JPH0820207B2 - 光学式３次元位置計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザなどのスリット
光を被計測物体に照射し、またテレビカメラを用いて、
被計測物体の３次元位置を計測する光学式３次元位置計
測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、スリット光投光方式の３次元位
置計測方法では、被計測物体上の計測したい箇所にスリ
ット光を照射してその画像を撮像し、スリット像の各点
の３次元位置を計測している。このために、計測に先立
って被計測物体上の所望の位置および向きにスリット光
が当たるように予め、レーザ投光器とそれに一体的なテ
レビカメラとを位置決めしておく必要がある。このよう
にスリット光投光方式の３次元位置計測方法は、被測定
物体の計測箇所に所望のスリット光が当たっていること
が前提となるため、以下のような問題点（１），
（２），（３）がある。

【０００３】（１）個々の計測箇所に対して所望の位置
と向きにスリット光が当たるように、カメラの位置を予
め調整する必要があり、調整に時間がかかる。

【０００４】（１−１）丸孔の計測ではスリット光が丸
孔に必ずかかるようにカメラの位置を設定する必要があ
り、調整（すなわち３次元位置計測のための教示）時間
がかかっている。

【０００５】（１−２）特に長孔の軸長や四角孔の辺の
長さの計測では、孔の向きに応じてスリット光が当たる
ようにカメラの位置と姿勢とを各孔毎に調整（教示）す
る必要があり、調整（教示）の時間がかかっている。

【０００６】（２）被計測物体の据え付け位置がずれて
スリット光が計測したい箇所から外れた場合には計測で
きない。

【０００７】（２−１）予めスリット光が計測したい位
置に当たるように設定されていたとしても、実際の生産
ラインでは、被計測物体の据え付け位置が所定の位置か
らずれる場合があり、スリット光が外れて計測できない
ことがある。

【０００８】（３）予め被計測物体の計測箇所の相対的
な位置が正確に決まっていない場合には計測ができな
い。

【０００９】（３−１）前述の（２）の問題点に対して
据え付け位置のずれを補正する方法も提案されている
が、予め被計測物体の計測箇所の相対的な位置が正確に
定められている場合に限られている。

【００１０】（３−２）具体的には、プリント基板上の
部品実装検査装置の中には、プリント基板上の基準マー
クを検出してプリント基板の位置ずれを計測し、この値
に基づいてプリント基板全体を移動することによってス
リット光が個々の計測すべき部品に当たるようにスリッ
ト光の位置ずれを補正する装置がある。このような或る
先行技術は、精密工学会画像応用技術専門委員会研究会
報告「光切断法を用いた面付基板の外観検査装置」Ｖｏ
ｌ．Ｎｏ．１，ｐｐ．１〜１１（１９８８−６）であ
る。この先行技術では、個々の被計測物体毎に予め決め
られた位置や方向にスリット光を照射して３次元位置を
計測している。したがって、プリント基板の実装部品の
ように個々の部品の相対的な位置関係がプリント基板上
で正確に決められている場合には、プリント基板全体の
移動で個々の部品のスリット光の位置を補正することが
できるが、個々の部品毎にずれ量やずれの方向が異なる
被計測物体の場合には、この方法ではスリット光を所定
の位置に当てることができず、３次元位置を計測するこ
とはできない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】被計測物体の３次元位
置の計測を、簡便な動作で行うことができるようにした
光学的３次元位置計測方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、被計測物体を
テレビカメラで撮像し、その撮像した画像を処理して、
被計測物体の２次元の物理量を測定し、こうして得られ
た２次元の物理量に基づいて、テレビカメラと一体的で
ある光源からのスリット光が、被計測物体の特定の位置
および方向に当たるように、テレビカメラを移動して位
置決めし、被計測物体に照射されたスリット光をテレビ
カメラで撮像し、その画像に基づいて、被計測物体の３
次元位置を測定することを特徴とする光学式３次元位置
計測方法である。

【００１３】また本発明は、テレビカメラと一体的な光
源からの複数のスリット光を被計測物体に照射し、被計
測物体上にあるスリット光をテレビカメラで撮像して得
た像に基づいて、被計測物体の表面の傾きと距離を測定
し、その傾きと距離との測定結果に基づいて、テレビカ
メラの光軸は被計測物体の表面と予め定める角度をな
し、かつテレビカメラと被計測物体の表面との距離が予
め定める値になるように、テレビカメラを移動して位置
決めし、そのテレビカメラによって被計測物体を撮像
し、その撮像した画像を処理して、被計測物体の２次元
の物理量を測定し、こうして得られた２次元の物理量に
基づいて、被計測物体の特定の位置および方向にスリッ
ト光が当たるように、テレビカメラを移動して位置決め
し、被計測物体に照射されたスリット光をテレビカメラ
で撮像し、その画像に基づいて、被計測物体の３次元位
置を測定することを特徴とする光学式３次元位置計測方
法である。

【００１４】

【作用】本発明に従えば、被計測物体、たとえばワーク
などをテレビカメラで撮像し、その画像から、被計測物
体の長孔などの所定の２次元位置や向き（すなわち姿
勢）などの２次元の物理量を測定し、この２次元の物理
量である情報に基づいて、テレビカメラを、スリット光
が被計測物体の所定の位置および所定の方向に当たるよ
うにテレビカメラを移動して位置決めし、その後、スリ
ット光を被計測物体に照射して、テレビカメラで撮像
し、そのスリット光の画像から、被計測物体の３次元位
置を測定する。テレビカメラを移動して位置決めするに
あたり、前記物理量に基づくだけでなく、さらにその被
計測物体に形成されている孔の形状を識別して、その結
果に基づいて、テレビカメラの位置決めを行うようにし
てもよいけれども、そのような孔などの形状の識別を省
略し、これによってテレビカメラの移動位置決めを迅速
に行うようにすることもできる。

【００１５】さらに、被計測物体の２次元の物理量の測
定だけでは、テレビカメラに関する奥行き方向の情報は
得られないので、もしも、奥行き方向に被計測物体がず
れているときには、テレビカメラを２次元情報のみを用
いて動かしても、スリット光が被計測物体の特定位置お
よび方向に当たるようにテレビカメラを移動して位置決
めすることはできない。この問題を解決するために、本
発明に従えば、まず、テレビカメラと一体的な光源から
の複数のスリット光を被計測物体に照射し、被計測物体
上にあるスリット光をテレビカメラで撮像して得た像に
基づいて、被計測物体の表面の傾きと距離を計測し、そ
の傾きと距離との計測結果に基づいて、テレビカメラの
光軸が被計測物体の表面と予め定める角度をなし、たと
えば垂直となり、かつテレビカメラと被計測物体の表面
との距離が予め定める値になるようにテレビカメラを移
動して位置決めする。こうしてテレビカメラで撮像した
被計測物体の画像を処理し、被計測物体の２次元の物理
量を測定して、そのスリット光が被計測物体への特定の
位置および方向に当たるように、テレビカメラを移動し
て位置決めすることができる。

【００１６】丸孔の場合には、まず、テレビカメラで丸
孔を撮像して画像処理装置でその重心位置を検出し、ま
た、丸孔であることを認識して、次に、これら情報に基
づいて３次元センサのカメラヘッドを移動してスリット
光が丸孔に掛かるようにしてから３次元位置の計測を行
う。この場合、丸孔であると言う識別結果から、スリッ
ト光の向きは合わせない。

【００１７】長孔や四角孔の場合には、まず、テレビカ
メラで長孔や四角孔を撮像してその２次元位置と孔の向
きを検出し、また、長孔や四角孔であることを認識し
て、次に、この情報に基づいてカメラヘッドを移動して
スリット光が長孔の長軸や短軸と重なるように、また、
四角孔では辺と平行にスリット光が孔に掛かるようにし
た後、３次元位置の計測を行う。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の斜視図である。
複数軸（たとえば６軸）の産業用ロボット４２の作業端
５２には、テレビカメラ８と、スリット光を発生する光
源３とが固定されている。被計測物体１は、コンベア４
５によって矢符５３の方向に搬送され、この物体１の３
次元位置が計測され、これによってロボット４２による
物体１の３次元位置の測定のための教示作業が行われ、
その後、連続する複数の各物体１の測定作業を教示デー
タに基づいて自動的に行うことができる。この物体１に
は複数の孔が形成されており、そのうちの１つは参照符
５６で示されるとおり、長孔である。コンベア４５によ
って搬送されてきた物体１は、長孔５６がテレビカメラ
８の撮像によって検出されたとき、そのコンベア４５が
停止されることによって所定の停止位置４６で停止す
る。物体１は、この停止位置４６から多少ずれていて
も、後述の位置計測を正確に行うことができる。テレビ
カメラ８の視野５４内の撮像された画像は、マイクロコ
ンピュータなどによって実現される処理回路５０に入力
され、ロボット４２は、この画像処理の結果に基づく電
気信号を受信するロボットコントローラ５１によって動
作の制御が行われる。画像処理結果は、モニタテレビな
どの表示手段４４によって表示される。

【００１９】図２を参照して、光源３からのレーザであ
るスリット光５５は、物体１に照射され、テレビカメラ
８によって撮像される。テレビカメラ８は、ワーク１の
２次元画像およびスリット光５５の画像を撮像する。こ
の実施例では、構成が簡単であり、テレビカメラ８を小
形化することができる。

【００２０】図３は、長孔５６の斜視図である。この長
孔５６は重心、すなわち２次元平面内での重心４７を有
し、位置計測時には、光源３からのスリット光５５は、
参照符４８で示されるように重心４７を通る長軸の向き
に一致するようにロボット４２の作業端５２、したがっ
てテレビカメラ８が移動される。こうして長孔５６にス
リット光５５が照射された状態は図４に示されていると
おりである。

【００２１】図５を参照して、処理回路５０の教示時の
動作を説明する。ステップａ１からステップａ２に移
り、コンベア４５によって搬送されてくる物体１の長孔
５６がテレビカメラ８の視野５４内に入り、その物体１
が所定の停止位置４６付近にきたことが判断されると、
コンベア４５が処理回路５０の働きによって停止され
る。ステップａ３では、ロボット４２の作業端５２を動
かして、テレビカメラ８によって前述の長孔５６を撮像
し、表示手段４４の画面に表示する。ステップａ４で
は、操作者は、この画面を見ながら入力手段４４ａを操
作し、物体１がテレビカメラ８の視野５４内に正確に入
るように、作業端５２をロボットコントローラ５１の働
きによって移動し、長孔５６毎にテレビカメラ８の位置
を教示してロボットコントローラ５１の教示データとし
て教示してゆく。こうして複数の孔毎に各孔がテレビカ
メラ８の視野内に入るようにロボット４２を動作させ、
各孔毎のテレビカメラ８の位置を教示データとして順次
適宜ストアしてゆく。このような教示動作によって、各
孔に対してテレビカメラ８を厳密に位置決めする必要が
ないので、教示作業を大幅に簡略化することができ、教
示時間を短くすることができる。また上述のように物体
１は停止位置４６に正確に位置決めされる必要がなく、
好都合である。物体１を停止位置４６付近に停止するた
めに、上述の実施例ではテレビカメラ８の撮像によって
行ったけれども、他の実施例として、この物体１をたと
えば光電スイッチまたはマイクロスイッチなどを用い
て、コンベア４５を停止する構成としてもよく、その他
の構成であってもよい。

【００２２】ステップａ５において、物体１に形成され
ている全ての孔の前述の動作ステップａ３，ａ４の動作
が終了したことが判断されると、ステップａ６において
一連の動作を終了する。

【００２３】図６は、処理回路５０における物体１の３
次元位置の計測時の動作を説明するためのフローチャー
トである。ステップｂ１からステップｂ２に移り、被計
測物体１がコンベア４５によって搬送され、所定の停止
位置６付近で、教示位置と同様にして停止される。ロボ
ット４２の作業端５２を、教示位置にステップｂ３で移
動し、次のステップｂ４では、まず、テレビカメラ８に
よって長孔５６を撮像し、処理回路５０では、画像処理
演算を行って、その重心４７の位置とその長孔５６の向
き４８とを検出し、その検出結果をロボットコントロー
ラ５１に送信して与える。これによってロボットコント
ローラ５１は、ロボット４２による作業端５２の移動量
を算出してステップｂ５においてテレビカメラ８を移動
し、長孔５６に対して光源３からのスリット光５５が重
心４７を通りかつその向き４８にスリット光５５が当た
るようにテレビカメラ８の位置決めを行う。

【００２４】ステップｂ６では、物体１の長孔５６に照
射されたスリット光５５を撮像し、その画像信号を回路
５０に与え、長孔５６の位置および方向（すなわち姿
勢）、さらには寸法などの物理量を測定演算する。こう
してステップｂ３〜ステップｂ６の動作が、各孔毎に繰
返し行われ、全ての孔に関しての動作が終了したことが
ステップｂ７において判断されると、ステップｂ８で
は、一連の動作を終了する。

【００２５】このような実施例によれば、被計測物体１
の２次元位置や向きを計測してスリット光５５が被計測
物体１の長孔５６などの所定の位置および向きに当たる
ように透光することができるので、被計測物体１に位置
ずれが生じるとき、および長孔５６の向き４８が予め判
っていないときでも、被計測物体１の長孔５６の位置お
よび寸法などを測定することができる。長孔５６の軸長
の計測および長孔５６に代えて四角形の孔の辺の長さを
測定するときには、特にこのような実施例によれば、面
倒な位置と向きの調整が不要となり、したがってその調
整時間、すなわち教示時間を大幅に短縮することができ
る。

【００２６】上述の実施例では、テレビカメラ８による
物体１の撮像によって長孔５６の重心４７の位置と慣性
主軸の方向すなわち向き４８とを検出し、スリット光５
５がその重心位置４７を通り、向き４８に当たるよう
に、テレビカメラ８を位置決めしているけれども、この
ような２次元検出では、テレビカメラ８の奥行き方向の
情報は得られない。したがってもしも、奥行き方向に被
計測物体１がずれているときには、上述の２次元情報の
みを用いてテレビカメラ８を動かしても、スリット光５
５が長孔５６の重心４７の位置を通りかつ向き４８に当
たるように、テレビカメラ８を位置決めすることはでき
ない。この問題を解決する構成は、図７および図８に示
される本発明の他の実施例によって解決される。この実
施例では、概略を述べると、予めテレビカメラ８の光軸
が被計測物体１の表面、すなわち、長孔５６を含む面に
垂直でかつテレビカメラ８からその面までの距離が所定
の値になるようにテレビカメラ８を位置決めした後に、
そのテレビカメラ８によって長孔５６を撮像して２次元
計測を行うことによって、平面内での補正で対処するこ
とができる。この面の傾きと面までの距離の計測は、複
数のスリット光を被計測物体１に照射し、またテレビカ
メラ８を用いることによって求めることができる。

【００２７】図７は、本発明の他の実施例の処理回路５
０の教示時の動作を説明するためのフローチャートであ
る。ステップｃ１からステップｃ２に移り、コンベア４
５によって搬送される被計測物体１が所定の位置４６付
近にもたらされたときに、コンベア４５を停止する。ス
テップｃ３では、ロボット４２を動作させてテレビカメ
ラ８が長孔５６の上方にくるように、移動する。ステッ
プｃ４では、操作者は表示手段４の画面を見ながら、テ
レビカメラ８の視野５４内に長孔５６が入るように、ロ
ボット４２を動作させ、物体１の長孔５６を含む面に対
してテレビカメラ８の光軸がほぼ垂直であり、かつその
表面とテレビカメラ８との間の距離がほぼ所定の値とな
るように、ロボット４２の作業端５２を移動してテレビ
カメラ８を位置決めし、そのときのテレビカメラ８の位
置を教示データとしてロボットコントローラ５１に記憶
する。このようなステップｃ３，ｃ４を各孔毎に行い、
全ての孔の動作を終了したことを、ステップｃ５で判断
したとき、ステップｃ６に移り、一連の動作を終了す
る。

【００２８】図８は、被計測物体１の３次元位置の計測
時の動作を説明するためのフローチャートである。この
実施例では、テレビカメラ８と一体的に、相互に異なる
位置に２つの光源３，４（図１３参照）が設けられ、こ
れらの光源を総括的に、説明の簡略化のために参照符３
で表す。この構成に関しては、後述する。ステップｄ１
からステップｄ２に移り、被計測物体１がコンベア４５
で搬送され、所定の停止位置４６付近で停止され、その
後、ステップｄ３では、ロボット４２を動作させて、テ
レビカメラ８および光源３を、測定したい長孔５６の図
７のフローチャートの動作によって教示された位置に移
動する。その後、ステップｄ４では、光源３からスリッ
ト光を被計測物体１に照射して、テレビカメラ８を用い
て撮像し、その演算によって、長孔５６を含む面の傾き
と距離とを計測し、それらの値をロボットコントローラ
５１に送信して与える。

【００２９】次のステップｄ５では、ロボット４２は、
ステップｄ４において求められた値に基づき、テレビカ
メラ８の位置を移動し、そのテレビカメラ８の光軸が前
記面に対して垂直であり、かつ所定の距離だけあけられ
るように、移動して位置決めする。ステップｄ６では、
テレビカメラ８によって長孔５６を撮像し、処理回路５
０で長孔５６の重心４７の位置と長孔５６の向き４８と
を計測し、それらの値をロボットコントローラ５１に送
信にして与える。次のステップｄ７，ｄ８は、前述の実
施例における図６のステップｂ５，ｂ６と同様な動作が
それぞれ行われ、長孔５６の３次元の位置と寸法、すな
わち径などとを演算して求める。ステップｄ９において
全ての孔に関してステップｄ３〜ｄ８の動作が完了した
ものと判断されたときには、ステップｄ１０に移り、一
連の動作を終了する。

【００３０】光源３とテレビカメラ８とから成る光学系
の外乱光の影響に対して誤動作をしないようにするため
に、本発明の他の各実施例が、図９〜図１２にそれぞれ
示される。図９では、１台のテレビカメラ８を用いてお
り、特定の波長を有するスリット光５５を光源３から発
生し、これと同じ波長の照明光を発生する照明装置５８
によって被計測物体１を参照符５９で示されるように照
射する。テレビカメラ８には、スリット光５５の波長と
同じ波長の光だけを通過させる光学フィルタ６０を装備
する。被計測物体１の２次元画像を得るときには、照明
装置５８のみを点灯し、光源３を休止し、またスリット
光５５の画像を入力するときには、照明装置５８を消灯
し光源３だけを点灯する。こうして外乱光による誤動作
を防ぐことができる。照明装置５８は、テレビカメラ８
を外囲し、環状に多数の発光ダイオードを配置した構成
を有していてもよく、環状に照明光５９を発生して物体
１の全面を照明する構成を有する。

【００３１】図１０は、他の実施例の断面図である。こ
の実施例では、光源３から発生されるスリット光５５の
波長と同一の波長の光だけを通過させる光学フィルタ６
０を、１台のテレビカメラ８のレンズ面から着脱可能に
構成する。フィルタ６０は、フィルタ装着機構６１によ
って、テレビカメラ８に装着し、またテレビカメラ８か
ら離脱することを可能にする。被計測物体１の２次元画
像を入力する際には、光学フィルタ６０をテレビカメラ
８のレンズ面からフィルタ装着機構６１によって外した
状態とし、自然光でテレビカメラ８による物体１の撮像
を行う。スリット光の画像を入力するには、光学フィル
タ６０をフィルタ装着機構６１によってテレビカメラ８
に装着した状態とし、光源３からスリット光５５を発生
する。こうして外乱光の影響に対して強い光学系を構成
することができる。

【００３２】さらに他の実施例は、図１１に示される。
この実施例では２台のテレビカメラ８ａ，８ｂが用いら
れ、一方のテレビカメラ８ａには、光源３からのスリッ
ト光５５の波長と同じ波長の光のみを通過させる光学フ
ィルタ６０が備えられ、ハーフミラー６２を介してスリ
ット光の画像を入力することができる。ハーフミラー６
２によって反射された被計測物体１の画像は、他方のテ
レビカメラ８ｂによって撮像され、その物体１の２次元
画像を入力することができる。このような構成によって
もまた、外乱光の影響に対して強い光学系とすることが
できる。

【００３３】前述の図１１の実施例では、両テレビカメ
ラ８ａ，８ｂの画像は相互に反転しており、このような
問題を解決するためのさらに他の実施例は図１２に示さ
れる。この実施例では、反射鏡６３がさらに設けられ、
２台のテレビカメラ８ａ，８ｂの各画像は相互に反転し
ない画像となっている。その他の構成は、図１１と同様
である。

【００３４】上述の実施例では、被計測物体１をテレビ
カメラ８によって撮像し、その撮像して得られた画像情
報を処理して、被計測物体１の長孔５６の２次元の位置
および向き４８を演算処理して求めて測定するように構
成されたけれども、他の実施例として、図１３に示され
るように、長孔の代りに真円の孔２が形成されている被
計測物体１の孔２の中心位置の計測を次のようにして行
うようにしてもよい。

【００３５】この長孔５６には、複数（この実施例では
２）のスリット光が照射される。なお、カメラとスリッ
ト光を照射する２台の光源３，４は一体化されている。
スリット光は参照符５，６でそれぞれ示される平面であ
る。被計測物体１の表面にある光切断線は孔２において
欠落しており、これらの端点を参照符Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで
それぞれ示す。被計測物体１の表面は、工業用テレビカ
メラ８によって撮像される。このカメラ８は、電荷蓄積
素子（略称ＣＣＤ）の撮像面８ａと、被計測物体１の表
面を撮像面８ａに結像するレンズ９とを含む。被計測物
体の３次元座標系をＸ，Ｙ，Ｚで示し、カメラ８のカメ
ラ座標系（ＣＣＤの撮像面上に設定される座標系）をＸ
ｃ，Ｙｃで示す。カメラ８からの出力は、処理回路１０
に与えられる。

【００３６】まず孔２の中心位置の計測を行い（後述の
Ｉ章〜II章）、次に被計測物体１の平面である表面の傾
き、すなわち姿勢角を計測し（後述のIII章）、さらに
また、その被計測物体１の一表面とカメラ８との間の距
離を計測する（後述のIV章）。

【００３７】まず孔２の円の中心位置の計測原理を説明
する。処理回路１０では、図１４のステップｎ１からス
テップｎ２に移り、交差する２本のスリット光５，６
を、孔２を含む平面に対して投光し、孔２の縁で欠落す
る４つの端点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの３次元位置を計測する。

【００３８】Ｉ、スリット光５，６によるＡ点Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄの３次元位置の計測方法。

【００３９】図１５に示されるようにスリット光の投光
器３と、カメラ８とを配置し、スリット光平面５上の１
点Ｐ（このＰは、前述のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを代表して表
す）の物体座標系でその座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、点Ｐの
撮像面８ａ上の像の座標をカメラ座標系でＱ（Ｘｃ，Ｙ
ｃ）とする。カメラ８の透視変換を数１に示す。

【００４０】

【数１】

【００４１】またスリット光平面５の方程式を数２に示
す。

【００４２】

【数２】ａ＊Ｘ＋ｂ＊Ｙ＋Ｚ＝ｄ したがって、図１５のＰの物体座標系における座標
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は数１および数２を連立させて解くこと
によって求まる。基本的には、スリット光平面５，６上
にあるすべての点の３次元座標を求めることができる。

【００４３】スリット光の平面の方程式の係数算出を行
うには、スリット光の平面上の既知の３点の３次元位置
を数２に代入すれば、ａ，ｂ，ｄに関する３元連立方程
式が得られるので、これを解けばａ，ｂ，ｄを算出でき
る。

【００４４】II、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを通る円の中心の計
測方法。

【００４５】点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを通る円の中心は、（１
ａ）４点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを通る平面上にある。

【００４６】（２ａ）各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからの距離が
等しい。

【００４７】という２つの条件１ａ，２ａから求まる。

【００４８】（１）被計測物体１の表面である４点Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄを含む平面Ｐ１３、すなわち図１６の紙面の
方程式の係数の算出（図１４のステップｎ３）。

【００４９】４点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを含む平面の法線ベク
トル成分は、Ｚ成分が大きく、Ｘ，Ｙ成分および距離が
小さいので、平面の方程式を次式で表す。

【００５０】

【数３】ａ₁＊ｘ＋ｂ₁＊ｙ＋ｚ＝ｄ₁ ４点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、この平面上の点であるので、

【００５１】

【数４】

【００５２】これにより、最小２乗法でａ，ｂ，ｄを算
出し、あるいはまた３点Ａ，Ｂ，Ｃの場合には、１行の
成分を無視して逆行列でａ₁，ｂ₁，ｄ₁を算出する。

【００５３】（２）各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのうちの２点か
らの距離が等しい平面の方程式の係数の算出。

【００５４】図１６の平面図を参照して、点Ａ，Ｂから
等しい距離にある点は次式になる（図１４のステップｎ
４）。

【００５５】

【数５】ａ₂＊＋ｂ₂＊ｙ＋ｃ₂＊ｚ＝ｄ₂ と置く。数５は、平面Ｐ１１の式である。

【００５６】点Ｃ，Ｄも同様に算出する（図１４のステ
ップｎ５）。

【００５７】

【数６】ａ₃＊ｘ＋ｂ₃＊ｙ＋ｃ₃＊ｚ＝ｄ₃ と置く。数６は、平面Ｐ１２の式である。

【００５８】（３）円の中心Ｏの算出。

【００５９】数３、数５、数６の３平面の交点が円の中
心である。したがって、円の中心座標（ｘｃ１，ｙｃ
１，ｚｃ１）は次式の連立方程式を解くことで求まる
（図１４のステップｎ６）。

【００６０】

【数７】

【００６１】これより

【００６２】

【数８】

【００６３】III、平面Ｐ１３のＸ軸まわりの姿勢角α
およびＹ軸まわりの姿勢角βの計測。

【００６４】図１７（１）において、平面Ｐ１３ａがＸ
軸まわりに＋Δαだけ角変位して平面Ｐ１３ｂの姿勢と
なったとき、スリット光５の平面Ｐ１３ａ上の光切断線
２６は、平面Ｐ１３ｂ上では光切断線２７のとおりとな
る。カメラ８の撮像面８ａにおいて、α＝０の光切断線
２６の像は参照符２６ａで示され、その回転後の光切断
線２７の像は参照符２７ａで示される。また図１８
（１）で示されるように、平面Ｐ１３ｃがＹ軸まわりに
角度Δβだけ角変位して平面Ｐ１３ｄとなったときに
は、平面Ｐ１３ｃ上の光切断線２８は平面Ｐ１３ｄ上で
光切断線２９となる。したがってカメラ８の撮像面８ａ
において、光切断線２８の像２８ａは光切断線２９の像
２９ａとなる。こうして撮像面８上の像２７ａ，２９ａ
によって、平面Ｐ１３ａ，Ｐ１３ｂの相互の角度Δαと
平面Ｐ１３ｃ，Ｐ１３ｄの角度＋Δβを演算して求める
ことができる。図１７および図１８にΔα，Δβの定義
を示し、さらに図１９〜図２１を参照して平面の傾きを
求める手法について具体的に述べる。

【００６５】（１）図２０に示される対象面Ｐ１３のＸ
軸まわりの姿勢角αと、その対象面Ｐ１３のＹ軸まわり
の姿勢角βとを求めるにあたり、まず（１）カメラ８の
撮像面８ａ上の水平スリット光の光切断線３０の方程式
を予め求めておき、この光切断線３０の方程式と、
（２）予め求めておいた前述のカメラパラメータＣ₁₁〜
Ｃ₃₄とから、（３）光切断線３０とレンズ９の主点を通
る平面Ｐ１４の方程式を求める（図１９のステップｍ
１，ｍ２）。また（４）スリット光の平面Ｐ１５の方程
式を予め求めておく（図１９のステップｍ３）。

【００６６】（２）前のパラグラフ（１）で示した方程
式（１），（３），（４）と、カメラパラメータ（２）
とによって、平面Ｐ１４，Ｐ１５の各平面の法線ベクト
ルを求め、その法線ベクトルをＰ₂₁，Ｐ₃₁とし、平面Ｐ
１４，Ｐ１５の交線３１の方向ベクトルＬ４を

【００６７】

【数９】Ｐ₄₁＝（１，ｔ₄，ｕ₄） とすると、Ｐ₄₁とＰ₂₁，Ｐ₃₁とは直交するので、

【００６８】

【数１０】Ｐ₂₁・Ｐ₄₁＝０

【００６９】

【数１１】Ｐ₃₁・Ｐ₄₁＝０ これにより、Ｐ₄₁が求められる（図１９のステップｍ
４）。

【００７０】（３）同様にして図２１から、光切断線３
２とカメラパラメータより平面Ｐ１６の方程式を求め、
平面Ｐ１７の方程式も求めておけば、平面Ｐ１６，Ｐ１
７の法線ベクトルをそれぞれＰ₆₁，Ｐ₇₁、交線３３の方
向ベクトルＬ８を

【００７１】

【数１２】Ｐ₅₁＝（ｓ₅₁，１，ｕ₅₁） として、

【００７２】

【数１３】Ｐ₆₁・Ｐ₅₁＝０

【００７３】

【数１４】Ｐ₇₁・Ｐ₅₁＝０ これより、Ｐ₅₁が求められる（図１９のステップｍ
７）。

【００７４】この図２１において、平面Ｐ１６はレンズ
９の主点を通る平面であり、Ｐ１７は投光器３のスリッ
ト光がなす平面を示している。

【００７５】（４）対象面Ｐ１３の法線ベクトル

【００７６】

【数１５】Ｐ₀＝（ｓ₀，ｔ₀，１） はＰ₄₁，Ｐ₅₁に直交するから、

【００７７】

【数１６】Ｐ₀・Ｐ₄₁＝０

【００７８】

【数１７】Ｐ₀・Ｐ₅₁＝０ これより、Ｐ₀が求められる（図１９のステップｍ
８）。

【００７９】センサの撮像面８ａの対象面Ｐ１３に対す
る姿勢角α（Ｘ軸まわりの回転角）、β（Ｙ軸まわりの
回転角）は次式で求められる（図１９のステップｍ
９）。

【００８０】

【数１８】α＝ｔａｎ^-1（ｔ₀）

【００８１】

【数１９】β＝ｔａｎ^-1（ｓ₀） IV、距離の計測方法。

【００８２】図２２に示されるように、平面Ｐ１３ｅと
カメラ７の撮像面８との間の距離を計測する際、この平
面Ｐ１３ｅがＰ１３ｆおよびＰ１３ｇで示すように検出
可能な範囲で変位すると、図２２（２）で示されるよう
に撮像面８上では、投光器３のスリット光５の光切断線
３４，３５，３６は像３４ａ，３５ａ，３６ａとなって
検出される。このようにして撮像面８上の像３４ａ，３
５ａ，３６ａを検出することによって、平面Ｐ１３ｅ，
Ｐ１３ｆ，Ｐ１３ｇの距離を計測することができる。こ
の手法を図２３および図２４を参照してさらに具体的に
説明する。

【００８３】（１）カメラ８の光軸の方程式は、

【００８４】

【数２０】ｘ＝ｙ＝０ であって、その撮像面８ａと対象面Ｐ１３との距離ｄ
は、カメラ８のレンズ９の光軸と対象面Ｐ１３の交点の
Ｚ座標と定義する。

【００８５】対象面Ｐ１３上の１点の座標を求めれば、
対象面Ｐ１３の法線ベクトルとから対象面Ｐ１３の平面
の方程式が決定できる。その点は、平面Ｐ１４，Ｐ１
５，Ｐ１７の交点として得られ、その点を、（ｘ₀，
ｙ₀，ｚ₀）とすると、対象面Ｐ１３の方程式は、

【００８６】

【数２１】 ｓ₀（ｘ−ｘ₀）＋ｔ₀（ｙ−ｙ₀）＋１・（ｚ−ｚ₀）＝
０ となる（図２３のステップｒ１，ｒ２）。

【００８７】（２）距離ｄは、

【００８８】

【数２２】ｄ＝ｓ₀Ｘ₀＋ｔ₀Ｙ₀＋Ｚ₀ として求められる（図２３のステップｒ３，ｒ４）。

【００８９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、被計測物
体をテレビカメラで撮像し、その撮像した画像を処理し
て、被計測物体の２次元の物理量を測定し、こうして得
られた２次元の物理量に基づいて、スリット光が被計測
物体の特定の位置および方向に当たるように、テレビカ
メラを移動して位置決めし、被計測物体に照射されたス
リット光をテレビカメラで撮像し、その画像に基づい
て、被計測物体の３次元位置を測定するようにしたの
で、被計測物体に対するテレビカメラの位置決めを、ラ
フに、すなわち低精度で設定することができ、調整、し
たがってロボットの教示のための時間を短縮することが
できる。このことは特に、被計測物体に形成された長孔
の軸長および四角孔の辺の長さを計測するときには、面
倒な位置と向きの調整が不要となり、調整時間、すなわ
ち教示時間を大幅に短縮することができる。またテレビ
カメラの視野内に、被計測物体の孔などが入ればよいの
で、被計測物体を移動して、テレビカメラの視野内に入
れることが容易であり、その被計測物体の停止時以後の
産業用ロボットの教示動作をむやみに高精度に行う必要
がなく、教示動作が容易となる。

【００９０】また本発明によれば、被計測物体の位置が
ずれたときでも、その３次元位置、さらには寸法などを
計測することができる。またテレビカメラの視野内に被
計測物体の複数の孔が存在するときには、その複数の孔
のうちの１つのみの教示を行えばよくなるので、教示作
業を簡便に行うことができるようになる。こうして各孔
の概略の位置を検出して各孔に順番にスリット光を照射
して、各孔の３次元の位置を検出することができる。

【００９１】さらに本発明によれば、複数のスリット光
を被計測物体に照射し、そのスリット光をテレビカメラ
で撮像して得た像に基づいて、被計測物体の表面の傾き
と距離を計測し、その傾きと距離との計測結果に基づい
て、テレビカメラの光軸は被計測物体の表面と予め定め
る角度をなし、かつテレビカメラと被計測物体の表面と
の距離が予め定める値となるように、テレビカメラを移
動して位置決めするようにしたので、テレビカメラに対
して奥行き方向に被計測物体がずれているときであって
も、テレビカメラを２次元の物理量である２次元情報の
みを用いて動かしても、スリット光が孔などの特定の位
置および方向に当たるように、テレビカメラを移動して
位置決めすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体の斜視図である。

【図２】光源３からのスリット光５５を被計測物体１に
照射し、ＴＶカメラ８によって撮像している状態を示す
図である。

【図３】長孔５６を示す斜視図である。

【図４】長孔５６にスリット光５５を照射している状態
を示す図である。

【図５】図１〜図４に示される実施例における処理回路
５０の動作を説明するための教示時の動作のフローチャ
ートである。

【図６】処理回路５０の３次元位置計測時の動作を説明
するためのフローチャートである。

【図７】本発明の他の実施例の教示時の動作を説明する
ためのフローチャートである。

【図８】図７に示される実施例の３次元位置の計測時の
動作を説明するためのフローチャートである。

【図９】本発明の他の実施例の光学系を簡略化して示す
図である。

【図１０】本発明のさらに他の実施例の光学系を簡略化
して示す図である。

【図１１】本発明の他の実施例の光学系の構成を示す簡
略化した図である。

【図１２】本発明のさらに他の実施例の光学系の構成を
簡略化して示す図である。

【図１３】２つの光源３，４からのスリット光５，６を
用いると共にテレビカメラ８を用いて、孔２の中心位置
を測定するための構成を示す簡略化した斜視図である。

【図１４】孔２の中心位置の算出手順を示すフローチャ
ートである。

【図１５】スリット光５による点Ｐの３次元位置計測の
手法を示す斜視図である。

【図１６】平面Ｐ１３の平面図である。

【図１７】平面の姿勢角αの定義を示す図である。

【図１８】平面の姿勢角βの定義を示す簡略化した図で
ある。

【図１９】姿勢角α，βを計測する手順を示すフローチ
ャートである。

【図２０】対象面Ｐ１３のＸ軸まわりの姿勢角αとＹ軸
まわりの姿勢角βを計測するための手法を示す簡略化し
た図である。

【図２１】姿勢角α，βを計測するための手法を示す簡
略化した図である。

【図２２】平面Ｐ１３ｅ，Ｐ１３ｆ，Ｐ１３ｇの距離の
計測原理を示す簡略化した図である。

【図２３】平面の距離ｄの算出手順を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

１ 被計測物体 ８ テレビカメラ ３，４ 光源 ４２ ロボット ４５ コンベア ４６ 停止位置 ４７ 重心 ４８ 向き ５４ 視野 ５５ スリット光 ５６ 長孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金丸 孝夫 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社 明石工場内 (72)発明者 中野 康夫 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社 明石工場内 (56)参考文献 特開 平３−186706（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被計測物体をテレビカメラで撮像し、 その撮像した画像を処理して、被計測物体の２次元の物
   理量を測定し、 こうして得られた２次元の物理量に基づいて、テレビカ
   メラと一体的である光源からのスリット光が、被計測物
   体の特定の位置および方向に当たるように、テレビカメ
   ラを移動して位置決めし、 被計測物体に照射されたスリット光をテレビカメラで撮
   像し、その画像に基づいて、被計測物体の３次元位置を
   測定することを特徴とする光学式３次元位置計測方法。
2. 【請求項２】 テレビカメラと一体的な光源からの複数
   のスリット光を被計測物体に照射し、 被計測物体上にあるスリット光をテレビカメラで撮像し
   て得た像に基づいて、被計測物体の表面の傾きと距離を
   測定し、 その傾きと距離との測定結果に基づいて、テレビカメラ
   の光軸は被計測物体の表面と予め定める角度をなし、か
   つテレビカメラと被計測物体の表面との距離が予め定め
   る値になるように、テレビカメラを移動して位置決め
   し、 そのテレビカメラによって被計測物体を撮像し、その撮
   像した画像を処理して、被計測物体の２次元の物理量を
   測定し、 こうして得られた２次元の物理量に基づいて、被計測物
   体の特定の位置および方向にスリット光が当たるよう
   に、テレビカメラを移動して位置決めし、 被計測物体に照射されたスリット光をテレビカメラで撮
   像し、その画像に基づいて、被計測物体の３次元位置を
   測定することを特徴とする光学式３次元位置計測方法。