JPH04313106A - ロボットアーム相対姿勢補正方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はロボットアーム相対姿
勢補正方法、とくに組立ドッキング作業などを行なう際
にロボット相対姿勢位置決めのためのマークを用いた相
対姿勢補正の方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のマークとしては立体的な
マークが考えられており、立体マークの見える位置と見
え方により、並進位置ずれと回転ずれを検出するように
なっている。図４および図５は各々、例えば特開平２−
２６４８０４号公報に示された従来のロボットアーム相
対姿勢補正方法に用いられるマークを示す断面図および
正面図である。図において、位置決めマーク１は、中心
円２から段差を設け、円錐台状にくり抜いて形成された
中間リング３と、正面に設けられた最外リング４とを備
えている。中心円２は、図５に示すように、白色に塗ら
れており、その表面には中心で交差する十字ライン５が
設けられている。この十字ライン５は、黒色に塗られそ
の形状と中心位置が明瞭にされている。中間リング３は
、中心円２と同じく白色に塗られている。また中間リン
グ３には、十字ライン５の延長上に位置する黒色の切れ
目６が設けられている。最外リング４は、中心円２およ
び中間リング３と同心をなし、その表面は白色に塗られ
ている。また円錐台状にくり抜くことによって形成され
たテーパ壁７、８は中心円２と中間リング３と最外リン
グ４との輪郭を明瞭にするために黒色に塗られている。

【０００３】従来の位置決めマークは以上のように構成
されており、カメラの光軸とマークの中心軸が一致して
いるときはカメラ視野の中心に図５のように撮像され、
一致していなければ、例えば図６のように位置決めマー
クの十字ラインの中心位置１７と中間リングおよび最外
リング（中心位置１６）が偏心して撮像されるので、図
５のように撮像されるように偏心している方向に位置を
修正すればよく、カメラの光軸とマークの中心軸が一致
しているが回転ずれを生じている場合は中間リングの切
れ目が所定位置からずれるのでそのずれ量に対応して回
転修正をほどこせばよいとされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のロボットアーム
相対姿勢補正方法は以上のようになされており、上述し
た従来の位置決めマークと位置決め方法には以下の欠点
があった。 （１）マーク自体が複雑な形状と配色になっており、コ
ンピュータによる画像処理技術で自動認識させるのに複
雑なプログラムが必要である。 （２）また、上述のような位置修正方法で、カメラ光軸
と位置決めマークの中心軸が合ったとしても、それは実
際に対象物に作用するエンドエフェクタの位置が合った
ことを保証せず、そのためにはカメラ光軸とエンドエフ
ェクタの中心軸との相対関係を厳密に校正しておく必要
がある。このことを図を用いて説明する。図７において
、１０はカメラ、２０、２０’はエンドエフェクタ、３
０、３０’は各々エンドエフェクタ２０、２０’と一体
となっているロボットアームであり、カメラ１０の光軸
は位置決めマーク１の中心軸に合っている。この時カメ
ラの光軸とエンドエフェクタの中心軸の相対位置関係が
厳密に校正されていればエンドエフェクタは２０’に示
されるようにエンドエフェクタ作用位置４０の位置に合
うが、さもなければ例えばエンドエフェクタ２０の位置
となってエンドエフェクタ作用位置４０からはずれる。 この相対位置関係はカメラのレンズを交換したり、焦点
を変えてもずれることがあり、またエンドエフェクタの
中心軸はロボットに取り付けた状態では観測しがたいた
め、その厳密な校正は現実には非常に困難である。 （３）上述のようにカメラ光軸と位置決めマークの中心
軸が合ったのち、軸の回転ずれを修正するが、十字ライ
ンの中心位置と中間リングの切れ目の位置の差から回転
角を計算するため、精度を上げることが難しく、しかも
わずかな回転角の誤差でもカメラ取り付けアームがなが
いとエンドエフェクタの位置の誤差は大きくなる。この
ことを図を用いて説明する。図８はカメラ光軸の方向か
ら見た図で、３５はカメラ取付アームである。図におい
て、カメラ光軸と位置決めマークの中心軸は合っている
が、中間リングの切れ目の位置の計測エラーから回転角
がθだけずれて認識されたため、本来ならば２０’の位
置にエンドエフェクタが来るべきところが２０の位置に
きたことを示している。このずれ量はカメラ光軸中心と
エンドエフェクタの中心軸の距離が大きいほど大きくな
る。

【０００５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、画像処理技術で容易に自動認識
できる簡単なマークを用いて、作業対象とエンドエフェ
クタの相対姿勢を精度よく合わせることができるロボッ
トアーム相対姿勢補正方法を提供することを目的として
いる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係わるロボッ
トアーム相対姿勢補正方法は、エンドエフェクタが作用
すべき位置を中心とする同一円周上に、３個以上のマー
クを配置し、上記エンドエフェクタと一体となっている
ロボットアームの先端の軸に取り付けたテレビカメラで
、上記ロボットアーム軸を所定量だけ回転させて上記マ
ークを順次撮像し、撮像された上記マークの、上記テレ
ビカメラの視野における位置を各々計測し、その計測結
果に基づいて上記エンドフェクタの相対姿勢補正量を計
算するものである。

【０００７】また、上記マークとして、テレビカメラか
ら高さの異なる２つの部分が観測可能な立体形状を有す
るものを用い、撮像された上記マークの２つの部分が上
記テレビカメラの視野に写る位置を各々計測し、それら
の計測結果に基づいてエンドフェクタの相対姿勢補正量
を計算するようにしてもよい。

【０００８】

【作用】この発明のロボットアーム相対姿勢補正方法で
は、エンドエフェクタが作用すべき位置を中心とする同
一円周上に複数配置したマークを、エンドエフェクタと
一体となっているロボットアームの先端の軸に取り付け
たテレビカメラで、該ロボットアーム軸を所定量だけ回
転させて順次撮像し、該マークが該テレビカメラの視野
に写る位置により、エンドフェクタの相対姿勢補正量を
計算してロボットアームの相対姿勢を補正するようにし
ているので、簡単なマークにより精度のよい相対姿勢補
正が可能となり、また作業対象とエンドエフェクタの中
心軸のずれも検出でき、相対姿勢を精度よく合わせるこ
とができる。

【０００９】また、上記マークとして、テレビカメラか
ら高さの異なる２つの部分が観測可能な立体形状を有す
るものを用い、撮像された上記マークの２つの部分が上
記テレビカメラの視野に写る位置を各々計測し、それら
の計測結果に基づいてエンドフェクタの相対姿勢補正量
を計算するようにすれば、情報量が多くなるため、精度
のよい補正がより容易に行える。

【００１０】

【実施例】実施例１．図１は、この発明の一実施例を示
すもので、１−１〜１−４は４こからなる位置決めマー
ク、１０はカメラ、２０はエンドエフェクタ、３０はエ
ンドエフェクタと一体となったロボットアーム、３５は
カメラ１０を該ロボットアームに取り付けるためのカメ
ラ取り付けアーム、４０はエンドエフェクタ２０が作用
する作用位置で、このマークは該作用位置４０を中心と
する同一円周上に９０度間隔で設置されている。各位置
決めマークは円錐台の形状をなしており、その側面は上
面や背景と明確に区別できるように、黒く配色されてい
る。

【００１１】次に動作について図２のフローチャートに
従って説明する。まずステップＳ１ではロボットアーム
を制御してエンドエフェクタをその作用位置近くに概略
位置決めする。ステップＳ２ではエンドエフェクタの軸
回りに９０度づつロボットアームをカメラとともに回転
させて順次該カメラでこのマーク１−１〜１−４を撮像
し、撮像し終えたら−２７０度回転させてエンドエフェ
クタをもとの位置に戻す。ステップＳ３ではこのマーク
の撮像データから、エンドエフェクタの目標位置からの
ずれ量を計算する。ステップＳ４ではそのずれ量を評価
して、それが許容範囲なら位置決め完了とし、さもなけ
れば、計算したずれ量をもとにロボットアームを制御し
てエンドエフェクタの位置を補正する。

【００１２】ここでステップＳ３についてもう少し詳し
く説明する。位置決めマークはエンドエフェクタが作用
すべき位置を中心とする同心円上に９０度毎に配置され
ており、カメラはエンドエフェクタの中心軸の回りに９
０度づつ回転させられて該マークを撮像するので、この
マークが各視野の同じ位置に撮像されるならば、エンド
エフェクタが作用すべき位置の中心軸とエンドエフェク
タの中心軸が一致していることは容易にわかる。該中心
軸の軸回りの回転ずれについては、マークの像位置の視
野中心からの変位と、カメラ光軸とエンドエフェクタ中
心軸の距離から計算される。図３は４つのマークが撮像
された例を示す。図中破線の十字マークは視野の中心を
示し、１００−１〜１００−４は各々マーク１−１〜１
−４を撮像した時の視野で、破線の大小の円はエンドエ
フェクタの位置決めが正しかった場合に写った各マーク
の円錐台の側面の境界を示し、実線の大小の円はエンド
エフェクタの位置決めがずれていた場合に写った各マー
クの円錐台の側面の下辺および上辺の境界を示すもので
、この側面の上下２つの境界は請求項２で述べているマ
ークの高さの異なる二つの部分に相当する。

【００１３】図３の実線の大小の円のように各マークが
中心からずれて写った場合のエンドエフェクタのずれ量
の計算方法について説明する。３次元空間のずれとして
はｘｙｚの各軸に平行な並進ずれと、ｘｙｚ各軸の回り
の回転ずれとを考えなければならないが、カメラやマー
クの配置設計データから、上記並進ずれと回転ずれが発
生したとき、カメラ視野のどの位置にマークが撮像され
るかは、幾何学的な座標変換により容易に計算できる。 しかし逆に撮像された位置から並進ずれ量ｄｘ、ｄｙ、
ｄｚと回転ずれ量θｘ、θｙ、θｚを解析的に求めるこ
とは一般的にできない。そこでずれ量ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ
、θｘ、θｙ、θｚを仮定し、仮定に基づいて各マーク
の撮像位置を計算し、実際の撮像位置との距離の２乗和
を評価値Ｖとして、Ｖが最小になるようなｄｘ、ｄｙ、
ｄｚ、θｘ、θｙ、θｚを最急降下法などの数学的手法
をもちいて求める。

【００１４】この手順を次に説明する。座標系の原点は
エンドエフェクタの中心軸上でカメラのレンズ中心面と
交わる位置とする。 ［１］まず作業対象とエンドエフェクタの相対位置は設
計通りであると仮定する。即ち、ｄｘ＝０、ｄｙ＝０、
ｄｚ＝０、θｘ＝０、θｙ＝０、θｚ＝０とする。 ［２］仮定されたｄｘ、ｄｙ、ｄｚ、θｘ、θｙ、θｚ
に対して、各マークが位置すべき空間座標を設計データ
から計算する。これは設計された空間座標に対してθｘ
、θｙ、θｚから計算されるいわゆる回転マトリクスを
掛けた後、並進ベクトル（ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ）を加える
ことで得られる。 ［３］計算されたマーク座標から、カメラで撮像した時
のマークの結像位置を計算する。これは幾何光学のレン
ズの式から計算することができる。マークである円錐台
の側面の下辺と上辺の中心位置は一般に異なっている。 ［４］次に、実際に撮像された円錐台の側面の下辺と上
辺の中心位置とそれぞれ対応するマークの［３］で計算
された結像位置との距離の２乗和を評価値Ｖとして求め
る。ずれが生じている場合はこの値はゼロでない正の値
となる。撮像された円錐台の側面の下辺と上辺の中心位
置を求めるには、円錐台の側面は黒く写っているのでそ
の外側と内側の周囲を画像処理によりたどってその重心
を求めることにより得られる。 ［５］次にｄｘを＋△ｘ変化させたときと、−△ｘ変化
させたときとのＶの値を［２］〜［４］のステップと同
様にして求め、［４］で求めたＶの値より小さい値を得
られるｄｘを新しいｄｘとして採用する。△ｘはある微
小な値である。 ［６］ｄｙ、ｄｚ、θｘ、θｙ、θｚについても［５］
と同様にして新しい値を採用する。 ［７］［２］〜［６］のステップを繰り返し、評価値Ｖ
のより小さい値がもはや得られなくなった時点で計算を
終了し、その時のｄｘ、ｄｙ、ｄｚ、θｘ、θｙ、θｚ
の値が求めるべきずれ量である。ｄｘ、ｄｙ、ｄｚ、θ
ｘ、θｙ、θｚが求まればその値にしたがってロボット
アームの位置を制御してエンドエフェクタの位置を補正
することができる。なお、３こ以上のマークを用いるよ
うにしているのは、上記のように未知数がｄｘ、ｄｙ、
ｄｚ、θｘ、θｙ、θｚの６こあり、１つのマークの観
測でその位置ｘｙの２つの値しか得られ無いためである
。

【００１５】なお、上記［１］〜［７］のステップの説
明で、円錐台の上辺と下辺の両方のデータを用いるよう
に説明したが、その一方だけでもｄｘ、ｄｙ、ｄｚ、θ
ｘ、θｙ、θｚを求めることができる。ただし上記説明
のように一度の撮像データから円錐台の上辺と下辺の両
方の中心位置を求めて計算するようにすれば、情報量が
多いため［２］〜［６］のステップの繰り返し回数を少
なくできる効果がある。

【００１６】また、上記説明では、マークとして円錐台
を用いる場合を説明したが、これは角錐台でもよく、ま
た円錐台もしくは角錐台の形にくり抜いた形状でもよい
。また、立体構造をしていなくともよい。

【００１７】

【発明の効果】以上のように、この発明によればエンド
エフェクタが作用すべき位置を中心とする同一円周上に
複数配置したマークを、エンドエフェクタと一体となっ
ているロボットアームの先端の軸に取り付けたテレビカ
メラで、該ロボットアーム軸を所定量だけ回転させて順
次撮像し、該マークが該テレビカメラの視野に写る位置
により、エンドフェクタの相対姿勢補正量を計算してロ
ボットアームの相対姿勢を補正するようにしているので
、従来のように複雑なマークにする必要がなく、簡単で
すみ、エンドエフェクタの中心軸の位置決め精度がよく
、中心軸回りの回転ずれも離れた複数のマークにより精
度よく検出できるため、結果的に精度よい位置決めがな
される効果がある。

【００１８】また、上記マークとして、テレビカメラか
ら高さの異なる２つの部分が観測可能な立体形状を有す
るものを用い、撮像された上記マークの２つの部分が上
記テレビカメラの視野に写る位置を各々計測し、それら
の計測結果に基づいてエンドフェクタの相対姿勢補正量
を計算するようにすれば、精度のよい補正がより容易に
行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるロボットアーム相対
姿勢補正方法を示す説明図である。

【図２】この発明の一実施例によるロボットアーム相対
姿勢補正方法を示すフローチャートである。

【図３】この発明の一実施例によるロボットアーム相対
姿勢補正方法を示す説明図である。

【図４】従来のロボットアーム相対姿勢補正方法に用い
る位置決めマークを示す断面図である。

【図５】従来のロボットアーム相対姿勢補正方法に用い
る位置決めマークを示す正面図である。

【図６】従来のロボットアーム相対姿勢補正方法を説明
する説明図である。

【図７】従来のロボットアーム相対姿勢補正方法におけ
るエラーの発生を説明する説明図である。

【図８】従来のロボットアーム相対姿勢補正方法におけ
るエラーの発生を説明する説明図である。

【符号の説明】

１−１　　位置決めマーク １−２　　位置決めマーク １−３　　位置決めマーク １−４　　位置決めマーク １０　　カメラ ２０　　エンドエフェクタ ３０　　ロボットアーム ３５　　カメラ取付けアーム ４０　　エンドエフェクタ作用位置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ロボットの作業対象において、エンド
   エフェクタが作用すべき位置を中心とする同一円周上に
   、３個以上のマークを配置し、上記エンドエフェクタと
   一体となっているロボットアームの先端の軸に取り付け
   たテレビカメラで、上記ロボットアーム軸を所定量だけ
   回転させて上記マークを順次撮像し、撮像された上記マ
   ークの、上記テレビカメラの視野における位置を各々計
   測し、その計測結果に基づいて上記エンドフェクタの相
   対姿勢補正量を計算するロボットアーム相対姿勢補正方
   法。
2. 【請求項２】　　請求項１記載のマークは立体で、テレ
   ビカメラから高さの異なる２つの部分が観測可能な形状
   を有しており、撮像された上記マークの２つの部分が上
   記テレビカメラの視野に写る位置を各々計測し、それら
   の計測結果に基づいてエンドフェクタの相対姿勢補正量
   を計算するロボットアーム相対姿勢補正方法。