JPH01205204A - 視覚付きロボットの座標系較正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、視覚付きロボットにおける視覚座標系とロボ
ット座標系との間の座標系較正方式に関するものである
。

〔従来の技術〕

従来、視覚付きロボットにおける視覚座標系とロボット
座標系といった具合に、異なる座標系間での座標系較正
方法としては、特開昭６１−１３１８８７号公報に記載
のように、基準となる認識対象を準備しておき、ロボッ
トを手動で、あるいは遠隔操縦で操作することによって
ロボットの手先基準点をその認識対象と一致させ、その
時の手先の位置を読み取る一方、視覚装置によって同一
認識対象を認識しその位置を算出するようにし、これら
の結果から視覚座標系とロボット座標系とが関連付けさ
れるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来技術にあっては、ロボ・ノドの手先
基準点、即ち、対象物に実際に作用するハンドや工具な
どの特定位置を基準認識対象に導いて一致させる際に誤
差を生じ易く、また、個人差を生じることから、較正作
業の度に座標変換係数の精度が変動することになり、高
精度に、しかも安定に座標変換係数を求め得ないものと
なっている。これに加え較正作業に多くの時間を要して
おり、手先に画像入力手段が備えられている手先視覚付
きロボットに対する座標系較正方式としては不適当なも
のとなっている。

本発明の目的は、高精度に、しかも安定にして座標変換
係数を速やかに求め得る視覚付きロボットの座標系較正
方式を供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、較正に用いる基準認識対象を、動作データ
にもとづきロボットを所定方向に所定量移動させること
で作成し、この作成された基準認識対象の視覚による認
識結果と、ロボットの所定方向への所定移動量との関係
から、異なる座標系間を関連付けることで達成される。

〔作用〕

ロボットを所定方向に所定量移動させて基準認識対象を
形成せしめる場合、その基準認識対象の位置や寸法、方
向は実際のロボット座標系にもとづいたものとなる。よ
って、ロボット構成部材自体の加工誤差や組立誤差等に
起因するロボ・ノド座標系の誤差も含まれており、視覚
認識結果にもとづいてロボットを移動させる際にもその
座標系に沿って移動することから、結果的に座標系の誤
差が相殺されることになるものである。また、ロボット
に動作データを与えロボット自体の動作により較正に必
要とされる動きが実現されるから、作業者による個人差
が排除され、ロボット手先の位置合せ誤差も発生しない
ことになる。更に動作データにもとづきロボットは所定
の動作を自動的に実行することから、頻繁に較正が必要
な場合でも、多くの時間を要することなく容易に較正を
行ない得ることになる。

〔実施例〕

以下、本発明を第１図から第６図により説明する。

先ず本発明に係る視覚付きロボットについて説明すれば
、第２図は一例でのその視覚付きロボットの構成とその
周辺を示したものである。図示の如くロボット１自体の
他に、その周辺にはロボット１の手先部に備えられたツ
ール２や視覚人力装置としてのカメラ３、カメラ３を所
定位置に固定するためのスタンド４、作業対象物５を搬
送するためのコンベア６などが配されたものとなってい
る。更にロボット１自体の動作を制御するロボット制御
装置２１や、カメラ３によって撮像された画像データを
処理する画像認識装置２２が具備されるようになってい
る。因みにロボットｌ自体はベース部７や旋回部８、上
腕部９、前腕部１０、曲げ・ひねりの２自由度を有する
手首部１１などからなる多関節形のものとされているが
、一定収上の自由度をもつものであれば、異なった構成
のものでもロボット１として使用可となっている。

さて、第１図は座標系較正処理が行なわれる際での全体
的な概要フローを示すが、これによる場合先ず基準認識
対象が形成、あるいは作成されるようになっている。基
準認識対象の形成、あるいは作成に際しては、ロボット
ｌはシール（本例では把持機構）２によってコンベア６
傍らのストッカ１３より認識マーク１２ａ〜１２ｃを順
次取り出したうえ、停止状態にあるコンベア６上に所定
に置くようになっている。認識マーク１２ａ〜１２ｃは
円板形状とされているが、これに限ることなくコンペア
ロ上面とコントラストを有する色彩ものであれば任意の
形状、組合せのものでよ（、その高さはカメラ３による
撮影像の拡大率が作業対象物５のそれと同じになるべく
作業対象物５の作業面と同一になっている。

以上のようにして認識マーク１２ａ〜１２ｃはコンベア
６上に載置されるが、その位置はロボットｌに与えられ
た基準データによるようになっている。

本例では認識マーク１２ａは任意基準位置に、また、他
の認識マーク１２ｂ、１２ｃはそれぞれその任意基準位
置からロボット座標系１４のｘ、ｙ軸方向にΔＸ、ΔＹ
だけ離れた所定位置に置かれるようになっている。この
ような動作をロボット１に実行させるための動作制御プ
ログラムの例を第３図に示すが、図中“ＭＯＶＥ”は手
先の移動命令を、また、それに続く“ＰＯＩ”や“ＰＯ
２”などは手先の移動先の点の記号を示している。更に
“ＰＯ１＋　（０゜０、ΔＺ、）ｓなどは移動先の点か
らの、ロボット座標系１４でのｘ、ｙ、ｚ軸方向への手
先の移動する点を示しており、“ＰＯ１＋　（０，Ｏ，
ΔＺυ”に例を採った場合、手先は点ＰＯＩからＺ軸方
向に６７１分だけ移動されることを示すものとなってい
る。更にＣＬＯ３Ｅ″、“０ＰＥＮ”はそれぞれ手先ハ
ンドの閉（把持）、開（解放）命令を示している。

したがって、本例では“Ｐｏｌ”は認識マーク１２ａ〜
１２ｃ取出位置（ストッカ１３の位置）を示しており、
この位置で先ず把持された認識マーク１２ａは“ＰＯ２
＋　（０，０，−Δｚｚ）”でその把持が解かれ、この
後は再び“ＰＯＩ”で把持された認識マーク１２ｂは“
ＰＯ２＋　（ΔＸ、０．−Δ２２）”でその把持が解か
れるようになっている。認識マーク１２Ｃも同様にして
“ＰＯ２＋（０，ΔＹ、−Δｚｚ）”でその把持が解か
れるようになっているものである。

さて、以上のようにしてコンヘア６上に載置された認識
マーク１２ａ〜１２Ｃは、ロボット１の手先が適当な位
置に移動された状態では何れもカメラ３視野内にあって
、カメラ３に定義された視覚座標系１５でそれら位置が
認識可能となっている。第４図は認識マーク１２ａ〜１
２ｃのロボット座標系１４、視覚座標系１５各々での位
置関係を平面的に示したものである。図示のように視覚
座標系１５はロボット座標系Ｉ４の中に位置付けられて
いるが、視覚座標系１５での認識マーク１２ａ〜１２ｃ
の位置を求めることによって、視覚座標系１５とロボッ
ト座標系１４との間の相対的位置関係を規定する座標変
換係数が求められるものである。

先ず視覚座標系１５での認識マーク１２ａ〜１２ｃの位
置は、カメラ３によって撮像された一画面としての認識
マーク１２ａ−１２Ｇの画像を２値化したうえ、画像認
識装置２２で画像処理することによって求められるもの
となっている。２値化画像中に含まれている認識マーク
１２ａ−１２Ｃ各々の輪郭を明部、暗部の境界線として
抽出したうえ、それら輪郭内部について重心位置を求め
ることで、認識マーク１２ａ〜１２Ｃの位置が求められ
るものである。

重心は具体的には輪郭を構成する画素各々についての視
覚座標系１５での座標値を、加算平均することで求めら
れるようになっている。このようにして求められた認識
マーク１２ａ〜１２ｃの視覚座標系１５での位置よりは
認識マーク１２ａ、１２ｂＸ１２ａ。

１２ｃ間の距離と方向とが知れるが、これらがロボット
１の所定方向への所定移動量に対応するところとなるも
のである。即ち、第４図に示すように、矢印で表示され
た線分の長さΔＸ、ΔＹはロボット座標系１４ではロボ
ット１に与えられた所定方向への所定移動量であるが、
認識マーク１２ａ、　１２ｂの中心位置間を結ぶ直線ｐ
ｖはΔＸを視覚で認識した線分であり、同様に認識マー
ク１２ａ、１２ｃの中心位置間を結ぶ直線Ｐ￥もΔＹを
視覚で認識したものとなる。視覚座標系１５ではＰ’、
Ｐ￥はそれぞれＸ、Ｙ軸成分として抽出され、これらと
ΔＸ、ΔＹとの関係より座標系間の関係が求められるも
のである。具体的には、視覚座標系１５での認識マーク
１２ａ〜１２ｃの座標値がロボット制御装置２１に転送
され、ロボット制御装置２１ではロボット移動型ΔＸ、
ΔＹとそれら座標値とを対応させることで、座標変換係
数が求められるものである。

この座標変換係数の求め方について具体的に説明すれば
、Ｐ￥の視覚座標系１５のＸ軸成分をＸ　Ｐ　ｅ　％Ｙ
軸成分をＶＰＹとして、ＸＰ×のロボット座標系１４の
Ｘ１Ｙ軸への写像はそれぞれＸＰ’Ｒ’ＣＯ５α・ＡＸ
Ｘ％　ｘＰ　：　ｓｉｎα・Ａｘｙ、同様に　ｐｖにつ
いていてはｙＰ　’：　−５ｉｎα・Ａｙｘ、ｖＰ　ｅ
　　・Ｃｏｓα・Ａｙｙとして求められる。したがって
、ΔＸのロボット座標系１４でのＸ、Ｙ軸方向への成分
がそれぞれΔＸ、０であることから、以下の関係が成立
する。

ΔＸ＝ｘＰ’；　−ｃｏｓｃｒ　・Ａｘｘ−ｙＰｘ　・
５ｉｎＱ’　・ＡＹＸ・・・・・・・・・　　（１） ０　”’ｘＰ：　−５ｉｎα＋　Ａｘｖ　＋Ｙｐ、　’
Ｃ０５ｌｒ　ｌ　Ａｙｙ・・・・・・・・・　　（２） ここでαは視覚座標系１５がロボット座標系１４に対し
てなす角度（但し、反時計回りを正とする）を、Ａ　Ｘ
Ｘ＋　　Ａ　ＸＶ＋　　Ａ　ＹＸ＋　　Ａ　ｖｖはロボ
ット座標系１４と視覚座標系１５との間のＸ、Ｙ軸の尺
度比を示す係数であり、添字の第１字が視覚座標系１５
の軸を、第２字がロボット座標系１４の軸を示す。

また、上記と同様にしてΔＹの認識結果Ｐ￥についても
以下の関係が成立する。

０　＝Ｘｐ、　　・（Ｑ３α’　ＡＸ＋ｌ　　ｖＰ”３
　　’Ｓｉｎα・Ａｖｘ・・・・・・・・・　　（３） ΔＹ＝、Ｐ３　　・ｓｉｎα・ＡＸｖ＋ｖＰ９　　・ｃ
ｏｓｃｚ　・Ａｖｖ・・・・・・・・・　　（４） よって、式（１）〜（４）より式（５）〜（８）が求め
られる。

更に、視覚座標系１５においてＸ成分とＹ成分との比が
一定であるところから次式（９）が成立する。

Ａ　ｘｘ／　Ａ　ｖｘ　＝　Ａ　ｘｖ／　Ａ　ｖｖ　　
・・・・・・・・・・・・　（９）よって、弐（５）〜
（８）を式（９）に代入することで式ａ［有］が得られ
る。

以上のようにして座標軸間の尺度比となす角度が求めら
れるものである。このような座標変換係数の算出は、ロ
ボット制御装置２１からのロボット移動量にもとづいて
画像認識装置２２にて算出されるようにしてもよい。

次に第５図により他の例について説明する。本例でのも
のはカメラ３′がロボット１′の手先部分に取付されて
おり、ロボット１′の動作に伴いカメラ３′が移動する
ことで視野が変化するようにされた手先視覚付きロボッ
トについてのものである。この場合での座標系間の較正
処理手順は先の場合に同様である。即ち、ロボット１′
に所定の動作を実行させてコンベア６上に認識マーク１
２ａ〜１２ｃを置く手順は先の例に同一であり、そのた
めのロボット１′の制御プログラムとしては第３図に例
示したものを用い得るものとなっている。

以上のようにして認識マーク１２ａ〜１２ｃが所定の位
置に配置された後は、ロボット１′の動作により手先に
取付されたカメラ３′が移動され、カメラ３′は認識マ
ーク１２ａ−１２ｃが視野内にあって認識可能となる位
置に停止されるようになっている。その際、認識マーク
１２ａ−１２ｃの位置は第４図に示すようにカメラ３′
に定義された視覚座標系Ｉ５において表わされることに
なる。本例での場合視覚座標系１５はロボット１′の動
作によってロボット座標系１４の中を移動することにな
るが、ロボ・ノドＩ′へのカメラ３′の取付位置関係は
不変であるので、ロボット手先の現在位置を知ることに
よって、ロボット座標系１４における視覚座標系１５の
原点Ｏｖの座標値は知れることになる。これは、ロボッ
ト１′の動作制御はロボット位置情報を帰還する位置サ
ーボ制御によっているため、その位置帰還情報よりロボ
ット手先の現在位置は容易に知れることになるからであ
る。以下、視覚座標系Ｉ５における認識マーク１２ａ〜
１２ｃの中心位置間距離とその方向、ロボ・ント座標系
１４における口ポット１′の所定移動量から、座標系間
の関係を導くが、この手順は既述の式（１）〜（１０）
によって行なわれるものとなっている。

最後に更に他の例について第６図（ａ）、　（ｂ）によ
り説明すれば、本例においては基準データとしての認識
対象は既述の認識マークとはされず、図示のようにロボ
ット１の手先に備えられた筆記具１７を用い作業対象物
載置面としての基準面１８上に線分１６、あるいは点列
１９，１９’を描くことで形成されるようになっている
。これらの線分１６や点列１９゜１９′を描く動作はロ
ボットｌをプログラムすることにより自動的に実行され
るが、基準面１８上にこれらのパターンを描いた後、カ
メラ３により線分１６の長さと方向、あるいは点列１９
．１９’の間隔とその方向が認識されることによって、
第４図に示すΔＸ、ΔＹを求め得るものとなっている。

本例ではカメラ３はスタンド４に固定されているが、第
５図に示す如くカメラ３をロボット１の手先に取付は先
の例に示すように、基準認識対象を描画後にカメラ３を
適当な位置に移動、停止せしめた後に、カメラ３によっ
て撮像された基準認識対象を認識処理することも可能と
なっている。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、視覚座標系とロボッ
ト座標系との較正に用いる基準認識対象はロボット自体
がロボット座標系に沿って移動することで形成されるた
め、基準にロボット座標系の誤差が含まれており、ロボ
ット座標系に沿ってロボットの位置補正を行なった際に
その誤差が相殺されることになる。また、基準認識対象
にロボヅトの手先基準を一致させる操作が不要とされる
ことから、位置合せ誤差や個人差を排除しつつ座標変換
係数が高精度に、しかも安定にして速やかに求められる
ことになる。更に、基準認識対象の形成はロボットの動
作プログラムの記述によって実行されるため、較正に必
要な動作を自動的に行ない得、手先視覚付きロボットの
ように視野が常に変化し較正を頻繁に行なう必要がある
場合でも有効なものとなっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る座標系較正処理の全体的な概要
フローを示す図、第２図は、本発明に係る視覚付きロボ
ットとその周辺を示す図、第３図は、基準認識対象とし
ての複数の認識マークを所定の方向の位置におくための
ロボット動作制御プログラムの例を示す図、第４図は、
それら認識マークのロボット座標系、視覚座標系各々で
の位置関係を平面的に示す図、第５図は、本発明に係る
他の例での視覚付きロボットとその周辺を示す図、第６
図（ａ）、　（ｂ）は、基準認識対象として、描画され
た線分や点列を用いる場合での視覚付きロボットとその
周辺を示す図である。 １．１′・・・ロボット、３，３′・・・カメラ、１２
ａ〜１２ｃ・・・認識マーク（基準認識対象）、１４・
・・ロボット座標系、１５・・・視覚座標系、１６・・
・線分（基準認識対象）、１７・・・筆記具、１９．１
９’・・・点列（基準認識対象）、２１・・・ロボット
制御装置、２２・・・画像認識装置。 代理人　弁理士　　秋　　本　　正　　実第１図 第　２　図 第３図 イテ１番号　　　命＋ａ８　　　　　　オ多会刃先ｔイ
装置○１　　ＭＯＶＥ　　ＰＯ１ ０２ＣＬＯ８Ｅ ０３　　ＭＯＶＥ　　Ｒ○１＋（○、○、△Ｚ＋）０４
Ｍ○ＶＥ　　ＰＯ２ ０５ＭＯＶ　Ｅ　　　ＲＯ２＋（Ｑ、０１　△Ｚ２）０
６０ＰＥＮ ０７　　ＭＯＶＥ　　ＰＯ２ ０８ＭＯＶＥ　　Ｒ○１＋（○、Ｏ，△Ｚ＋）０９　　
ＭＯＶＥ　　ＲＯｌ １０　ＣＬＯ３Ｅ １１　　ＭＯＶＥ　　ＰＯ１＋（０，０，△Ｚ１）１２
ＭＯＥＰ○２＋（△Ｘ、○、０） １５　　ＭＯＶＥ　　ＰＯ２＋（△Ｘ、ｏ、−△ｚ２）
１４　　　　０ＰＥＮ ＝ 第４図 １２：駁識マーク　　　１４：ロボ゛・・、）嵐標ホ　
１５：視プ梵座憬示第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対象物を撮像したうえ該対象物の位置と姿勢を認識
   する視覚装置における座標系と、上記対象物に作用を施
   すロボットにおける座標系との間の相対的位置関係を較
   正するための座標系較正方式であって、基準データにも
   とづきロボットを所定の方向に所定量移動せしめ基準認
   識対象を形成させた後、該認識対象を視覚装置によって
   認識し、該認識対象についての認識結果とロボットの所
   定方向への所定移動量との関係より視覚装置、ロボット
   各々における座標系を関連付けることを特徴とする視覚
   付きロボットの座標系較正方式。 ２、請求項１において、ロボットの所定方向への移動は
   、該ロボットにおける座標系の座標軸に平行とされる視
   覚付きロボットの座標系較正方式。 ３、請求項１、２の何れかにおいて、視覚装置における
   座標系は該装置がロボットに取付けされた状態で移動さ
   れることによって、ロボットにおける座標系との相対的
   位置関係が可変とされる視覚付きロボットの座標系較正
   方式。 ４、請求項１、２、３の何れかにおいて、基準認識対象
   は所定位置に散在配置された認識マーク部品によって形
   成される視覚付きロボットの座標系較正方式。 ５、請求項１、２、３の何れかにおいて、基準認識対象
   は所定方向に所定長さ描画された線分、あるいは所定位
   置各々に描画された点によって形成される視覚付きロボ
   ットの座標系較正方式。