JPH07229716A

JPH07229716A - 物体計測装置および方法

Info

Publication number: JPH07229716A
Application number: JP6311771A
Authority: JP
Inventors: Naoki Yamada; 直樹山田; Kazumoto Tanaka; 一基田中; Makoto Shinohara; 誠篠原
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1995-08-29
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP3632965B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】迅速かつ正確に物体の３次元位置を認識でき
る装置、方法を提供する。【構成】Ａは車体１の基準位置姿勢であり、三つの特
徴点の座標値は既知である。カメラ２の位置も既知であ
るためＡの各特徴点とカメラを結ぶベクトルυ₁〜υ₃
も既知である。これに対し、Ａ″は、現実に置かれた特
定位置姿勢である。カメラ画像には、Ａ″が映ってい
る。このＡ″の特徴点の三次元座標を求める。Ａ″とＡ
の位置姿勢のズレは、平行移動によるものと回転移動に
よるものの２種類がある。平行移動は、ｘ，ｙ，ｚの三
成分があり、回転移動もφ，θ，φの三成分である。合
計六つのパラメータがあり、これが求めれば、υ₁〜υ
₃を回転＆平行移動し、υ₁″〜υ₃″が求まる。
υ₁″′〜υ₃″′（方向のみ同じ、長さは異なる）は
画像から算出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はカメラによって物体の３
次元位置及び姿勢を求める装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の３次元位置及び姿勢を自動認識す
る装置は公知である。従来の装置では予め物体の位置が
既知である基準位置からどのように物体がズレて現在の
位置に到達したかをカメラの撮像面上において画像を操
作して試行錯誤によって特定位置の画像にぴったりかさ
なる位置を探索することによって物体の基準位置からの
ズレ量を計測し、現在の物体位置を認識するようになっ
ている。特開平２−３８８０４号公報には、このような
手法を採る物体計測装置が開示されている。

【０００３】

【解決しようとする課題】しかし、上記公報に開示され
るような従来の手法では、画面上で物体画像が完全に重
なる位置を像の平行移動あるいは回転によって探索しな
ければならないためズレ量を認識するのに、すなわち、
物体の実際の位置を認識するのに時間がかかるという問
題がある。また、物体画像が基準位置の画像にぴったり
重なる点を探索するのは一般に容易ではないので、ある
程度近づいたところで重なりが生じたものとして操作を
停止するのが普通である。したがって、認識の精度が一
定でなく、また、満足な精度が得られないという問題が
ある。本発明は、このような事情に鑑み、迅速にかつ正
確に物体の３次元位置を認識することができる装置ある
いは方法を提供することを目的とする。本発明の別の目
的は、従来のように画面上で物体像の重なる位置を探索
あるいは追跡する操作を行なうことなく正確に物体の３
次元位置を認識することができる装置あるいは方法を提
供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は以下のように構成される。すなわち、本発明
は特定位置にある物体の予め設定された基準位置から
のズレ量を３次元的に計測する計測装置であって、物体
が前記基準位置にあるときにおいて該物体上に予め設定
された物体位置を特定するための特徴点、特徴線および
特徴面の少なくともいずれか１つからなる特徴部の位置
を３次元座標系における位置として記憶する基準位置記
憶手段と、物体の基準位置と特定位置とのズレ量を未知
数として物体の基準位置と特定位置との関係式を前記３
次元座標系に関して設定する特定位置設定手段と、前記
物体が前記特定位置にあるとき物体の前記記憶された特
徴部の拘束条件を決定する拘束条件設定手段と、前記関
係式を用いて表現された特定位置における物体の特徴部
の位置が前記拘束条件を満たすという条件を利用して前
記ズレ量を算出する算出手段と、を備えたことを特徴と
する。好ましい態様では、特徴部が予め設定された物体
上にある特徴点であり、かつ、前記拘束条件設定手段が
特定位置にある物体の特徴点を通過するカメラの視線を
設定する視線設定手段を備えている。そして、特徴点は
少なくとも３個以上設けられる。より好ましい態様で
は、特徴点は少なくとも６個以上設けられる。また、視
線設定手段は、１つの直線であるカメラの視線が該カメ
ラの特定画素とカメラのピンホール位置を通過するこ
と、および直線は２つの平面が交差することによって形
成されることにもとづいて前記視線を設定することを特
徴とする。別の好ましい態様では、特徴部が、予め設定
された物体上の該物体位置を特定するための特徴線であ
ることを特徴とする。そして、この場合、拘束条件設定
手段は特定位置にある物体の前記特徴線上の任意の少な
くとも３つの点の座標値を求める座標値算出手段を備え
ている。

【０００５】またさらに好ましくは、特定位置にある物
体の前記特徴線上の前記３つの点に基づいて物体の位置
を算出し、さらに前記線上の別の１点の座標に基づいて
前記物体の位置を補正するようになっている。さらに、
本発明の別の特徴によれば、本発明にかかる物体計測装
置は、物体が前記基準位置にあるときにおいて該物体上
に予め設定された物体位置を特定するための特徴線から
なる特徴パラメータの位置を３次元座標系における位置
として記憶する基準位置記憶手段と、特定位置にある物
体の前記特徴線を通過するカメラの複数の視線を設定す
る視線設定手段と、それぞれの視線と任意の位置にある
と仮定した場合の物体上に予め設定された上記特徴線と
の最短距離の合計を与える評価関数を設定する評価関数
設定手段と、前記評価関数がほぼ０になったときの物体
の座標を特定位置とする特定位置設定手段と、該特定位
置設定手段によって設定された特定位置と基準位置との
ズレ量を算出するズレ量算出手段とを備えたことを特徴
とする。この場合において、好ましくは、すくなくとも
３つの視線が設定される。また、視線設定手段は、１つ
の直線であるカメラの視線がカメラの特定画素とカメラ
のピンホール位置を通過すること、および直線は２つの
平面が交差することによって形成されることにもとづい
て視線を設定するようになっている。

【０００６】さらに本発明の別の態様においては、物体
の計測装置は、物体が前記基準位置にあるときにおいて
該物体上に予め設定された物体位置を特定するための１
つの平面に含まれる特徴線からなる特徴部の位置を３次
元座標系における位置として記憶する基準位置記憶手段
と、特定位置にある物体の前記特徴線を通過するカメラ
の複数の視線を設定する視線設定手段と、それぞれの視
線が任意の平面を通過する交点と該表面上の特徴線に対
して特定の位置に設定される上記平面上の特定点との各
距離を演算する距離演算手段と、該距離演算手段によっ
て演算された各距離が、物体が上記特定位置にある状態
における上記各距離に、それぞれ等しくなったときの物
体の座標を特定位置とする特定位置設定手段と、該特定
位置設定手段によって設定された特定位置と基準位置と
のズレ量を算出するズレ量算出手段と、を備えたことを
特徴とする。この場合、特徴線は、当該特徴線上にある
任意の点が相互に関係づけられる限り、任意に直線また
は、曲線またはこれらの組み合わせによって構成するこ
とができるが、好ましくは、前記特徴線は円であり、ま
た前記平面上の特定点が前記円の中心点である。

【０００７】さらに本発明の別の特徴によれば、特定位
置にある物体の予め設定された基準位置からのズレ量を
３次元的に計測する計測方法が提供される。本発明にか
かる物体計測方法は、物体が前記基準位置にあるとき物
体上に予め設定され物体位置を特定するための特徴点、
特徴線および特徴面の少なくともいずれか１つからなる
特徴部の位置を３次元座標系における位置として記憶
し、物体の基準位置と特定位置とのズレ量を未知数とし
て物体の基準位置と特定位置との関係式を前記３次元座
標系に関して作成し、前記物体が前記特定位置にあると
き物体の前記記憶された特徴部の位置の拘束条件を決定
し、前記関係式を用いて表現された特定位置における物
体の特徴部の位置が前記拘束条件を満たすという条件を
利用して前記ズレ量を算出すること、を特徴とする。ま
た別の特徴によれば、計測方法は、物体が前記基準位置
にあるときにおいて該物体上に予め設定された物体位置
を特定するための特徴線からなる特徴部の位置を３次元
座標系における位置として記憶し、特定位置にある物体
の前記特徴線を通過するカメラの複数の視線を設定し、
それぞれの視線と任意の位置にあると仮定した場合の物
体上に予め設定された上記特徴線との最短距離の合計を
与える評価関数を設定し、前記評価関数がほぼ０になっ
たときの物体の座標を特定位置として設定し、該設定さ
れた特定位置と基準位置とのズレ量を算出すること、を
特徴とする。

【０００８】さらに、別の態様として、本発明にかかる
物体の計測方法は、物体が前記基準位置にあるときにお
いて該物体上に予め設定された物体位置を特定するため
の１つの平面に含まれる特徴線からなる特徴部の位置を
３次元座標系における位置として記憶し、特定位置にあ
る物体の前記特徴線を通過するカメラの複数の視線を設
定し、それぞれの視線が任意の平面を通過する交点と該
平面上の特徴線に対して特定の位置に設定される上記平
面上に特定点との各距離を演算し、該演算された各距離
が、物体が上記特定位置にある状態における上記各距離
に、それぞれ等しくなったときの物体の座標を特定位置
として設定し、該設定された特定位置と基準位置とのズ
レ量を算出すること、を特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明において、３次元空間内の特定位置にあ
る物体の位置を特定するための１つの特徴点の位置を
（ｘ_R，ｙ_R，ｚ_R，１）^Tとする。この物体が基準位
置にあるときの上記特徴点の座標を（ｘ_c，ｙ_c，
ｚ_c，１）^T（既知）とする。そして、結画像平面の対
応する位置、すなわち、画素及びカメラのレンズの中心
を通る線すなわち、視線は２つの平面の交線として表現
することができる。すなわち、視線方程式ａ₁ｘ＋ｂ₁ｙ＋ｃ₁ｚ＋ｄ₁＝０ ──（１）ａ₂ｘ＋ｂ₂ｙ＋ｃ₂ｚ＋ｄ₂＝０ ──（２）で表される。一方、特定位置にある物体の特徴点
（ｘ_R，ｙ_R，ｚ_R，１）^Tと基準位置にある特徴点
（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c，１）^Tとの位置関係は、位置ズレ
マトリクス

【００１０】

【数１】

【００１１】すなわち、ｘ_R＝Δ₁・（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c，１）^T ｙ_R＝Δ₂・（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c，１）^T ──（４）ｚ_R＝Δ₃・（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c，１）^T となる。この特徴点座標（ｘ_R，ｙ_R，ｚ_R，１）^Tは
上記視線方程式を満足するので、ａ₁・Δ₁（ｘ_c, ｙ_c，ｚ_c，１）^T＋ｂ₁・Δ
₂（ｘ_c，ｙ_cｚ_c,1）^T＋ｃ₁・Δ₃・（ｘ_c,
ｙ_c，ｚ_c，１）^T＋ｄ₁＝０ ──（５）ａ₂・Δ₁（ｘ_c, ｙ_c，ｚ_c，１）^T＋ｂ₂・Δ₂・
（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c，１）^T＋ｃ₂・Δ₃・（ｘ_c, ｙ
_c，ｚ_c，１）^T＋ｄ₂＝０ ──（６）（ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c，１）^Tは既知であるので未知数Δ
のみの方程式が得られる。

【００１２】基本的に（ａ₁，ｂ₁，ｃ₁，ｄ₁・・
・）等の係数はシステムによって、既知であるので、Δ
の回転、平行移動にかかわる１２個の要素を求めること
によって、物体の基準位置からの三次元的なズレ量を求
めることができる。したがって、物体の現在の位置を三
次元的に把握することができる。上記の態様では、物体
上の位置を特定するための特徴点を少なくとも３つ以上
選択し、基準位置における特徴点の座標を記憶するとと
もに、特定位置にある特徴点位置を未知数として未知数
と同じ数の視線方程式をたてて解くという手法である。
したがって、この手法では、複数の特徴点を設定するこ
とが不可欠となる。この場合、物体の特徴的な部分たと
えば、物体の角部、突出部あるいは凹部などを特徴点と
して設定するのが好ましい。物体の位置ズレを容易に把
握することができるからである。しかし、物体の形状に
よっては特徴点の設定が必ずしも容易でない場合があり
特徴点の設定が的確でないことによって位置ズレの把握
が不正確になるおそれがある。このような場合、物体の
形状を構成する特徴的な部分を把握しこの部分のズレを
計測することによって、上記同様に物体の位置ズレを的
確に把握することができる。すなわち、特徴点の設定に
変えて物体上の該物体位置を特定するための線を特徴線
として認識し、特徴線の位置の変化を追跡することによ
って物体の位置ズレを定量的に把握することができる。
同様に物体の一部を成す面を特徴面として認識して位置
ズレの評価を行なうことが可能となる。

【００１３】基準位置にある物体の特徴線を認識して特
定位置にある物体との位置ズレ量を計測する場合、ま
ず、物体が基準位置にあるときに把握される特徴線を表
す式を設定する。この基準位置における特徴線を基準デ
ータとして記憶しておく。そして、物体が特定位置にあ
るときに、任意の少なくとも３つのカメラのピンホール
を通過する視線であってかつ該特徴線を通過する視線を
設定する。このとき、それぞれの視線が特徴線を通過す
る点の座標値を計測する。よって、それぞれの座標値
は、特徴線上にあることを利用して方程式をたて、これ
を連立させて上記と同様の手順で解けば位置ズレ量を求
めることができる。また、別の方法では、物体が任意の
位置にあると仮定し、この任意の位置にある物体の特徴
線を通過する視線を設定するとともに、それぞれの視線
と該任意の位置の物体との最短距離の合計を与える評価
関数を設定し、物体の位置を変えて評価関数がほぼ０に
なったときに物体が特定位置にあると認定する。物体の
特定位置の認識は、特定位置における特徴線上の視線と
の交点の座標が特定されることによって行なうことがで
きる。なお、評価関数を０にする手法としてたとえば、
フレッテャ−パウエル法（Fletcher-Powell)法がある。

【００１４】物体の位置ズレを計測する手法としてさら
に別の手法がある。これによれば、まず、物体が前記基
準位置にあるときにおいて該物体上に予め設定された物
体位置を特定するための１つの平面に含まれる特徴線を
設定する。そして、この特徴線の位置を３次元座標系に
おける位置として記憶し、特定位置にある物体の前記特
徴線を通過するカメラの複数の視線を設定する。そし
て、それぞれの視線が任意の平面を通過する交点と該平
面上の特徴線に対して特定の位置に設定される上記平面
上の特定点との各距離を演算する。演算された各距離
が、物体が上記特定位置にある状態における上記各距離
に、それぞれ等しくなったとき、物体が特定位置とある
と認識する。この特定位置は、上記交点の座標を得るこ
とによって決定される。

【００１５】

【実施例】以下本発明の実施例につき説明する。本例
は、本発明を自動車の作業ラインにおける車体の位置を
計測する場合に適用したものである。車体は台車に載置
されて加工ラインを搬送される。台車上の物体すなわ
ち、車体は搬送中台車上に搭載され、各加工ステーショ
ンにおいて、各種の加工が施される。この加工をロボッ
トで自動的に行う場合には、台車上の車体の位置に基づ
いた作業ポイントを予めロボットにティーチングしてお
き、このこれに基づいて所定の加工を行うようになって
いる。しかし、台車上の車体の搭載位置はそれぞれ微妙
に異なるので、良好な加工精度を得るためには、車体の
搭載位置を正確にロボットに認識させる必要がある。車
体が台車上に搭載誤差０で搭載されている場合におい
て、車体の１つの特徴点の位置を

【００１６】

【数２】

【００１７】と考えることができる。(9)式の、未知行
列部分^BＴ_B′を以下に述べる方法により求めれば搭載
誤差状態を知ることが可能である。そして、この結果を
もとにロボットティーチングデータを変換し修正する。
ワールドに対してキャリブレーション済のカメラにおい
て、画素（ｉ，ｊ）上にある点が観測されたとすると、
その点は下の２平面の交線として表される視線上にある
ことになる。

【００１８】

【数３】

【００１９】

【数４】

【００２０】

【数５】

【００２１】

【数６】

【００２２】

【数７】

【００２３】

【数８】

【００２４】

【数９】

【００２５】

【数１０】

【００２６】

【数１１】

【００２７】となって、前例と同様の方程式が得られ
る。同様にこれを解いて、〔Ｔ₁₁・・・・・・Ｔ₃₄〕
^Tを求めることによって、車体の理想位置から現実位置
へのズレ量を求めることができる。さらに別の実施例に
つき説明する。第１の実施例において、特徴点の３点が
カメラの中心と撮像画面上の画素を通る視線方程式を満
たすので、

【００２８】

【数１２】

【００２９】から６つの方程式が得られる。

【００３０】

【数１３】

【００３１】上記説明では１台のカメラを用いて計測す
る場合であるが複数のカメラを用いて行うことももちろ
ん可能である。この場合、カメラのキャブレーションを
行うことによってカメラ相互の位置関係は既知とするこ
とができる。以下上記で説明した位置ズレ量を求める手
順をモデルを使って検証する。第４図を参照すれば一
辺が１００mmの立方体についてこの立方体の基準位置す
なわち理想状態の各頂点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，
Ｇ，Ｈ）の座標ベクトル

【００３２】

【数１４】

【００３３】

【数１５】

【００３４】また、このカメラを用いて各特徴点（Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）を見る視線方程式

【００３５】

【数１６】

【００３６】の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈに
相当するものは各特徴点について以下の通りである。こ
の係数は、カメラパラメータと、観測され画素値により
決定する。観測視線方程式 n=1 (A) -126.98 455.79 0 17912.51 0 -388.62 126.98 -24630.29 2 (B) - 95.10 363.25 0 11226.89 0 -409.10 95.10 - 6641.76 3 (C) -412.78 379.57 0 16606.91 0 -354.72 412.78 -29031.96 4 (D) -444.66 72.11 0 8408.94 0 -334.23 444.66 -55215.45 5 (E) -480.00 90.00 0 3000.00 0 -470.00 480.00 - 5000.00 6 (F) - 48.12 397.45 0 -15685.62 0 -490.48 48.12 24988.53 7 (G) -365.80 413.77 0 -23986.40 0 -436.10 365.80 35150.23 8 (H) -397.68 106.31 0 -13390.52 0 -415.61 397.68 8966.74

【００３７】

【数１７】

【００３８】

【数１８】

【００３９】

【数１９】

【００４０】

【数２０】

【００４１】

【数２１】

【００４２】

【数２２】

【００４３】

【数２３】

【００４４】

【数２４】

【００４５】これは、上記の搭載誤差例の値と一致す
る。したがって、本例に示した手続によって位置ズレベ
クトルを求めることができる。本発明のさらに別の実施
例について説明する。図５に示すように本例では車体１
のウインドウ開口の周辺のエッジ部３を特徴線として認
識し、エッジ部３のズレ量を検出してワーク（車体１）
のズレ量を計測する。ワークの位置ズレ量を位置ズレマ
トリクスＴを用いて表現すると、

【００４６】

【数２５】

【００４７】ここでＲは、回転行列を表わし、Ｐは平行
移動を表わす。基準位置におけるワークエッジをモデル
データとして記憶しておく。２次元表現の場合

【００４８】

【数２６】

【００４９】位置ずれによってワークエッジ上の点（ｘ，ｙ，ｚ，１ )^T＝（ｔ,a_yt²＋ｂ_yｔ＋ｃ_y, ａ
_zｔ²＋ｂ_zｔ＋ｃ_z，１）^Tが（ｘ′，ｙ′，ｚ′，
１）^Tに移動したとすると、

【００５０】

【数２７】

【００５１】が成り立つ。式（16）に式（14）（15）を
代入して整理すると、

【００５２】

【数２８】

【００５３】が成り立つ。ここで媒介変数ｔを消去する
と、 f₁=a_y｛Ｔ₁₁(x′−Ｔ₁₄)+Ｔ₂₁(y′−Ｔ₂₄)+Ｔ₃₁(z′−
Ｔ₃₄）｝²+b_y｛Ｔ₁₁(x′−Ｔ₁₄)+Ｔ₂₁(y′−Ｔ₂₄)+Ｔ
₃₁(z′−Ｔ₃₄）｝+c_y−｛Ｔ₁₂(x′−Ｔ₁₄)+Ｔ₂₁(y′−
Ｔ₂₄)+Ｔ₃₂(z′−Ｔ₃₄）｝＝０ f₂=a_z｛Ｔ₁₁(x′−Ｔ₁₄)+Ｔ₂₁(y′−Ｔ₂₄)+Ｔ₃₁(z′−
Ｔ₃₄）²+b_z｛Ｔ₁₁(x′−Ｔ₁₄)+Ｔ₂₁(y′−Ｔ₂₄)+Ｔ₃₁
(z′−Ｔ₃₃） +c_z−｛Ｔ₁₃(x′−Ｔ₁₄)+Ｔ₂₃(y′−Ｔ
₂₄)+Ｔ₃₃(z′−Ｔ₃₄）｝＝０の２式がエッジ上の計測点１点につき得られる。式で求
めるべき位置ずれ変換マトリクスの未知数は１２個であ
るが回転行列部分に正規直交関係式が、

【００５４】

【数２９】

【００５５】の６式存在するため残りの拘束条件を６式
与えればよい。エッジ上の計測点１点につき、２式得ら
れるため３点以上の代表点を計測すれば、たとえばニュ
ートン・ラプソン法（Newton−Raphson）を用いて非線
形連立方程式を解けば位置ズレマトリスクを求めること
ができる。次に本発明のさらに別の実施例について説明
する。本例ではワークに丸穴が設けてあるような場合に
おいて該丸穴の輪郭を特徴線として設定する。ただし、
この丸穴の輪郭を示す円の半径は既知（基準位置にのい
て測定し記憶済）とする。したがって円である特徴線上
の任意の点は互いに関連づけられる。図６に示すように
カメラが特定位置にあるワークの丸穴をとらえていると
き、特徴線である丸穴の輪郭上の点（ｘ，ｙ，ｚ，１)^T
とカメラ２の画素の座標とは次式で表される。

【００５６】

【数３０】

【００５７】ここでｕ，ｙが画素の座標であり、Ｃは透
視変換を表す変換マトリックス（３by４）であり、この
場合カメラパラメータと呼ばれる。カメラパラメータは
カメラに固有の値であり、事前に調べておく。Ｃ＝ｃ_ij
として（4)式を展開すると、次の２式が得られる。（Ｃ₁₁−Ｃ₃₁ｕ）ｘ＋（Ｃ₁₂−Ｃ₃₂ｕ）ｙ＋（Ｃ₁₃−Ｃ₃₃ｕ）ｚ＋Ｃ₁₄−Ｃ₃₄ｕ＝０（Ｃ₂₁−Ｃ₃₁ｖ）ｘ＋（Ｃ₂₂−Ｃ₃₂ｖ）ｙ＋（Ｃ₂₃−Ｃ₃₃ｖ）ｚ（18) ＋Ｃ₂₄−Ｃ₃₄ｖ＝０ｕ，ｖは既知であるとすると、各々はｘ，ｙ，ｚに関す
る平面の方程式であるから、（18) 式は２平面の交線の
方程式を表している。即ちカメラのレンズの焦点と画像
平面上の点（ｕ，ｖ）を結ぶ直線の方程式が（18）式で
与えられる（視線方程式）。視線 ((17)式から得られ
る）と円周との距離を考え、これを最小化するように円
を動かすことを考える。円の像から点を取り出して視線
方程式Ｌ_iを得たとき、収束過程にある円周上にあって
視線との距離が最小になる点Ｐ_iを求め、その時の距離
ｄ_iを調べる。必要な数だけ点を取って、それぞれにた
いするｄ_iの２乗の和を評価関数Ｅとする。Ｅが０にな
った時視線と円周がすべて交わっており、正しい特定位
置座標が得られる。

【００５８】Ｅ＝Σｄ_i ² 評価関数Ｅを０にする解法として例えばフレッチャーパ
ウエル（Fletcher-Powell)法がある。この手法は、たと
えば、「新版数値計算ハンドブック」大野豊、磯田和男
監修（オーム社）、「パソコンＢＡＳＩＣ数値計算Ｉ、
ＩＩ」町田東一、小島紀男著（東海大学出版会）、「数
値計算」州之内治男著（サイエンス社）などに紹介され
ている。次に本発明のさらに他の実施例について説明す
る。本例では特徴線である丸穴の輪郭が一つの平面に含
まれることに着目する。前例において、評価関数が０に
収束するような円の位置を求めるに際し、その中心の座
標と円が載っている平面の方程式はすぐにわかるので、
これを利用して特定位置座標を求める。基準位置にある
円の中心及び円の載っている平面の方程式はそれぞれ（０，０，０），ｚ＝０であるから、これを（１７）式で変換するとそれぞれ、Ｏ_C：（ｘ_oc，ｙ_oc，ｚ_oc）Ｈ：ａ_Hｘ＋ｂ_Hｙ＋ｃ_Hｚ＋ｄ_H＝０の様に表される。ここでＯ_cは円の中心、Ｈは円平面を
表す（図７参照）。

【００５９】一方画像中の円周上から点を抜き出してそ
の座標を調べることにより、視線方程式が（１８）式の
形式で得られ、変形すると、が得られる。ここで、〔ｌ_i，ｍ_i，ｎ_i〕は直線Ｌ_i
の方向ベクトル、〔ｘ_c，ｙ_c，ｚ_c〕はカメラのピン
ホール座標である。（18) (19)式より円平面と視線との
交点Ｑ_iの座標を求めることができる。円が視線に重な
ったときにはＱ_iとＯ_cとの距離は円の半径に等しくな
っているはずだから、拘束条件として次式が得られる。ｈ_i−ｒ＝０（20）ここで、ｈ_iはＱ_iとＯ_cとの距離である。未知数の数
だけ円周上から点を取って上式を連立させれば、方程式
を解くことができる。即ち位置ズレを求めることができ
る。

【００６０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、物体の基
準位置からのズレをカメラにとらえられた特徴点、特徴
線あるいは特徴面の位置に基づき、計算によって求める
ので、従来のように、物体を基準位置から特定位置にな
るまで、カメラに写る物体像を仮想的に移動させ、探索
を行う必要はない。したがって、迅速かつ正確に物体の
基準位置からの３次元的なズレ量を求めることができ
る。この場合、本発明の１つの特徴によれば物体上の該
物体位置を特定するための一部をなす線に着目し、この
線を特徴点の連続したものとして取られているので、特
定の特徴点を定める必要がなく特徴線上の任意の点を設
定することにより特徴点を選択したのと同じ効果が得ら
れる。この手法は、物体が特徴点の設定が困難な形状を
有する場合に便宜であり、精度の高い位置ズレ測定を行
なうことができる。また、本発明の別の特徴によれば、
物体の持つ穴などに着目して位置ズレ計測を行なう手法
を提供している。この手法によれば、物体の穴の輪郭な
どの特徴線を構成する部分を通過する任意の且つ複数の
視線との交点の座標について評価関数を算出し、評価関
数の値が０となるように収束計算を行なう。この手法
は、上記の位置ズレマトリクスを直接演算して解を得る
手法に比べて計算を少なくできる。

【００６１】本発明の別の特徴によれば、物体の位置ズ
レを計測する他の手法を提供する。この手法では、物体
の穴の輪郭などを特徴線として設定することは前手法と
同じであるが、当該特徴線が１つの平面に含まれること
を利用して、物体の位置ズレを計測する。この手法で
は、基準位置においてデータ記憶した特徴線を含む任意
の平面を設定し、この任意の平面が特定位置にある物体
の穴すなわち特徴線を含む平面に一致するように収束計
算を行なう。この手法においても、位置ズレマトリクス
を直接解く手法に比べて計算の負担を軽減することがで
きる。このように本発明によれば、少なくとも単独のカ
メラあるいは単独の画像面を用いるだけで、物体の基準
位置からのズレ量を正確に把握することができる。これ
によって、たとえばロボットによる車体処理工程におい
てこの求めたズレ量に基づいて、基準位置に対応して作
成されたティーチングデータを修正することにより、車
体の基準位置からの位置ズレに拘わらず、適正な処理を
行うことができる。例えば、搬送ライン上を台車に載置
されて移動する、車体ワークに対して、ロボットにより
溶接を行わせる場合に、本発明を適用すると、ワークが
台車上において、基準位置からズレしていたとしても、
特徴点の位置をカメラで認識することによって、ワーク
の３次元的な基準位置からの位置ズレを素速く、正確に
求めることができるので、これによって、ロボットのテ
ィテーチングデータを修正することにより、ワークが常
に基準位置にあるかのような対応ができるものである。
塗装工程、あるいは部品組立、あるいはワークの加工を
ロボット等の装置により自動的に行う場合も同様に適用
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例にかかる位置ズレ計測機構の
原理説明図である。

【図２】本発明の他の実施例にかかる図１と同様の図で
ある。

【図３】さらに、他の実施例にかかる説明図である。

【図４】モデルによる検証における説明図である。

【図５】本発明のさらに他の実施例にかかる概略説明図
である。

【図６】本発明のさらに他の実施例にかかる概念図であ
る。

【図７】本発明のさらに他の実施例にかかる概念図であ
る。

【符号の説明】

１車体２カメラ３エッジ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】特定位置にある物体の予め設定された基
準位置からのズレ量を３次元的に計測する計測装置であ
って、物体が前記基準位置にあるときにおいて該物体上に予め
設定された物体位置を特定するための特徴点、特徴線お
よび特徴面の少なくともいずれか１つからなる特徴部の
位置を３次元座標系における位置として記憶する基準位
置記憶手段と、物体の基準位置と特定位置とのズレ量を未知数として物
体の基準位置と特定位置との関係式を前記３次元座標系
に関して設定する特定位置設定手段と、前記物体が前記特定位置にあるとき物体の前記記憶され
た特徴部の位置の拘束条件を決定する拘束条件設定手段
と、前記関係式を用いて表現された特定位置における物体の
特徴部の位置が前記拘束条件を満たすという条件を利用
して前記ズレ量を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とする物体計測装置。
【請求項２】前記特徴部が予め設定された物体上にあ
る特徴点であり、かつ、前記拘束条件設定手段が特定位
置にある物体の特徴点を通過するカメラの視線を設定す
る視線設定手段を備えていることを特徴とする請求項１
記載の物体計測装置。
【請求項３】前記特徴点が少なくとも３個以上設けら
れることを特徴とする請求項２記載の物体計測装置。
【請求項４】前記視線設定手段は、１つの直線である
カメラの視線が該カメラの特定画素とカメラのピンホー
ル位置を通過すること、および直線は２つの平面が交差
することによって形成されることにもとづいて前記視線
を設定することを特徴とする請求項２記載の物体計測装
置。
【請求項５】前記特徴部が、予め設定された物体上の
該物体位置を特定するための特徴線であることを特徴と
する請求項１記載の物体計測装置。
【請求項６】前記拘束条件設定手段が特定位置にある
物体の前記特徴線上の任意の少なくとも３つの点の座標
値を求める座標値算出手段を備えていることを特徴とす
る請求項５記載の物体計測装置。
【請求項７】特定位置にある物体の前記特徴線上の前
記３つの点に基づいて物体の位置を算出し、さらに前記
線上の別の１点の座標に基づいて前記物体の位置を補正
するようになった請求項６記載の物体計測装置。
【請求項８】特定位置にある物体の予め設定された基
準位置からのズレ量を３次元的に計測する計測装置であ
って、物体が前記基準位置にあるときにおいて該物体上に予め
設定された物体位置を特定するための特徴線からなる特
徴部の位置を３次元座標系における位置として記憶する
基準位置記憶手段と、特定位置にある物体の前記特徴線を通過するカメラの複
数の視線を設定する視線設定手段と、それぞれの視線と任意の位置にあると仮定した場合の物
体上に予め設定された上記特徴線との最短距離の合計を
与える評価関数を設定する評価関数設定手段と、前記評価関数がほぼ０になったときの物体の座標を特定
位置とする特定位置設定手段と、該特定位置設定手段によって設定された特定位置と基準
位置とのズレ量を算出するズレ量算出手段とを備えたこ
とを特徴とする物体計測装置。
【請求項９】すくなくとも３つの視線が設定されるこ
とを特徴とする請求項８記載の物体計測装置。
【請求項１０】前記視線設定手段は、１つの直線であ
るカメラの視線がカメラの特定画素とカメラのピンホー
ル位置を通過すること、および直線は２つの平面が交差
することによって形成されることにもとづいて視線を設
定することを特徴とする請求項８記載の物体計測装置。
【請求項１１】特定位置にある物体の予め設定された
基準位置からのズレ量を３次元的に計測する計測装置で
あって、物体が前記基準位置にあるときにおいて該物体上に予め
設定された物体位置を特定するための１つの平面に含ま
れる特徴線からなる特徴部の位置を３次元座標系におけ
る位置として記憶する基準位置記憶手段と、特定位置にある物体の前記特徴線を通過するカメラの複
数の視線を設定する視線設定手段と、それぞれの視線が任意の平面を通過する交点と該平面上
の特徴線に対して特定の位置に設定される上記平面上の
特定点との各距離を演算する距離演算手段と、該距離演算手段によって演算された各距離が、物体が上
記特定位置にある状態における上記各距離に、それぞれ
等しくなったときの物体の座標を特定位置とする特定位
置設定手段と、該特定位置設定手段によって設定された特定位置と基準
位置とのズレ量を算出するズレ量算出手段と、を備えたことを特徴とする物体計測装置。
【請求項１２】前記特徴線が円であり、前記平面上の
特定点が前記円の中心点であることを特徴とする請求項
１１記載の物体計測装置。
【請求項１３】特定位置にある物体の予め設定された
基準位置からのズレ量を３次元的に計測する計測方法で
あって、物体が前記基準位置にあるとき物体上に予め設定され物
体位置を特定するための特徴点、特徴線および特徴面の
少なくともいずれか１つからなる特徴部の位置を３次元
座標系における位置として記憶し、物体の基準位置と特定位置とのズレ量を未知数として物
体の基準位置と特定位置との関係式を前記３次元座標系
に関して作成し、前記物体が前記特定位置にあるとき物体の前記記憶され
た特徴部の位置拘束条件を決定し、前記関係式を用いて表現された特定位置における物体の
特徴部の位置が前記拘束条件を満たすという条件を利用
して前記ズレ量を算出すること、を特徴とする物体計測方法。
【請求項１４】特定位置にある物体の予め設定された
基準位置からのズレ量を３次元的に計測する計測方法で
あって、物体が前記基準位置にあるときにおいて該物体上に予め
設定された物体位置を特定するための特徴線からなる特
徴部の位置を３次元座標系における位置として記憶し、特定位置にある物体の前記特徴線を通過するカメラの複
数の視線を設定し、それぞれの視線と任意の位置にあると仮定した場合の物
体上に予め設定された上記特徴線との最短距離の合計を
与える評価関数を設定し、前記評価関数がほぼ０になったときの物体の座標を特定
位置として設定し、該設定された特定位置と基準位置とのズレ量を算出する
こと、を特徴とする物体計測方法。
【請求項１５】特定位置にある物体の予め設定された
基準位置からのズレ量を３次元的に計測する計測方法で
あって、物体が前記基準位置にあるときにおいて該物体上に予め
設定された物体位置を特定するための１つの平面に含ま
れる特徴線からなる特徴部の位置を３次元座標系におけ
る位置として記憶し、特定位置にある物体の前記特徴線を通過するカメラの複
数の視線を設定し、それぞれの視線が任意の平面を通過する交点と該平面上
の特徴線に対して特定の位置に設定される上記平面上の
特定点との各距離を演算し、該演算された各距離が、物体が上記特定位置にある状態
における上記各距離に、それぞれ等しくなったときの物
体の座標を特定位置として設定し、該設定された特定位置と基準位置とのズレ量を算出する
こと、を特徴とする物体計測方法。