JPH0827183B2 - 三次元座標自動測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学的手段を使用した測定装置であって、
空間の点の座標を自動的に測定する三次元測定装置に関
する。

（従来の技術） 例えば自動車にあっては、１つの部品と他の部品とを
組み付けて中間組立部品（以下、サブアッシと言う）を
完成させたり、このサブアッシを車体に組み付けて１つ
の完成車を製造する際においては、その組み付け精度が
完成車の品質を左右する最も重要な要因であることは言
うまでもない。特に自動車のような多部品から構成され
るものにあっては、１つの部品の構造を改良することに
より、組み付け誤差を極力小さくしたり、組み付け誤差
を吸収しえる開発が従来より進められている。他方、製
造過程、例えばプレス加工や樹脂成形における部品精度
を確保したり、各製造過程における検査精度を向上させ
たりすることも進められている。

このような製造品の製造精度を測定する手段の一つと
して、三次元測定装置が知られており、該装置は光学的
手段を用いて精度良く、しかも迅速に製造品の測定点を
測定し得るように概ね構成されている。すなわち、第12
図に示すように、被測定物１を固定搭載するマスタテー
ブル10と、このマスタテーブル10に対して固定された光
学的手段であるカメラ５と、このカメラ５によって撮像
されたデータを演算する画像処理装置11とから構成さ
れ、付帯装置として、画像処理装置11の演算結果を記録
紙13に出力する記録装置12などが付加されている。そし
て、マスタテーブル10上の基準点14と、被測定物１の測
定点２とがカメラ５の視野内に入るように当該カメラ５
を設置し、予め基準点14に対する測定点２のマスタ位置
データを画像処理装置11内のメモリに格納しておく。こ
の状態で、製造品１をマスタテーブル10上の所定位置に
セットし、カメラ５により製造品１の測定点２とマスタ
テーブル10の基準点14との位置関係を画像処理装置14に
より演算する。このとき前述した測定点のマスタ位置デ
ータ（X₀，Y₀）と、実際に測定された測定点（X₁，Y₁）
とのそれぞれの基準点を画像処理装置11内の演算部で一
致させ、 ΔＸ＝X₁−X₀，ΔＹ＝Y₁−Y₀ を演算する構成になっており、これによって測定点の位
置座標を容易に算出することができるようになってい
る。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上述した従来の三次元測定装置にあって
は、カメラの撮像方向に対して直交する平面内の位置
（前記Ｘ−Ｘ平面）は、容易に測定できるように構成さ
れているが、カメラの撮像方向（そなわち、第12図にお
けるＺ軸方向）の測定点の位置測定は、カメラの焦点距
離によって演算されるようになっていることから、測定
値の誤差が大きいという欠点がある。

また、カメラ５はマスタテーブル10に対して所定位置
に固定されているため、被測定物１の面構成が複雑な場
合などにあっては、それぞれの測定点に専用のカメラを
設置しなければならず、測定装置が大型化及び複雑化
し、またコスト的にも不利である。

しかも、このように多数のカメラを設けたとしても、
被測定物の形状が変わればそのまま使用することができ
ず、汎用性に極めて乏しい。

そこで本発明者らは、産業用ロボットが有する汎用性
に着目し、測定点の三次元座標を正確にしかも迅速に測
定することができ、さらに汎用性に富んだ自動測定装置
を提供すべく鋭意研究した結果、本発明を完成するに至
った。

したがって、本発明は、測定点の三次元座標を正確に
しかも迅速に測定することができ、さらに汎用性に富ん
だ自動測定装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するための本発明は、被測定物の複数
の測定点に取り付けられた球形状の被検出部に対し所定
の距離および姿勢を保ちつつ近接して作動するように予
めティーチングされた産業用ロボットのアームに、撮像
する視野から入力される光の強さにより、前記被検出部
の撮像面上の二次元的な位置を光学的に検出する位置検
出手段を設け、当該位置検出手段により、当該測定点に
取り付けられた被検出部の二次元座標位置を、当該一の
測定点につき、一の方向から、あるいは前記位置検出手
段の姿勢を変えて二以上の異なる方向からそれぞれ検出
し、この検出結果に基づいて当該測定点と当該測定点に
対する標準点との位置誤差を演算する演算手段を有して
なる三次元座標自動測定装置である。

（作用） このように構成した本発明にあっては、まず被測定物
の各測定点に対する標準点の位置座標、すなわちマスタ
位置座標を演算手段に格納しておく。そして、被測定物
を所定位置に設置した後に、産業用ロボットが予めティ
ーチングされた軌跡に沿って被測定物に対して作動させ
ると、ロボットのアームに取り付けられた位置検出手段
が各測定点に取り付けられた被検出部各測定点を、一の
測定点につき一又は二以上の方向から光学的に撮像し、
この撮像データを演算手段に入力して、前記マスタ位置
座標と比較演算する。これにより標準点に対する測定点
の位置誤差を得ることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る三次元座標自動測
定装置を示す概念図、第２図は、同実施例の三次元自動
測定装置に使用する中心位置決め部材を示す斜視図、第
３図は、第２図のIII−III線に沿う断面図、第４図は第
２図のIV−IV線に沿う断面図、第5,6図は、同実施例の
ロボット制御手段及びカメラ制御手段、演算手段の制御
を示すフローチャート、第７〜11図は、同実施例の座標
変換方法を示す説明図である。

まず、第１図に示すように、本実施例の三次元座標自
動測定装置は、アーム４を備えた産業用ロボット３と、
位置検出手段であるカメラ５と、産業用ロボットの制御
手段７と、カメラの制御手段８と、演算手段６と、記録
手段９とから構成されている。産業用ロボット３は、従
来より公知の多軸駆動型ロボットであって、その先端に
アーム４を備えている。このロボットのアーム４は、ロ
ボット制御手段７から送信される制御信号が、ロボット
３の各軸に設けられたアクチュエータ（不図示）に入力
され、同様に各軸に設けられたエンコーダ（不図示）に
よって制御されつつ、予めティーチングされた軌跡上を
動き、前記カメラ５を被測定物１の測定点２に近接する
位置に、順次移動させるようになっている。

アーム４先端に取り付けられたカメラ５は、内部にCC
D（Charge Coupled Device）素子を有し、撮像する視野
から入力した光が、このCCDの各画素において、その光
の強さ相当の電荷として蓄積され、各画素毎に出力信号
となって、前記カメラ制御手段８に送信される、例え
ば、第１図に示すように、自動車のメンバ20にスポット
溶接されたブラケット21の中心位置が、標準位置に対し
てどれだけずれているかを検査する場合、まず後述する
この中心位置決め部材22をブラケット21にセットする。
この中心位置決め部材22には、球形状の被検出部23が形
成されており、この被検出部23以外の部分が黒く塗装さ
れている。したがって、この被検出部23からの反射光が
入射したCCDの画素は、周囲の部分に対して明るくな
り、これらの各画素の信号がカメラ制御手段８にそれぞ
れ送られ、ここで被検出部23の中心位置を適確に検出す
ることができる。

このような被検出部23を有する中心位置決め部材22の
一例としては、第２〜４図に示すものがある。図中「2
1」は、自動車の車体のメンバ（不図示）などにスポッ
ト溶接されたブラケットであり、ボルト孔24,24が形成
され、２つの縦壁25、25間に例えばロアアームの端部を
挿入し、ボルトにより当該ロアアームをメンバに締結す
るものである。したがって、メンバ本体に対するブラケ
ットの溶接位置がずれていると、ロアアームが組み付か
なかったり、仮に組み付いたとしても両者の組み付け精
度が不十分なことから、信頼性に支承を来す虞れがあ
る。そこで、ブラケット21の縦壁25,25の中心位置がメ
ンバ本体に対して相対的にどれだけずれているかを検査
し、予め設定されたスペック内で溶接が行われていない
ものについては、廃棄あるいは修正を加えるようにして
いる。

中心位置決め部材22の本体部26には、前記ブラケット
21の２つのボルト孔24,24に挿通して、第３図に示す上
下方向を固定するピン27の挿入孔28,28が形成されてい
る。このピン27及び挿入孔28の径は、極力ブラケット21
のボルト孔24の径と等しいことが望ましいが、ピン27の
外径がボルト孔24と挿入孔28の径に対して僅かに小さく
ても良い。中心位置決め部材22の本体部26の両側面29,2
9間の距離を２等分する中心位置には、その球中心が前
記中心位置に一致するように球形状に形成された被検出
部23が溶接などにより固着されている。なお、本実施例
は、被検出部23以外の部分を黒く塗装し、これによって
被検出部23とその周囲とのコントラストをさらに強調す
るようにしている。また、本実施例においては、被検出
部23を球状に形成したが、前述したカメラ５の画素にて
検出される形状であれが良く、特にこの形状に限定され
ない。中心位置決め部材22の本体部26の両側面29,29及
び前面30には、第４図に示すように互いに連通する通路
31,32が穿設されており、前面30から穿設された通路31
にはネジが切られている。図中「33」は、この側面29,2
9に穿設された通路32に遊嵌挿入する押圧子であって、
その先端33aは楔状に形成されている。また、２つの押
圧子33,33を各側面29,29からその楔状の先端33aが互い
に当接する方向に挿入した状態においては、押圧子33の
先端33bは本体部26の側面29と面一となっている。そし
て、先端33aが楔状に形成された押圧子33を両側面29,29
から挿入し、一方前面30からは、前記ネジと螺合するボ
ルトであって、その先端34aが前記押圧子先端部33aの楔
形状と対応する形状に形成された調整ボルト34をねじ込
んでいくと、両押圧子33,33は互いに同じ寸法だけ本体
部26の両側面29,29から突出することになる。このと
き、押圧子33の他端33bがブラケット21の縦壁225,25に
当接することになり、かつ本体部26の側面29から縦壁25
までの間隙寸法が等しくなり、したがって、被検出部23
の中心位置とブラケット21の両縦壁25,25の中心位置と
を一致させることができる。

第１図に示す演算手段６は、予め教示した標準点の座
標データと、カメラ制御手段８により検出された被測定
物１の座標データとを演算する制御部である。また、記
録手段９は、前記演算手段８により演算された測定結果
を出力するプリンタである。尚、この記録手段９は、デ
ィスプレイであっても良く、またディスプレイとプリン
タとを組み合わせても良い。

マスタテーブル10は、ロボット３に対して固定された
被測定物搭載用の台であり、第１図に示すようなメンバ
20などにあっては、その両端を保持して固定する支持部
材35,36が設けられている。

次に、このように構成した本実施例の三次元座標自動
測定装置の測定手順を、第５〜11図を参照しつつ説明す
る。

（１）標準点座標（マスタ座標）の教示 以下においては、理解の容易のため便宜上、原則とし
て平面内での位置計測について説明する。

まず、第７図に示すように、カメラ５による測定を開
始する前に、測定点２についての標準点座標を与えるた
めのマスタ品をマスタテーブル10上の所定の位置に設置
する。そして、プローブを接触させて測定するタイプの
汎用の図示しない三次元測定機（以下、レイアウトマシ
ンとも呼ぶ。）を用いて、マスタ品における被検出部23
aの位置を測定することにより、あらかじめマスタテー
ブル10上に所定の原点を定めたワーク座標系（X_W−Y_W）
上における標準点座標（X₀，Y₀）を求める。

この場合には、例えば、マスタ品におけるある基準点
をワーク座標系（X_W−Y_W）の原点O_Wと決め、こうして設
定されたX_W−Y_W平面内において、マスタ品における被検
出部23aの中心位置座標を測定し、これをワーク座標系
（X_W，Y_W）上における標準点座標（x₀，y₀）とする。あ
るいは設計図面上の寸法から計算により求めてインプッ
トするようにしてもよい。

通常、マスタ品における被検出部23aは複数存在し、
それぞれについて同様に標準点座標が求められるが、便
宜上、原則として標準点座標が一つの場合について以下
説明する。このようにして求めたワーク座標系（X_W−
Y_W）上における標準点座標のデータ（x₀，y₀）は、演算
手段６のメモリに格納される。

次に、ロボットアームを、これに取り付けられたカメ
ラ５がマスタ品における標準点を視認できる所定の番地
に移動できるようにティーチングし、設定されたカメラ
位置において、画像平面上のカメラ座標系（X_C−Y_C）上
における標準点座標（x₀，y₀）を求め演算手段６のメモ
リに記録させる。

すなわち、例えば、ワーク座標系（X_W−Y_W）のＸ−Ｙ
平面に垂直な角度からカメラ５にて撮像すると、マスタ
品における被検出部23aの測定値は、このワーク座標系
（X_W−Y_W）と平行な平面上にある他の座標系、すなわち
カメラ座標系（X_C−Y_C）上における標準点座標（x₁−
y₁）として与えられることとなり、演算手段６内のメモ
リに格納される。

つまり、前記レイアウトマシンにてワーク座標系
（X_W，Y_W）上における標準点座標（x₀，y₀）を求めた
後、第８図に示す如く、前記第７図に示すマスタテーブ
ル10上にセットしたマスタ品をそのままの状態に維持
し、ロボット３を予め教示された所定の番地に移動さ
せ、カメラ５にてマスタ品における被検出部23aを撮像
する。そして、このカメラ５に撮像されるカメラ座標系
（X_C−Y_C）上におけるマスタ品における被検出部23aの
中心位置座標を、カメラ制御手段８により検知し、これ
をカメラ座標系（X_C−Y_C）上における標準点座標（x₁，
y₁）として、このデータを演算手段６のメモリに送信
し、格納する。

尚、図中の符号「O_C」は、カメラ座標（X_C，Y_C）上に
決められた原点である。

（２）被測定物の測定点座標の測定（カメラ座標上） 被測定物１をマスタテーブルにセットした後、第５図
に示すように、図示しないメイン制御手段から測定開始
指令信号が入力されると、ロボット制御手段７は、予め
ティーチングされた第１測定点にアーム４を移動させ、
移動完了信号をカメラ制御手段８に出力する（第５図の
ステップ４）。このロボット移動完了信号を受信したカ
メラ制御手段８は、第９〜10図に示すように、カメラ５
の視野内にある被測定物１における被検出部23の中心位
置座標を検知し、これをカメラ座標系（X_C−Y_C）上にお
ける測定点座標（x₂，y₂）として、このデータを演算手
段６に送信する。次いで、演算手段６において、この測
定点座標（x₂，y₂）と、予め演算手段６のメモリに格納
しておいたカメラ座標系（X_C−Y_C）上における標準点座
標（x₁，y₁）との差を下式により求める（第５図のステ
ップ５及び第６図のステップ10〜12）。

Δｘ＝x₂−x₁ Δｙ＝y₂−y₁ （３）カメラ座標系からワーク座標系への変換 上記Δx,Δｙは、カメラ座標系（X_C−Y_C）上における
被測定物１の測定座標の既に求めた標準点座標からのず
れ寸法であるため、下式によりワーク座標系（X_W−Y_W）
への変換を、演算手段６にて行なう（第11図、及び第６
図のステップ13）。

x₃＝x₀＋Δｘ y₃＝y₀＋Δｙ 尚、上述した（１）〜（３）の測定手順における座標
測定を、一つの標準点あるいは測定点につき、２以上の
異なるカメラ位置および姿勢から、マスタ品における被
検出部23aあるいは被測定物１における被検出部につい
て各々実施することにより、三次元の座標を求めること
ができる。ここで、カメラ５での撮像方向は、ワーク座
標系（X_W−Y_W）の座標軸と平行にすることが演算処理上
好ましい。また、このときの測定精度は、ティーチング
されたロボットアームの繰返し作動位置誤差となるた
め、ロボットは、作動精度の高いものを用いるのが好ま
しい。

また、単に、被測定物１における測定点のマスタ品に
より与えられた標準点との位置誤差のみを求める場合に
は、標準点座標の教示方法としては、マスタ品における
被検出部23aをカメラ５にて直接撮像してカメラ座標系
（X_C−Y_C）上における標準点座標（x₁，y₁）を与えてや
れば、カメラ座標系での誤差のみで判定することもでき
る。

（発明の効果） 以上述べたように本発明の三次元座標自動測定装置に
よれば、被測定物の複数の測定点に取り付けられた球形
状の被検出部に対し所定の距離および姿勢を保ちつつ近
接して作動するように予めティーチングされた産業用ロ
ボットのアームに、撮像する視野から入力される光の強
さにより、前記被検出部の撮像面上の二次元的な位置を
光学的に検出する位置検出手段を設け、当該位置検出手
段により、当該測定点に取り付けられた被検出部の二次
元座標位置を、当該一の測定点につき、一の方向から、
あるいは前記位置検出手段の姿勢を変えて二以上の異な
る方向からそれぞれ検出し、この検出結果に基づいて当
該測定点と当該測定点に対する標準点との位置誤差を演
算する演算手段を有するように構成したため、測定点の
三次元座標を正確にしかも迅速に測定することができ、
また測定範囲が広く、さらに汎用性の面においても優れ
た効果を奏することになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る三次元座標自動測定装
置を示す概念図、第２図は、同実施例の三次元自動測定
装置に使用する中心位置決め部材を示す斜視図、第３図
は、第２図のIII−III線に沿う断面図、第４図は第２図
のVI−IV線に沿う断面図、第5,6図は、同実施例のロボ
ット制御手段及びカメラ制御手段、演算手段の制御を示
すフローチャート、第７〜11図は、同実施例の座標変換
方法を示す説明図、第12図は従来の三次元座標測定装置
を示す斜視図である。 １……被測定物、２……測定点、３……産業用ロボッ
ト、４……アーム、５……カメラ（位置検出手段）、６
……演算手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物（１）の複数の測定点（２）に取
   り付けられた球形状の被検出部（23,23a）に対し所定の
   距離および姿勢を保ちつつ近接して作動するように予め
   ティーチングされた産業用ロボット（３）のアーム
   （４）に、 撮像する視野から入力される光の強さにより、前記被検
   出部（23,23a）の撮像面上の二次元的な位置を光学的に
   検出する位置検出手段（５）を設け、 当該位置検出手段（５）により、当該測定点（２）に取
   り付けられた被検出部（23,23a）の二次元座標位置を、
   当該一の測定点（２）につき、一の方向から、あるいは
   前記位置検出手段（５）の姿勢を変えて二以上の異なる
   方向からそれぞれ検出し、この検出結果に基づいて当該
   測定点（２）と当該測定点（２）に対する標準点との位
   置誤差を演算する演算手段（６）を有してなる三次元座
   標自動測定装置。