位置および姿勢の情報を演算により決定することで、マーカ１６が設けられた加工物１５の位置および姿勢を高精度に計測可能である。

図７は、本発明の一実施形態に係るマーカの変形例であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は光源を点灯して底面に影を投影した図である。説明の便宜のため、先の図２に示したマーカ１６と異なる点を説明する。図７（ａ）を参照するに、マーカ１１６は、加工物１５の表面１５ａに平面視した形状が概して多角形、一例として四角形であり、アール形状の角部Ｒt₁～Ｒt₄と辺Ｓt₁～Ｓt₄からなる開口部１１６ａを有する。マーカ１１６の底面１１６ｂは、開口部１１６ａと同一形状を有し、アール形状の角部Ｒb₁～Ｒb₄と辺Ｓbt₁～Ｓb₄からなる形状を有する。

開口部１１６ａの角部、例えばＲt₁では、仮想的な頂点Ｈ’t₁を、角部Ｒt₁を挟む辺Ｓt1とＳt4を延長した交点とすることができる。底面１１６ｂでも同様に、仮想的な頂点Ｈ’b₁を、角部Ｒb₁を挟む辺Ｓb1とＳb4を延長した交点とすることができる。このようにして仮想的な頂点Ｈ’t₁およびＨ’b₁を求めることで、それぞれ表面特徴点Ｈ’t₁および底面特徴点Ｈ’b₁とすることができる。

図７（ｂ）を（ａ）と合わせて参照するに、光源１８₁を点灯してマーカ１１６に光を照射すると、表面の辺の影（暗部ＤＳ（ハッチング部分））が底面１１６ｂに投影される。暗部ＤＳと明部ＢＳとの境界、すなわち影の輪郭は辺Ｋs1およびＫs4とアール部を有する。アール部は、角部Ｒt₁が投影されたものである。辺Ｋs1と辺Ｋs4とを延長した交点をＫ’b₁とする。交点Ｋ’b₁は、仮想的には表面特徴点Ｈ’t₁が光源１８₁によって投影されたものであり、仮想的な投影特徴点Ｋ’b₁とすることができる。

したがって、マーカ１１６は、マーカ１６と同様の機能を有し、本発明の一実施形態に係る位置・姿勢計測システムのマーカとして機能することができる。また、本発明の一実施形態に係る位置・姿勢計測方法のマーカとして使用できる。

上記の説明では、マーカ１６、１１６は、底面１６ｂ、１１６ｂの形状が表面１５ａにおける開口部１６ａ、１１６ａの形状と四角形状で同一であるとした。底面１６ｂ、１１６ｂの形状は、開口部１６ａ、１１６ａの形状と異なってもよい。この場合でも、表面１５ａから底面１６ｂ、１１６ｂの段差Ｄは同一であるため、投影特徴点Ｋb₁の位置は、底面１６ｂ、１１６ｂが四角形状の場合と同様であり、上記式（１）～（５）を適用することができる。

上記の説明では、マーカ１６、１１６は、底面１６ｂ、１１６ｂの表面１５ａに対する相対姿勢が平行であるとした。底面１６ｂ、１１６ｂは、表面１５ａに対して平行以外の相対姿勢であってもよい。底面の相対姿勢のオフセット分だけ投影特徴点Ｋb₁の位置が平行の場合と異なるが、上記式（１）～（５）の＜Ｋb_1x＞をオフセット分だけ補償すればよい。オフセット分は予めマーカを３次元測定器で測定して計測部２０に設定しておけばよい。

上記の説明では、マーカ１６、１１６は、加工物１５の表面１５ａに設けられたキャビティ（凹部）として説明した。マーカは、加工物１５の表面１５ａに設けられた突起体（凸部）であってもよい。突起体は、天面の形状がマーカ１６、１１６の開口部１６ａ、１１６ａと同様の形状である。この場合、表面特徴点Ｈt₁は突起体の天面の頂点または仮想的な頂点から選択される。表面特徴点の影は加工物１５の表面１５ａに投影され、投影特徴点Ｋb₁は、表面１５ａに形成される。加工物１５の表面１５ａは、投影特徴点Ｋb₁が形成される程度に広ければよい。これにより、突起体のマーカは、上記式（１）～（５）を適用することで、マーカ１６，１１６と同様の機能を有し、本発明の一実施形態に係る位置・姿勢計測システムのマーカとして機能することができる。

マーカ１６、１１６は、その表面１５ａ、底面１６ｂ、天面に、マーカ１６、１１６を形成した加工物１５の識別情報、属性情報等、例えば仕様番号、製造ロット番号等を表示してもよい。カメラ１９により撮像してその画像を計測部２０によって認識し、加工物１５を管理する。これにより、加工物１５の位置および姿勢の情報と識別情報、属性情報等を同時に取得して、生産管理が容易となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、マーカ１６、１１６は、加工物１５を固定する治具に形成してもよい。これにより、加工物１５と治具との相対位置および相対姿勢の情報を予め設定することで、この情報を介して、本実施形態に係る位置姿勢計測装置２１および位置姿勢計測方法によってマーカ１６の位置および姿勢の情報から加工物の位置および姿勢を決定することができる。

また、本実施形態に係るマーカ１６，１１６を有する加工物１５または治具は、マーカ１６，１１６によって加工物１５または治具の位置および姿勢を特定することが可能であるので、工作機械とロボット間で加工物１５の受渡しを行うことができる。

加工物１５が図１に示したような移動ステージ１４や自走型搬送車（ＡＧＶ）に載置され、工場内の多数の工作機械により加工される場合にも本実施形態に係るマーカ１６，１１６、位置姿勢計測装置２１および位置姿勢計測方法を適用可能である。

１０ 工作機械
１４ 移動ステージ
１５ 加工物
１６，１１６ マーカ
１７ 位置姿勢計測システム
１８ 光照射部
１９ カメラ
２０ 計測部
２１ 位置姿勢計測装置
２２ 測定部
２３ 演算部
２４ 制御部

Claims (13)

1. 対象物の表面に設けられ、該対象物の位置および姿勢を計測可能なマーカであって、
   第１の特徴点を有する第１の面と、
   前記第１の特徴点から所定の段差を有し、かつ前記第１の面よりも下方に該第１の面と所定の相対姿勢を有して形成された第２の面と、を備え、
   当該マーカを撮像手段によって撮影した画像における前記第２の面に投影された前記第１の面の影に基づいて前記第１の特徴点に対応する第２の特徴点を求め、前記第１の特徴点および第２の特徴点に基づいて前記対象物の位置および姿勢を計測可能な、前記マーカ。
2. 当該マーカは、前記対象物の表面に開口部を有する凹部であり、前記第１の面が該表面であり、前記第２の面が該凹部の底面である、請求項１記載のマーカ。
3. 前記開口部が多角形であり、前記第１の特徴点が該多角形の頂点である、請求項２記載のマーカ。
4. 前記開口部がアール形状を有する多角形であり、前記第１の特徴点が該多角形の仮想的な頂点である、請求項２記載のマーカ。
5. 当該マーカは、前記対象物の表面に形成された突起体であり、前記第１の面が該突起体の天面であり、前記第２の面が該表面である、請求項１記載のマーカ。
6. 前記天面の外形が多角形であり、前記第１の特徴点が該多角形の頂点である、請求項５記載のマーカ。
7. 前記天面の外形がアール形状を有する多角形であり、前記第１の特徴点が該多角形の仮想的な頂点である、請求項５記載のマーカ。
8. 対象物の表面に設けられ、請求項１～７のうちいずれか一項に記載のマーカに光を照射して前記第１の面の影を前記第２の面に形成可能な光照射手段と、
   前記マーカを撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段によって撮像した前記マーカの画像における前記第２の面に投影された前記第１の面の影に基づいて前記第１の特徴点に対応する第２の特徴点を求め、前記第１の特徴点および第２の特徴点に基づいて前記対象物の位置および姿勢を取得する計測手段と、
   を備える装置。
9. 前記計測手段は、
   前記撮像した前記マーカの画像から、前記第１の特徴点と、前記第２の面に投影された前記第１の面の影に基づく前記第１の特徴点に対応する第２の特徴点と、前記第１の特徴点から前記所定の段差を有する前記第２の面内の第３の特徴点との画像上の座標成分を測定する測定部と、
   前記測定部により測定された前記第１～第３の特徴点の各々の座標成分に基づいて、前記第１～第３の特徴点の各々の他の座標成分を演算により求めて前記対象物の位置および姿勢を取得する演算部と、を有する、請求項８記載の装置。
10. 前記撮像手段は、前記対象物から離隔して広角で撮像して前記マーカの位置を検出し、該マーカを拡大して撮像可能な、請求項８または９記載の装置。
11. 対象物の表面に形成された、請求項１～７のうちいずれか一項に記載のマーカと、
    請求項８～１０のうちいずれか一項に記載の装置と、
    を備えるシステム。
12. 請求項１１に記載のシステムにより対象物の位置および姿勢を計測する方法であって、
    請求項１～７のうちいずれか一項に記載のマーカを撮像手段で撮像し、計測手段により取得した第１の画像データから前記第１の特徴点と、該第１の特徴点から前記所定の段差を有する前記第２の面内の第３の特徴点の座標成分を測定する第１の測定ステップと、
    光照射手段により光を照射して前記撮像手段で前記マーカを撮像し、前記計測手段により取得した第２の画像データから前記第２の面に投影された前記第１の面の影に基づいて前記第１の特徴点に対応する前記第２の特徴点の座標成分を測定する第２の測定ステップと、
    前記計測手段により前記第１および第２の測定ステップで取得した前記第１～第３の特徴点の座標成分に基づいて前記マーカの位置および姿勢の情報を演算により決定するステップと、
    を含む、前記方法。
13. 前記計測手段により、前記演算により決定するステップにおいて、前記所定の段差と前記光照射手段の座標成分を用いて演算を行う、請求項１２記載の方法。
    
    

Images