JPH0771931A - 物体位置検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】物体表面に広がりのある光を照射する第一の投
光手段２ａと、単一の発光波長でスリット状の線状光線
を照射する第二の投光手段２ｂと、この二つの照射光の
なす面に対し一定の角度をなす方向から反射光を撮像す
る二次元の受光手段３と、第一の投光手段による物体表
面からの反射光のみを撮像するために線状光線の波長領
域のみをカットするカットフィルタ９と、第二の投光手
段による物体表面からの反射光のみを撮像するために線
状光線の波長領域のみを選択的に透過する干渉フィルタ
１０と、さらにこの二つのフィルタのいずれかを二次元
の受光手段の前方に移動させ配置する移動手段とを備え
た。 【効果】特徴点の検出結果を三次元の位置データに変換
することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対象物体表面にハロゲ
ンランプ等の広がりのある光源及びスリット状光線を照
射した際に物体表面からの反射像をカメラで撮像して画
像処理し物体位置を検出する物体位置検出方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の物体位置検出方法で、例
えば、溶接ワーク位置を検出する方法を例に上げると、
特開昭53−50984 号公報に開示されているようにスリッ
ト光と二次元受光手段によるものがある。図１０は、従
来の開先位置検出の原理図を示したものである。図にお
いて、投光手段２と受光手段３は、取付け支持体１′を
介して溶接トーチ１と一体となって構成される。投光手
段２からスリット状に鋭く集光させたレーザ光４を被溶
接部材６，７のアーク点８に先行する開先部に照射し、
開先部からの反射光５をＩＴＶカメラなどの二次元受光
手段３で検出する。図９はこの溶接継手部の開先で得ら
れる光切断画像の例を示す。図示した光切断線像から開
先面の折れ曲がり点で作られる線分Ｑ１とＱ２，Ｑ２と
Ｑ３及びＱ３とＱ４に対応するｑ１とｑ２，ｑ２とｑ３
及びｑ３とｑ４を画像処理により検出し、各々の線分の
交点等を演算することにより、最終的に溶接すべき位置
Ｑ３を求めるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した物体（開先）
位置検出方法では、光切断像を構成している各線分の折
れ曲がり点等を画像処理することで物体表面の任意の点
の三次元位置を検出するものである。従って、受光手段
で撮像される光切断像では現れない表面の特徴位置には
検出できない。このような光切断法による三角測量で検
出できない特徴量あるいは特徴位置の検出に溶接環境計
測を例に上げると溶融池形状、溶接ビードとその境界位
置、あるいは溶接後の割れ形状及びその位置等が上げら
れる。これらの形状位置検出方法としては、例えば、文
献（１）に示したように、計測したい環境をＣＣＤ等の
二次元受光カメラで観測し二次元平面での計算処理で所
望とする形状等を測定する。この場合は、受光手段で構
成される検出部と対象物体の相対位置関係が既知あるか
あるいはその他の先験情報がないと正確な計測がなされ
ない。

【０００４】しかし、実際の溶接作業環境では検出部と
対象物体の相対位置関係が通常固定されていない。さら
に、溶接ワークやワーク間の組立て寸法等の条件等を先
験情報をもとにＣＣＤ等の二次元受光カメラで観測して
二次元画像での計算処理のみで所望とする形状を測定す
ることは、ワーク加工誤差や組立て誤差が測定誤差の要
因となるため実用上難しいといった問題があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の物体位置検出方法は、物体表面に広がりの
ある光を照射する第一の投光手段と、単一の発光波長で
スリット状の線状光線を照射する第二の投光手段と、こ
の二つの照射光のなす面に対し一定の角度をなす方向か
ら反射光を撮像する二次元の受光手段と、第一の投光手
段による物体表面からの反射光のみを撮像するために線
状光線の波長領域のみをカットするカットフィルタと、
第二の投光手段による物体表面からの反射光のみを撮像
するために線状光線の波長領域のみを選択的に透過する
干渉フィルタと、さらにこの二つのフィルタのいずれか
を二次元の受光手段の前方に移動させ配置する移動手段
とを備えた構成とし、カットフィルタを通して二次元の
受光手段で撮像して得られる直交配列の画像を計算処理
して画面上での対象物体表面の特徴位置を検出する第一
のステップと、前記干渉フィルタを通して二次元の受光
手段で別に撮像して得られる画像の光切断線画像上にお
ける前記特徴量検出位置を計算処理して対象物体表面の
特徴量の三次元位置を検出する第二のステップの処理構
成で物体の位置を検出する。

【０００６】

【作用】本発明は、ＣＣＤ等のカメラで撮像した二次元
の配列データを計算処理した特徴点の検出結果を三次元
の位置データに変換することが可能となる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図１ないし
図７を用いて説明する。

【０００８】図１は、本発明による一実施例であり、カ
メラで撮像した二次元の配列データを計算処理して求め
た特徴点の検出結果を三次元の位置データに変換するた
めの光学系の構成図である。図において、２ａ，２ｂは
各々物体表面に広がりのある光４ａを照射する第一の投
光手段と、単一の発光波長でスリット状の線状光線４ｂ
を照射する第二の投光手段で、３はこの二つの照射光の
なす面に対し一定の角度をなす方向に配置し二次元の受
光手段である。９は第一の投光手段による物体表面から
の反射光のみを撮像するための線状光線の波長領域のみ
をカットするカットフィルタで、１０は第二の投光手段
による物体表面からの反射光のみを撮像するための線状
光線の波長領域のみを選択的に透過する干渉フィルタで
ある。１１はロータリソレノイド、１２は上述の二つの
フィルタ９，１０を保持するプレートである。プレート
１２はロータリソレノイド１１の回転駆動部１１ａに一
体的に支持されている。ロータリソレノイド１１の回転
機構によって、この二つのフィルタのいずれかの位置を
二次元の受光手段の前方に移動させ配置する。

【０００９】本発明ではこのロータリソレノイドの回転
手段によって、まずカットフィルタ９を介して広がりの
ある第一の投光手段２ａを照射した際に得られる物体表
面の反射像５ａを撮像する。これによって得られる直交
配列の画像を計算処理して画面上での対象物体表面の任
意の特徴位置を検出する（第一のステップ）。次に、ロ
ータリソレノイドの回転手段によって、干渉フィルタ１
０を介して第二の投光手段２ｂを照射した際に得られる
物体表面の反射像５ｂを撮像する。こうして得られる画
像の光切断線画像上における特徴量検出位置を計算処理
して対象物体表面の特徴位置の三次元位置を検出する
（第二のステップ）。

【００１０】図２は、多層盛溶接を行うＶ型突合せ継ぎ
手での途中まで溶接を施工した開先断面形状の一例を示
した模式図である。この図において、丸印の番号は溶接
パスＮＯを示す。ここで、溶接ビード境界位置をもとに
パスＮＯ＝の溶接を行う場合であって、溶接ビード境
界位置を検出す場合を例に本発明の実施例を説明する。
図３及び図４に、各々上述した第一のステップ及び第二
のステップでの画像模式図と処理手順を示す。図３の模
式図に示したように、広がりのある第一の投光手段２ａ
によって得られる物体表面の反射像５ａは、開先表面，
斜面及び溶接ビードの三種類に大別される。この画像を
処理して、図２のＡ点の溶接ビード境界位置に相当する
破線で示したライン（ａ１とａ２を結ぶ線）を検出す
る。次に、図４に示した干渉フィルタ１０を通して得ら
れる物体表面の光切断像と先に検出した溶接ビード境界
位置に相当するラインの交点を演算処理して求める。図
４の丸印で示した点Ｑが二次元光検出手段３の受光面上
における検出位置座標である。

【００１１】本発明では、検出器受光面上での交点Ｑの
座標値（Ｕｋ，Ｖｋ）を、スリット光投光手段，受光手
段の光学系の諸定数及びこれら光学系を溶接ロボットに
実装したときの配置等の各種パラメータを用いて、投光
部と受光部を固定した位置を基準とした三次元の光学系
の座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）に変換する。

【００１２】ここで、この座標変換の方法について図１
を用いて概略説明する。図示したように、投光手段２ｂ
により形成されるスリット光４ｂの中心軸１５ならびに
受光手段３の撮像中心軸１６は、ＸｓＺｓ平面上にあっ
てカメラ座標系の原点で交わりＺｓ軸とそれぞれα，β
の角度を成し、受光手段３の撮像部３ａが持つ平面座標
系の座標軸ｕ，ｖはＸｓ，Ｙｓ軸と各々平行であり、ス
リット光４ｂとXsYs面との交線がＸｃ軸と成す角度を０
度とする。

【００１３】光切断像を画像処理して得られる検出器の
受光面での交点Ｑの座標値（Ｕｋ，Ｖｋ）は、カメラ座
標系の原点から受光手段３までの距離Ｐ，受光手段３の
撮像倍率ｍ、さらに前述したα，βの各校正データを用
いて、光学系の座標データ（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）に変換
する。そして処理した結果をさらにこの光学系が取り付
けられる作業機（図示せず）の座標系（図示せず）に変
換する。以上の計算手順により、検出器受光面上での交
点Ｑの座標値（Ｕｋ，Ｖｋ）は、作業機を固定した位置
を基準とした三次元の絶対座標系に変換される。

【００１４】本発明では、ロータリソレノイド１１の回
転機構によって、カットフィルタと干渉フィルタの二つ
のフィルタのいずれかを二次元の受光手段の前方に移動
させ配置するようにしているが、特にロータリソレノイ
ドによる機構に限定するものではない。また、本発明で
は、溶接ビードの境界位置の三次元位置を検出する方法
について説明したが、これに限定することなく例えば溶
融池形状、あるいは溶接後のビード表面の特定（例えば
割れ）形状及びその位置等のＣＣＤカメラによる三次元
位置検出にも適用可能である。

【００１５】つぎに、本発明の実施例において投光手段
と受光手段に改良を加えた他の実施例について図５ない
し図８を用いて説明する。

【００１６】図５に本発明の他の実施例を示した。図に
おいて１７はハーフミラー、１８は全反射ミラー、３′
は二次元の受光手段である。本実施例は、図１の実施例
が１台の受光手段で所望とする特徴点の検出のための画
像を撮像しているのに対して、カットフィルタを介して
線状光線の波長領域のみの光をカットして広がりのある
第一の投光手段を照射した際の画像を撮像するための第
一の受光手段と、干渉フィルタを介して線状光線の波長
領域のみを選択的に透過するスリット状の線上光線の第
二の投光手段で照射した際の画像を撮像するための第二
の受光手段とを独立して備えたことを特徴とした物体位
置検出方法である。この実施例に示した方法によれば、
受光手段を独立して備えているため、各々の受光手段に
入力される画像の明るさに応じて調整し設定できる効果
がある。

【００１７】図６に本発明の他の実施例を示した。図に
おいて１９は第一の投光手段と第二の投光手段によるワ
ーク面からの反射光量をほぼ一致させるための特殊フィ
ルタである。本実施例は、物体表面に広がりのある光を
照射する第一の投光手段と、単一の発光波長でスリット
状の線状光線を照射する第二の投光手段と、この二つの
照射光の成す面に対し一定の角度をなす方向にあって第
一の投光手段による物体表面からの反射光と第二の投光
手段による物体表面からの反射光による画像のいずれも
撮像する二次元の受光手段とを備えたことを特徴とした
物体位置検出方法である。この場合は、前述した画像例
で述べると図３と図４の画像が同一画面上に重なって現
れる。この実施例は、特殊フィルタの調整と設定が難し
い点があげられるが、一度設定すれば、一つの入力画像
を処理することで所望とする情報を検出できるため、検
出を高速に行うことができる。

【００１８】図７に本発明の他の実施例を示した。図に
おいて２０は全反射ミラー、２１はハーフミラーであ
る。本発明の実施例では、図１，図５及び図６実施例で
は二つの光線が交差しているのに対して、図示したよう
に広がりのある第一の投光手段と単一の発光波長でスリ
ット状の線状光線を照射する第二の投光手段の物体表面
への照射光軸を一致させたことを特徴とした物体位置検
出方法である。この実施例に示した方法によれば、二つ
の照射光線の光軸の位置合わせを最初調整して一体的に
組立てることにより、受光手段との相対的な位置調整が
容易になる。さらに、投光手段と受光手段から成る物体
位置検出装置と測定対象物の距離が変化しても第一，第
二の投光手段による物体表面における反射観測領域が変
化することなく検出できる効果がある。

【００１９】図８に本発明の他の実施例を示した。図８
において１は溶接トーチである。本発明の実施例では、
広がりのある第一の投光手段を使用する代わりに溶接中
に溶接ワイヤ先端部と母材（ワーク）間で発生する溶接
アーク光１′を照射光源とした物体位置検出方法であ
る。この実施例によれば、第一の投光手段を必要としな
いので装置構成が簡単となる。

【００２０】図９に、本発明が適用される自動溶接ロボ
ットシステムの一例を示す。図において２２は溶接ロボ
ット、２３は投光手段２の制御及び本発明の処理を実行
する画像処理部が組み込まれた位置検出装置、２４は溶
接ロボットの制御装置、２５は溶接機、２６は溶接ワイ
ヤ送給装置である。溶接トーチ１と、投光手段２ａ，２
ｂと、フィルタ及びフィルタの切り換え部を備えた受光
手段３″とを位置検出装置付きトーチとしてロボット９
の先端に取付ける。投光手段２と、受光手段３″とを溶
接トーチ１の進行方向前方に配置し、開先位置検出を実
行して実際の開先（ワーク）位置及び溶接ビード位置を
検出し、該検出データを用いて溶接トーチ位置を倣うも
のである。

【００２１】以上は本発明を溶接ワークの開先位置検出
に適用した自動溶接ロボットシステムの例であるが、こ
れに限定することなく、例えば、物体の外観検査等にも
同様に適用できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、物体表面に広がりのあ
る光を照射し、ＣＣＤ等のカメラで物体表面の画像撮像
し、この二次元の画像データを計算処理して得られる特
徴点の検出結果を三次元の位置データに変換することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光学系の構成を示した説明
図。

【図２】多層盛溶接開先ファン面の説明図。

【図３】開先及び溶接ビード像の説明図。

【図４】開先光切断増の説明図。

【図５】本発明の第二の実施例での光学系構成を示した
説明図。

【図６】本発明の第三の実施例での光学系構成を示した
説明図。

【図７】本発明の第四の実施例での光学系構成を示した
説明図。

【図８】本発明の第五の実施例での光学系構成を示した
説明図。

【図９】本発明が適用される自動溶接ロボットシステム
の一例を示した系統図。

【図１０】従来の物体位置検出方法を示した説明図。

【符号の説明】

２…投光手段、２ａ…第一の投光手段、２ｂ…第二の投
光手段、３…受光手段、６，７…ワーク、９…カットフ
ィルタ、１０…干渉フィルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽田 光明 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体表面に広がりのある光を照射する第一
   の投光手段と、単一の発光波長でスリット状の線状光線
   を照射する第二の投光手段と、二つの照射光のなす面に
   対し一定の角度をなす方向から反射光を撮像する二次元
   の受光手段と、前記第一の投光手段による物体表面から
   の反射光のみを撮像するために線状光線の波長領域のみ
   をカットするカットフィルタと、前記第二の投光手段に
   よる物体表面からの反射光のみを撮像するために線状光
   線の波長領域のみを選択的に透過する干渉フィルタと、
   前記二つのフィルタのいずれかの位置を前記二次元の受
   光手段の前面に移動させ配置する移動手段とを備え、前
   記カットフィルタを介して前記二次元の受光手段により
   前記第一の投光手段を照射した際に得られる物体表面の
   画像を計算処理して画面上での任意の特徴位置を検出す
   る第一のステップと、前記干渉フィルタを介して前記二
   次元の受光手段により前記第二の投光手段を照射した際
   に得られる別の画像中の光切断線画像上における前記特
   徴量検出位置を計算処理して対象物体表面の特徴位置の
   三次元位置を検出する第二のステップとを含むことを特
   徴とする物体位置検出方法。