JPH02194302A - 視覚ロボットの座標系校正方法およびその方法に用いる座標系校正用変位計測装置 - 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〉 この発明は、視覚を構成するカメラがロボットアームに
一体に設けられた視覚ロボットに関連し、殊にこの発明
は、ロボットアームの空間位置を表ずロボット座標系１
　ｏボットアームに一体に設けられたカメラの画像」二
の位置を表すカメラ座標系との相対関係を示す座標校正
用パラメータを求めて、視覚ロボットの座標系を校正す
るだめの座標系校正方法およびその方法に用いる座標系
校正用の変位計測装置に関する。

〈従来の技術〉 従来の視覚ロボットは、第５図に示ず如く、ヘース１と
、ベース１上に軸支されたＸ軸方向に往復移行するＸ軸
アーム２と、このＸ軸アーム２に軸支されたＹ軸および
Ｘ軸方向に往復移行するＹＺ軸ファーム３、このＹＺ軸
ファーム３軸支されたＺ軸まわりに回転する回転軸４と
を備えたものであり、前記ＹＺ軸ファームにば２次元認
識用のカメラ５が一体に固定されている。このカメラ５
には画像処理装置６が接続してあり、カメラ５で得た画
像を処理してその画像の特徴量を算出する。画像処理袋
Ｗ６はロボットコントローラ７に接続され、このロボッ
トコントローラ７は画像処理装置６からの情報に基づき
Ｘ軸アーム２．ＹＺ軸アーム３１回転軸４の各動作を制
御して、ロボットに所定の仕事を実ｊテさせる。

このようにカメラ５からの情報をもとにロボットを動作
させるδこは、第６図に示す如く、ロボットアームの空
間位置を表すロボット座標系ａと、カメラ５の画像上の
位置を表すカメラ座標系Ｃとの相対関係を示す座標校正
用パラメータとして、スケール比ｆ、カメラ座標系Ｃの
傾き角度Ｑｖ、カメラ取付アーム座標系ａ′に対するカ
メラ座標系Ｃの原点のオフセット値ＸｖＹｖを計測する
必要がある。なおロボット座標系ａとカメラ取付アーム
座標系ａ′との関係は既知である。

これらのパラメータを計測するのに、従来は、第５図に
示すような座標系校正用治具８が用いられる。同図の治
具８は、表面に３個の円形穴９が開［コされた板状部材
１０と、各円形穴９に挿入される認識対象となる円柱部
材１１と、ロボットアームの手先（回転軸４の先端）に
取り付けられる取付部材１２とから成るもので、取付部
材１２は前記円形穴９に嵌まる円柱部分１３を備えてい
る。前記板状部材１０はその表面が黒色であり、また円
柱部材１１はその端面が白色であって、両者間のコント
ラストが強調されている。

この治具８を用いて座標校正用パラメータを求めるには
、各円形穴９に円柱部材１１を挿入した上で板状部材１
０をロボットの作業領域に固定する。ついですべての円
柱部材１１の円形端面がカメラ５の同一視野内に入るよ
うに各アーム２．３を動作させてロボ・ントを位置決め
し、そのときのロボット座標値と、各円柱部材１１の円
形端面の画像上の中心位置座標（カメラ座標（ｉｆｆ）
とを計測する。

つぎに各円柱部材１１を板状部材１０の各円形穴９より
取り除いた後、回転軸４先端の取付部材１２の円柱部分
１３を各円形穴９へ順次挿入して行く。そしてそれぞれ
挿入位置でのロボット座標値を計測し、最後に前記同一
視野内のこれら３点のカメラ座標値と、取付部材１２の
挿入動作により各点にロボットアームの手先を位置決め
した際のロボット座標値とから座標系校正用パラメータ
を計算するものである。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながらこのような方法では、カメラ５の同一視野
内に３個の円柱部材１１の円形端面をすべて含ませる必
要があるため、視野が狭くなったときには、この方法を
実施するのが困難となる。すなわち視野口が例えば５０
ｍ１１のときには円形穴９は直径１０ｍｍ程度に設定で
きるが、視野口が５髄になると、′円形穴９の直径は１
　ｍｍとなって、取付部材１２の嵌め合いが困難となる
のである。また固定された板状部材１０に取何部材１２
を位置決めするから、位置決め時に治具８やロボットア
ームが弾性によって変形し、計測精度が低下するという
問題もある。

この発明は、上記問題に着目してなされたもので、座標
系校正用パラメータを第１〜第３の各３１測工程を経て
算出することにより、視野が狭くても高精度にパラメー
タを計測し得る新規な視覚ロボントの座標系校正方法を
提供することを目的とする。

またこの発明が他に目的とするところは、この視覚ロボ
ットの座標系校正方法を実施するに必要な新規構成の変
位計測装置を提供する点にある。

〈問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、この発明では、ロボットアー
ムの空間位置を表すロボット座標系とロボットアームに
一体に設けられたカメラの画像」二の位置を表すカメラ
座標系との相対関係を示す座標校正用バラメークを求め
て、視覚ロボットの座標系を校正するのに、所定の標識
がカメラの視野内に入った状態での標識のカメラ座標値
とそのときのロボット座標値とを計測する第１の計測工
程と、前記標識がカメラの視野より外れない範囲で視覚
ロボットを移行させたときの標識のカメラ座標値とその
ときのロボット座標値とを計測する第２の計測工程と、
ロボットアームの手先が標識上に設定された変位測定装
置の計測領域へ入るよう視覚ロボットを移行させたとき
のロボット座標値と前記手先の計測領域内の位置とを計
測する第３の計測工程と、各計測工程で得た計測データ
より座標系校正用パラメータを算出する演算工程とを一
連に実施することにしている。

またこの発明では、この座標系校正方法を具体的に実施
するのに、ロボットアームの手先へ固定される計測用ブ
ロックと、視覚ロボットの作業領域に固定される計測ベ
ースと、計測ベース上に配備される標識と、標識上に前
記計測用プロツタが位置決めされた状態を基準としてそ
の基準位置に対する計測用ブロックの位置ずれ量を非接
触で計測するレーザ変位計とから成る座標系校正用変位
計測装置を用いるようにしている。

〈作用〉 第１〜第３の各計測工程において、カメラの同−視野内
に複数の認識対象（標識）を含ませる必要がないので、
視野が狭くなっても、この方法を実施することが可能で
ある。そしてひとつの標識を用意すればよく、しかもそ
の標識にロボットアームの手先を位置決めするのに、正
確な位置決めを必要としないので、作業が容易であり、
さらに位置決めに際してロボットアームの手先部を固定
しないので、計測精度が向上する。

また第３の計測工程を実施するに際して、請求項（２）
に記載の変位計測装置を用いると、非接触でロボットア
ームの手先の位置を計測でき、計測作業を一層容易化し
得、かつ計測精度を向上できる。

〈実施例〉 第１図は、この発明の座標系校正方法が適用される視覚
ロボット２０と、この方法の実施に用いられる変位計測
装置２１とを示している。

この視覚ロボット２０は、前述の従来例と同様の構成で
あって、ベース１、Ｘ軸アーム２、ＹＺ軸アーム３、回
転軸４．２次元認識用のカメラ５などを具備すると共に
、この視覚ロボット２０に図示しない画像処理装置やロ
ボントコントローラが接続されている。

前記カメラ５からの情報をもとにロポン１−を動作させ
るには、ロボット座標系とカメラ座標系との相対関係を
示す座標校正用パラメータを計測する必要があり、この
発明の場合は、後記する第１〜第３の計測工程を実施し
て所定の計測データを得た後、つぎに演算工程でこれら
計測データを用いて座標系校正用パラメータを算出して
いる。

前記変位計測装置２Ｉは、ロボットアームの手先がその
計測領域内のどこに位置するかを計測するためのもので
、計測用ブロック２２．計測・＼−ス２３．認識パター
ン２４．レーザ変位計２５などから構成される。

前記耐測用ブロンク２２は、直方体形状をなし２、ロボ
ットアームの手先、すなわち回転軸４の先端に固定され
る。計測ベース２３は視覚ロボット２０の作業領域に固
定されるもので、この計測ベース２３の上面には認識パ
ターン２４と、レーザ変位計２５を構成する３個の変位
計ヘッド部２６ａ〜２６ｃとが配備しである。

認、識パターン２４は、矩形状をなす板状部材２７の中
央位置に矩形孔より成る標識２８が形成されたもので、
計測ベース２３の表面を白色に、また板状部材２７の表
面を黒色に、それぞれ設定して、両者間のコンＩ・ラス
トが強調しである。

変位計ヘッド部２６ａ〜２６ｃは、図示しない変位計−
１ントローラに接続されるもので、このうち２個が視覚
ロボット２０と対向する位置に、他の１個がその直交位
置に、それぞれ設置しである。これら変位計へンド部２
６ａ〜２６ｃは、前記標識２８の真上に前記計測用ブロ
ツク２２が位置決めされたときの変位量が基準となるよ
うに設定されており、この基準からすれた位置に計測用
ブロック２２が位置決めされた場合には、その基準値と
の差を計測できるようになっている。

第２図は、この発明にかかる視覚ロボット２０の座標系
校正方法の手順を示しでいる。

同図のステップ１　（図中ｒｓＴＩＪで示す）において
、まず計測ベース２３をロボットの作業領域内に固定し
た後、つぎのステップ２で前記標識２８がカメラ５の視
野内に入るよう視覚ロボット２０の各アーム２，３を動
作させる。そしてステップ３でこのときのロボット座標
値Ｐ、、Ｉ（ＸｒＩ、ＹｒＩ）と標識２８のカメラ座標
値ＰＣ，（Ｘｃｌ、　ＹｃＩ）とを計測して、これら計
測値を第１のデータ対とする。つぎにステップ４で標識
２８がカメラ５の視野から外れない程度に視覚ロボット
２０を動作させた後、ステップ５でそのときのロボット
座標値Ｐｒ２（Ｘｒ２Ｙｒ２）と標識２日のカメラ座標
値ｐｃｚ（ｘｅｚ。

ｙ　ｃ２　）とを計測し、これら計測値を第２のデータ
対とする。

さらにつぎのステップ６で計測用ブロック２２がレーザ
変位計２５の計測領域に入るよう視覚ロボット２０を動
作させた後、ステップ７でそのときのロボン）・座標４
ａｐｒｚ　（ｘｒｉ、　　ｙｒｆｆ）と計測用ブロック
２２の前記計測領域内の位置Ｐｂ、（Ｘｙ、ＹｂＩ）と
を計測し、これら計測値を第３のデータ対とする。

そしてステップ８で第■〜第３のデータ対を用いてつぎ
の０〜０式の演算を実行し、スケール比［、カメラ座標
系の傾き角度θ７．原点のオフセン１−埴Ｘｖ、Ｙｖを
座標系校正用パラメタとして算出する。

・・・・■ ただし ａｌ−χｒ２　　Ｘｒｌ ａ２＝Ｙｒ２Ｙｒｌ ｂｌ＝Ｘｃｚ−Ｘｃ ｂ２＝　Ｙ、２−Ｙｅｔ　　　・・・・■である。

第３図は、ロボット座標系ａ（図中、Ｘ軸とＹ軸とで示
す直交座標系）と、カメラ座標系Ｃ（図中、Ｘ、軸とＹ
ｃ軸とで示す直交座標系）と、計測ベース座標系ｂ（図
中、Ｘｌｌ軸とＹＩｌ軸とで示す直交座標系）との関係
を示すもので、同図は第１のデータ対を計測したときの
状態を示している。

同図中、３点は第１のデータ対を計測したときのロボッ
トアームの手先位置であり、またＴ点は第３のデータ対
を計測したときのロボットアームの手先位置である。そ
してｌＰｒ１はロボットアームの手先位置を表すベクト
ル、ＩＰｖは原点のオフセットを表すベクトル、Ｐｃ１
はカメラ座標系Ｃで記述した標識２８の位置ベクトル、
ＩＰｂ、は計測用ブロック２２をレーザ変位計２５の測
定領域に位置決めしたときのロボットアームの手先位置
を計測ベース座標系Ｃで記述したベクトル、ｌＰｒ３は
このときの手先位置をロボット座標系ａで記述したベク
トルである。

これらの値から原点のオフセンｈ　ＩＰ　ｖを計算する
には、１ＰｂＩとＩＰｃ＋とをロボット座標系ａで記述
したベクトルＩＰ　ｂＩ’　、　ＩＰ　ｃ＋’を用いて
つぎのように表わされる。

ＩＰ　ｖ　−ＩＰ　ｒ３１Ｐ　ｂＩ’　　ＩＰ　ｃ＋’
　　ＩＰ　ｒＩ自・・■ここでＩＰ、、’　、　ＩＰｃ
、’は、１ＰｂＩ’＝ ・・・・■ ＩＰＣ＋’　　− である。

第４図には、レーザ変位計２５の計測出力から計測用ブ
ロック２２の位置を計測する方法が示しである。レーザ
変位計２５を構成する３個の変位計ヘッド部２６ａ〜２
６ｃは、その１個が計測ベース座標系すのＸａ輪軸上、
また２個がＹ６軸と平行に、それぞれ設置される。なお
ＹＢ軸に沿う変位計ヘッド部２６ａ、２６ｂ間の距離は
Ｌである。

このレーザ変位計２５は、計測用ブロック２２の基準位
置にとの差を計測するもので、同図に示すχ、Ｙｌ、Ｙ
２が計測されることになる。

そしてこれら計測値から次式を用いて計測用ブロック２
２の計測ベース座標系すでの位置Ｐ　ｂ＋（Ｘｂ＋、Ｙ
、、）が算出される。

ここで である。ただしｉＸ、Ｒ，は標識２８の長辺および短辺
から中心点（重心）Ｇまでの距離である。

なお上記実施例は、この発明をＸＹ型ロボットに適用し
た例であるが、この発明はこれに限らず、水平多関節型
口ボッ）など、他の座標系のロボットにも適用可能であ
る。

〈発明の効果〉 この発明は上記の如く、ロボットアームの空間位置を表
すロボット座標系とロボットアームに一体に設けられた
カメラの画像上の位置を表すカメラ座標系との相対関係
を示す座標校正用パラメータを求めて、視覚ロボットの
座標系を校正するのに、所定の標識がカメラの視野内に
入った状態での標識のカメラ座標値とそのときのロボッ
ト座標値とを計測する第１の計測工程と、前記標識がカ
メラの視野より外れない範囲で視覚ロボットを移行させ
たときの標識のカメラ座標値とそのときのロボット座標
値とを計測する第２の計測工程と、ロボットアームの手
先が標識上に設定された変位測定装置の計測領域へ入る
よう視覚ロボットを移行させたときのロボット座標値と
前記手先部の計測領域内の位置とを計測する第３の計測
工程と、各計測工程で得た計測データより座標系校正用
パラメータを算出する演算工程とを一連に実施すること
にしている。

従ってごの発明によれば、第Ｊ〜第３の各刷測Ｉ程にお
いて、カメラの同一・視野内に複数の認識対象（標識）
をすべて含まセる必要がないから、視野が狭くなっても
、この方法を実施することがｉ’ｉＪ能である。またひ
とつの標識を用意すればよく、しかもその標識にロボｙ
　ｔ□ファーム手先を位置決めするのに、正確な位置決
めを必要としないから、作業が容易であり、さらに位置
決めに際して〔Ｉボットアームの手先を固定しないの−
Ｃ，８（測精度が向」−する。

またこの発明では、この座標系校正方法を具体的に実施
するのに、ロホノトア−１、の手先へ固定される計測用
ブロックと、ロホノ］・の作業Ｂ、Ｉｆ域に固定される
計測ベースと、計測−・−ス上に配備される標識と、標
識上に前記４測用ブロックが位置決めされた状態を基準
としてその基準位置に対する５１測用ブロンクの位置ず
れ量を非接触で計測するレーザ変位計とから成る座標系
校正用変位ｌｉｔ測装置を用いるようにしたから、第、
３の計測工程を実施するに際して、非接触でロボットア
ームの手先位置を計測でき、５Ｊ測作業を一層容易化し
得、かつ計４（す精度を向１できるなど、発明目的を達
成した顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施状況を示す斜面図、第２図はこ
の発明の座標校正方法の丁順を示すフローチャ＝１・、
第３図は各座標系の関係を示す説明図、第４図は剖測用
ブロンクの位置の算出原理を示す説明図、第５図は従来
の方法の実施状況を示す斜面し１、第６図は座標系の関
係を示す説明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロボットアームの空間位置を表すロボット座標系
   とロボットアームに一体に設けられたカメラの画像上の
   位置を表すカメラ座標系との相対関係を示す座標校正用
   パラメータを求めて、視覚ロボットの座標系を校正する
   ための座標系校正方法において、 所定の標識がカメラの視野内に入った状態 での標識のカメラ座標値とそのときのロボット座標値と
   を計測する第１の計測工程と、 前記標識がカメラの視野より外れない範囲 で視覚ロボットを移行させたときの標識のカメラ座標値
   とそのときのロボット座標値とを計測する第２の計測工
   程と、 ロボットアームの手先が標識上に設定され た変位測定装置の計測領域へ入るよう視覚ロボットを移
   行させたときのロボット座標値と前記手先の計測領域内
   の位置とを計測する第３の計測工程と、 各計測工程で得た計測データより座標系校 正用パラメータを算出する演算工程とを一連に実施する
   ことを特徴とする視覚ロボットの座標系校正方法。
2. （２）ロボットアームの空間位置を表すロボット座標系
   とロボットアームに一体に設けられたカメラの画像上の
   位置を表すカメラ座標系との相対関係を示す座標校正用
   パラメータを求めて、視覚ロボットの座標系を校正する
   のに用いる座標系校正用変位計測装置であって、ロボッ
   トアームの手先へ固定される計測用 ブロックと、視覚ロボットの作業領域に固定される計測
   ベースと、計測ベース上に配備される標識と、標識上に
   前記計測用ブロックが位置決めされた状態を基準として
   その基準位置に対する計測用ブロックの位置ずれ量を非
   接触で計測するレーザ変位計とから構成されて成る座標
   系校正用変位計測装置。