JPH0996506A - ３次元視覚センサによる位置調整方法および３次元画像認識装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 校正時あるいは計測時に、基準面あるいは計
測面と３次元視覚センサを高精度で対向させて検出精度
を向上させ、高精度の校正ならびに位置ずれ補正を短時
間で可能にする位置調整方法と３次元画像認識装置を提
供する。 【解決手段】 所定の形状と明暗比率を有する２次元パ
ターンを形成する光線を被認識対象物に照射し、反射光
線を視覚センサにより受信し、反射光線が形成する２次
元パターンの形状の歪みと明暗比率の変化に基づいて測
定する位置調整方法において、反射光線が形成する２次
元パターン１５上の異なる位置に等寸法の検出ウインド
ー２０を開き、各検出ウインドー２０内の２次元パター
ンの形状の歪みと明暗比率の変化の相互比較に基づいて
被認識対象物の位置や傾きを調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元視覚センサ
による被認識対象物の位置調整方法および３次元画像認
識装置に係り、具体的にはレーザレンジファインダなど
の３次元視覚センサにより、光軸や直交軸の調整をはじ
め、被認識対象物の平行度、回転角整合を含む位置調整
を行うための方法および、この方法に基づき作動する３
次元画像認識装置に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】レーザレンジファイン
ダなどの３次元視覚センサによる、３次元画像認識にお
いては、基準面での校正が重要となる。これは基準面で
校正することにより、基準面を高さ０の面として定義
し、各種物理量の基準面からの変化を高さの値として取
り出すためである。ところが、校正する際の基準面が３
次元視覚センサの光軸に対して鉛直でなく、傾きを有し
ていると、３次元画像認識の前提理論である三角測量法
の各変数が設定値と異なってしまい、検出精度の低下を
招くことになる。

【０００３】

【従来の技術】前記のような不都合を解決するために、
従来では例えば、特開平０４−３６５５８６号公報や特
開平０４−３６５５８５号公報に開示されているよう
な、視覚光軸を静止基準点に合致させ、ハンドアイをロ
ボット光軸方向へ所定距離移動し、静止基準点の視覚座
標系のベクトルに基づいて、そのベクトルを最小にする
ように整合させることで基準面を校正する方法が知られ
ている。

【０００４】しかしながら前記のような従来方法では、
専用の校正物体をマスターとして用いるため、校正物体
の加工精度、幾何公差を管理する必要がある。また、ロ
ボットが複数台あり、同時に校正する必要がある際など
では、校正物体を複数個用意しなければならず、校正物
体間の精度ばらつきが問題となる。

【０００５】さらに、ベクトル演算が主体となるため、
処理に時間を要する上、３次元ベクトル抽出時の誤差が
大となる傾向があり、精度が低下しやすいという不都合
があった。

【０００６】本発明は前記のような従来技術の課題や欠
点を解決するためなされたもので、その目的は、校正時
あるいは計測時に、基準面あるいは計測面と３次元視覚
センサを高精度で対向させて検出精度を向上させ、高精
度の校正ならびに位置ずれ補正を短時間で実現する位置
調整方法と３次元画像認識装置を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を実現するため
本発明に係る３次元視覚センサによる位置調整方法は、
所定の形状と明暗比率を有する２次元パターンを形成す
る光線を被認識対象物に照射し、前記被認識対象物から
の反射光線をレーザレンジファインダなどの視覚センサ
により受信し、前記反射光線が形成する２次元パターン
の形状の歪みと明暗比率の変化に基づいて前記被認識対
象物の位置や傾きを測定する位置調整方法において、前
記反射光線が形成する２次元パターン上の異なる位置に
等寸法の検出ウインドーを開き、前記各検出ウインドー
内の前記２次元パターンの形状の歪みと明暗比率の変化
の比較に基づいて前記被認識対象物の位置や傾きを調整
することを特徴とする。

【０００８】本発明に係る３次元画像認識装置は、被認
識対象物を載置するテーブルと、前記被認識対象物に対
向して配置され、所定の形状と明暗比率を有する２次元
パターンを形成する光線を前記被認識対象物に照射し、
前記被認識対象物からの反射光線を受信する３次元視覚
センサと、前記３次元視覚センサの取り込んだ前記反射
光線のパターンを処理して、前記３次元視覚センサの視
野に対応する２次元データを編成する画像処理手段と、
前記２次元データを記憶するメモリとを備え、前記画像
処理手段は前記２次元データ上の異なる位置に検出ウイ
ンドーを設定し、かつ前記各位置における検出ウインド
ー内の前記２次元データの示すパターン形状の歪みなら
びに明暗比率の変化の比較に基づいて前記被認識対象物
の位置や傾きを測定する構成としたことを特徴とする。

【０００９】あるいは、前記テーブルに連設されて前記
テーブルを水平軸まわりに少なくとも２自由度方向に揺
動可能な揺動ステージを備え、前記画像処理手段は測定
した前記被認識対象物の位置や傾きに基づく制御信号を
前記揺動ステージに与え、前記揺動ステージは前記画像
処理手段から与えられた前記制御信号に基づいて前記テ
ーブルを揺動させる構成としたことを特徴とする。

【００１０】本発明に係る３次元視覚センサによる位置
調整方法ならびに３次元画像認識装置によれば、画像処
理手段が３次元視覚センサの視野に対応する２次元デー
タ上の異なる位置に設定した検出ウインドー内のパター
ン形状や明暗比率を相互に比較して傾きを測定すること
で、３次元視覚センサのカメラ座標軸の調整を可能に
し、しかも検出ウインドーの位置に限定を加えることな
く、任意の位置での調整を可能にする。

【００１１】さらに、揺動ステージが、水平軸まわりに
少なくとも２自由度方向に揺動することで、テーブルを
移動させることなく、３次元視覚センサとテーブルの平
行度の調整を可能にする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を添
付図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る３次
元視覚センサの位置調整方法に基づく３次元画像認識装
置の一実施形態の構成図である。図２は、図１に示す３
次元視覚センサが発信するパターン構成の説明図であ
る。図３は、図１に示す画像処理手段が編成する２次元
データ上に、検出ウインドーが設定された状態を説明す
る図である。

【００１３】図１に示されるように、本発明に係る３次
元画像認識装置は、被認識対象物を載置するテーブル１
と、被認識対象物に対向して配置され、所定の形状と明
暗比率を有する２次元パターンを形成する光線Ｌ１を被
認識対象物に照射し、被認識対象物からの反射光線Ｌ２
を受信する３次元視覚センサ２と、３次元視覚センサ２
の制御部３と、３次元視覚センサ２の取り込んだ反射パ
ターン信号を処理して、３次元視覚センサ２の視野に対
応する２次元データを編成する画像処理手段４と、２次
元データを記憶するメモリ５と、２次元データに基づく
画像を表示するモニター６と、テーブル１に連設されて
テーブル１を水平軸まわりに少なくとも２自由度方向に
揺動可能な揺動ステージ８から構成される。

【００１４】図２に示されるように、光線Ｌ１が形成す
る２次元パターン１０は、手前から奥方向に平行に流れ
る等間隔の黒白の縞１１、１２が規則的に配列され、所
定の明暗比率を形成している。テーブル１が３次元視覚
センサ２に対して平行であれば、モニター６にはこの２
次元パターン１０が表示されることになる。

【００１５】画像処理手段４は、図３に示されるよう
に、２次元データ１５上の異なる位置に検出ウインドー
２０を設定し、各位置における検出ウインドー２０内の
２次元データ１５の示すパターン形状の歪みならびに明
暗比率の変化の比較に基づいて被認識対象物の位置や傾
きを測定する。このとき、画像処理手段４は２次元デー
タ１５上の異なる位置、例えば図示されるように４隅に
複数本（この場合は４本）の等寸法の検出ウインドー２
０、２０、２０、２０を夫々設定するか、あるいは、１
本の検出ウインドー２０を２次元データ１５上で移動さ
せて、任意の位置に仮設定してはその位置で測定するよ
うにもできる。

【００１６】画像処理手段４はソフトウエアとして構成
され、図示しないマイクロコンピュータ等によって実行
される。画像処理手段４の行う比較動作については後述
する。

【００１７】揺動ステージ８は、歳差状に２自由度で揺
動するものであり、従ってテーブル１は図１に示すよう
なＸ方向あるいは、図６に示すようなＹ方向、さらには
任意のＸＹ方向に、Ｚ軸を中心に揺動する。

【００１８】つぎに図３および図４〜図８に基づき、３
次元画像認識装置Ｓの動作を説明する。図４は、被認識
対象物が左右方向に傾斜した状態の説明図である。また
図５は、図４に示す傾斜状態における反射像の説明図で
ある。図６は、被認識対象物が前後方向に傾斜した状態
の説明図である。また図７は、図６に示す傾斜状態にお
ける反射像の説明図である。さらに図８は、被認識対象
物が前後および左右方向に傾斜した状態における反射像
の説明図である。なお、ここでは被認識対象物はテーブ
ルとして示されている。

【００１９】前述したように、３次元視覚センサ２は走
査によりスリット光（レーザ光）をテーブル１に照射
し、テーブル１からの反射像を受信して画像処理手段４
に送り、画像処理手段４は空間コード法によりこの反射
像データを処理して２次元データを編成する。

【００２０】ここで、図２のような等ピッチのレーザパ
ターン１０がテーブル１上に照射された時、テーブル１
が３次元視覚センサ２に対して、図４に示されるよう
に、ＸＹ平面上で主走査方向（左右）にθ１だけ傾斜し
ていると、３次元視覚センサ２とテーブル１との距離が
遠い部位では近い部位に比して、図５に示されるように
照射パターンのピッチ３１、３２がピッチ３３、３４に
比して大きくなり、パターン３０となる。

【００２１】さらに図６に示されるように、ＹＺ平面上
でテーブル１が副走査方向（前後）にθ２だけ傾斜して
いると、３次元視覚センサ２とテーブル１との距離が遠
い部位では近い部位に比して、照射パターン端部のピッ
チが拡大され、図７に示される放射状のパターン４０と
なる。さらに、テーブルが主走査および副走査方向の両
方向に傾斜していると、図８に示されるような、傾斜し
て流れるパターン５０となる。

【００２２】こうしたスリットパターンの歪みは、反射
像を処理して２次元データ１５（図３参照）を編成する
画像処理手段４によって検出測定される。なお説明の便
宜上、この２次元データ１５がモニター６上に画像とし
て表示された状態に基づき説明する。

【００２３】２次元データ１５による画像上の４隅に、
スリット幅よりも若干大きい寸法の検出ウインドー２
０、２０、２０、２０をソフトウエア処理により設定す
る。ついで各検出ウインドー２０内のスリットパターン
画像を２値化処理し、各検出ウインドー２０内の黒ある
いは白の部分につき、その座標と傾き、面積を計算す
る。この計算結果を各検出ウインドーにつき比較するこ
とにより、平行度等が測定される。

【００２４】この測定結果に基づいて揺動ステージ８が
作動し、まず４本の検出ウインドー内の黒あるいは白の
部分の面積が等しくなるように、テーブル１を搖動さ
せ、画像を取り込む動作を繰り返す。つぎに揺動ステー
ジ８は、４本の検出ウインドー内の傾きが等しくなるよ
うに、テーブル１を搖動させ、画像を取り込む動作を繰
り返す。最後に、座標が等しくなるようにテーブル１を
搖動させ、画像を取り込む動作を繰り返す。これら一連
の調整動作によって、テーブル１の面と３次元視覚セン
サ２の平行度を向上させることができる。

【００２５】さらに、ロボットなどのマニュピュレータ
先端やアーム先端に３次元視覚センサを具備して、本発
明に係る３次元画像認識装置を構成することにより、任
意位置にあるワークを任意の方向から視覚でとらえるこ
とができ、また平行度も自由に設定することができ、よ
って位置座標や姿勢の高精度な教示と高精度な認識が可
能になる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明に係る３次元
視覚センサによる位置調整方法および３次元画像認識装
置は、被認識対象物から受信した反射光線に基づき形成
された２次元データ上の異なる位置に検出ウインドーを
設定し、各検出ウインドーの検出するスリットパターン
を比較して測定する構成としたので、短時間で測定がな
され、しかも検出精度を向上させることができる。さら
に、検出ウインドーを２次元データ上で移動可能に構成
したので、任意の位置、形状でスリットパターンを検
出、演算でき、よって使い勝手の良い調整操作を実現で
きる。また、テーブルに揺動ステージを設け、この揺動
ステージを水平軸まわりに少なくとも２自由度方向に搖
動可能に構成したことで、３次元視覚センサを移動させ
ることなく、テーブルを最適角度に設定でき、よって３
次元視覚センサとテーブルの平行度を自動的に短時間で
調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３次元視覚センサの位置調整方法
に基づく３次元画像認識装置の一実施形態の構成図であ
る。

【図２】図１に示す３次元視覚センサが発信するパター
ン構成の説明図である。

【図３】図１に示す画像処理手段が編成する２次元デー
タ上へ、検出ウインドーが設定された状態の説明図であ
る。

【図４】被認識対象物が左右方向に傾斜した状態の説明
図である。

【図５】図４に示す傾斜状態における反射像の説明図で
ある。

【図６】被認識対象物が前後方向に傾斜した状態の説明
図である。

【図７】図６に示す傾斜状態における反射像の説明図で
ある。

【図８】被認識対象物が前後および左右方向に傾斜した
状態における反射像の説明図である。

【符号の説明】

Ｓ ３次元視覚センサの位置調整方法に基づく３次元画
像認識装置 １ テーブル ２ ３次元視覚センサ ３ 制御部 ４ 画像処理手段 ５ メモリ ６ モニター ８ 揺動ステージ Ｌ１ 照射光 Ｌ２ 反射光

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の形状と明暗比率を有する２次元パ
   ターンを形成する光線を被認識対象物に照射し、前記被
   認識対象物からの反射光線をレーザレンジファインダな
   どの視覚センサにより受信し、前記反射光線が形成する
   ２次元パターンの形状の歪みと明暗比率の変化に基づい
   て前記被認識対象物の位置や傾きを測定する位置調整方
   法において、 前記反射光線が形成する２次元パターン上の異なる位置
   に等寸法の検出ウインドーを開き、前記各検出ウインド
   ー内の前記２次元パターンの形状の歪みと明暗比率の変
   化の比較に基づいて前記被認識対象物の位置や傾きを調
   整することを特徴とする３次元視覚センサによる位置調
   整方法。
2. 【請求項２】 被認識対象物を載置するテーブルと、 前記被認識対象物に対向して配置され、所定の形状と明
   暗比率を有する２次元パターンを形成する光線を前記被
   認識対象物に照射し、前記被認識対象物からの反射光線
   を受信する３次元視覚センサと、 前記３次元視覚センサの取り込んだ前記反射光線のパタ
   ーンを処理して、前記３次元視覚センサの視野に対応す
   る２次元データに編成する画像処理手段と、 前記２次元データを記憶するメモリと、 を備え、前記画像処理手段は前記２次元データ上の異な
   る位置に検出ウインドーを設定し、かつ前記各位置にお
   ける検出ウインドー内の前記２次元データの示すパター
   ン形状の歪みならびに明暗比率の変化の比較に基づいて
   前記被認識対象物の位置や傾きを測定する構成としたこ
   とを特徴とする３次元画像認識装置。
3. 【請求項３】 前記テーブルに連設されて前記テーブル
   を水平軸まわりに少なくとも２自由度方向に揺動可能な
   揺動ステージを備え、前記画像処理手段は測定した前記
   被認識対象物の位置や傾きに基づく制御信号を前記揺動
   ステージに与え、前記揺動ステージは前記画像処理手段
   から与えられた前記制御信号に基づいて前記テーブルを
   揺動させる構成としたことを特徴とする請求項２記載の
   ３次元画像認識装置。