JPS59188509A

JPS59188509A - 物体の位置および形状認識方法

Info

Publication number: JPS59188509A
Application number: JP6421483A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Otani; 淳大谷; Mitsuo Nakagawa; 中川　三男
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1983-04-11
Filing date: 1983-04-11
Publication date: 1984-10-25
Also published as: JPH0534602B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】発明の技術分野本発明は、ロボット等の自動機械における作業対象物体
の３次元的位置、姿勢および形状門口動的に認識する物
体の位置および形状認識方式に関するものである。

（１）技術の背景従来のこの種の方式としては、ＩＴＶカメラ等を用いて
物体を２次元の濃淡画像として入力し、前処理を施した
後、人工知能的に解釈を行い物体を認識する方式、２台
のＩＴＶカメラ等の光センサを用いて視線の角度よシ三
角測量の原理で物体を認識する方式、レーザトラッカを
用いる方式、スリット光を投影する方式、発光素子と受
光素子を用い物体からの反射光により物体までの距離を
求める方式があった。

従来技術と問題点この種いくつかの従来の方式と、これら各方式の問題点
を次に説明する。

第１番目の物体を２次元の濃淡画像として表現する方式
は、予め物体に関する知識が必要な場合が多く、前処理
が完全でなかったシ、ノイズや陰影が存在したシ、物体
が複雑表彰状をしている場合は正確に物体を認識できな
い、さらに処理量がほう大で処理時間およびノ１−ドウ
エア規模が増大するという欠点があった。また、前処理
として画像のある濃度レベルで２値化を行い、これを用
いて物体を認識する方式は広く工業的にも用いられてい
るが、照明条件や物体の表面状態、あるいは２次元的対
象に限られる等適用可能表条件に関し強い制約があシ、
任意の環境において３次元的な物体を正確に認識できな
いという欠点を有している。

第２番目の２個の光センサを用いた視線角度による方式
を第１図に示す。１０１は光、１ｏ２は固定ミラー、１
０３は可動ミラー、１ｏ４は光検出センサ、１０５は相
関器である。物体からの光ｔｏｉが固定ミラー１０２お
よび可動ミラー１０３で反射され、光検出センサ１０４
に導き、可動ミラー１０３を回転させ、相関器１０５に
よシ左右の画像の相関が最大となる点から三角測量の原
理より物体までの距離を知ることができるが、相関の検
出が難しく、物体の認識精度が必ずしも高くないという
欠点がある。

第３番目のレーザトラッカによる方式を第２図に示す。

１０６はレーザ光、１ｏ７は物体、１０８はイメージデ
ィセクタ、１０９は背景、１１ｏは物体の突（３）山部である。図示しないレーザ光源がらレーザ光１０６
を物体１０７に照射し、その反射光をイメージディセク
タ１０８で受光し、その２次元座標出力およびレーザ光
１０６の基準軸からの傾きよシ物体上の反射点大の（ｘ
、ｙ、ｚ）座標を求めるものである。

すなわち、このレーザ光１０６を２次元的に走査ル、各
走査に対応した反射点ＡのＹ座標を利用すれば、背景１
０９に照射された場合に生じるＹ座標の不連続性によシ
物体の輪郭が認識できるが、点線で示したような突出部
１１０があシレーザ光１０６をさえぎる場合には検出不
能になる、２物体が完全に重なシあったときの境界やク
ラックは検出できない、複雑な形状の物体認識には適さ
ないという欠点があった。

第４番目のスリット光を投影する方式を原理的に示した
のが第３図である。１１１はスリン）、１１２は光源、
１１３はスリット光、１１４は物体、１１５はＴＶカメ
ラである。　スリット１１１を光源１１２で照射すると
スリット光１１３が得られるが、スリット光１１３を少
しずつ角度を変えて物体１１４に照射し、（４）そのスリット光１１３のパターン群をＴＶ右カメラ１５
よシ入力し、スリット光１１３の折点、途切れ点等を解
析することによシ物体を認識するものであるが、認識精
度が高くならない、重なシ合った物体の境界や物体表面
のクラック検出、複雑な形状物体認識には適さないとい
う欠点があった。

第５番目の物体に光を照射し、物体からの反射光による
方式を第４図に示す。１１６は発光素子、１１７は受光
素子、１１８は物体、１１９は検出領域、１２０はアー
ムである。発光素子１１６から光を物体１１８に照射し
、反射光を受光素子１１７で検出する。

物体１１Ｂが検出領域１１９に存在すると、受光素子１
１７で光を検出できるので、常に物体１１８が検知でき
るようにセンサをとシつけたアーム１２Ｇを制御するも
のであるが、検出範囲が限られること、物体１１８全体
を走査するには時間がかかること、物体１１８の微妙な
形状は検出できないという欠点があつ九。

発明の目的本発明はこれらの欠点を除去するため、視覚センサよシ
入力した対象物体の２次元画像から物体の輪郭線の候補
を抽出したのち、同一円周上に複数個の発光素子を配置
し、該円の中心を通υ円に垂直々直線上の任意の１点に
その発光光線が集光するよう、制御可能な投光機構から
物体の輪郭線の候補の付近に投光を行い、物体上に形成
された光スポットのパターンから物体か否かの判断、物
体面の傾き、物体面までの距離を検出するようにしたも
ので、以下図面について詳細に説明する。

発明の実施例第５図は本発明を説明する実施例の構成概要を示すもの
である。１は投光機構、２は視覚センサでたとえばＴＶ
カメラ、３は認識対象物体、４は元スポットである。第
６図（ａ）　、　（ｂ）は投光機構１の構成例を動作説
明を含めて示してお夛、５は発光素子、６は光線、７は
発光素子５が配置されている円の該発光素子５からの発
光光線が集光する円に垂直な線である。発光素子５はレ
ーザ光等の発光源あるいは単一の光源から導かれた複数
体の光ファイバの端面等であり、同一円周上に複数個配
置されている。その個数は多い程菫ましい。発光素子５
から発光された光線６は、線７上の任意の点に集光する
ように円錐の頂角θ及びその集光する点までの距離ｌが
制御可能である。

本発明では、まず第５図のＴＶカメラ等の視覚センサ２
よシ物体３の濃淡画像を取込む。さらに、微分オペレー
タあるいはバイパス・フィルタ操作等によシ、濃淡の急
変部を物体の輪郭線候補として抽出する。物体３のＡの
部分の例を第７図に示す。例示した１０　Ｘ　１０のメ
ツシュにおいて黒く塗った画素が候補画素である。第７
図において候補画素列の右側（Ｂの部分）、左側（Ｃの
部分）のいずれが物体なのかは予め知識がなければわか
らない。そこで投光機構１によシ第７図のＢ及びＣの部
分に投光を行う。まずＢの部分に投光すると、一般には
一点に集光せず、第８図（ａ）のように少しずれて重な
った９、第８図（ｂ）のように完全に離れた形でスポッ
トが存在することになる。そこで発光素子５の制御を行
い、一点に集光させる。この処理は視覚センサ２の前面
に適当なレーザ光フィ（７）ルタ等を設置し、スポット元だけ視覚センサ２に取込み
、その面積の和が最小になるように発光素子５の制御を
行う。このようにすれば第７図Ｂの部分までの距離が検
出できる。次に、発光素子５をその状態に保ちつつ投光
機構１をＣに対応する位置まで平行移動し、Ｃの部分に
対し投光を行う。

Ｃの部分は第５図の場合、背景に対応しているので、物
体３より一般には遠い場所にあシ、第８図（ｂ）のよう
なスポット光パターンになるか、あるいは反射光が検出
されない状態になる。従って、第７図の輪郭線候補画素
は実際の輪郭であることがわかり、さらにＢが物体、Ｃ
が背景であることがわかる。このようにスポット元の面
積の和よシ判断を行うので、物体の色や照明の明るさに
処理は影響されない。また、輪郭線候補画素が、ノイズ
であったシ陰影の境界線であったシ、物体に記された文
字や記号であった場合、あるいは物体表面のクラック、
物体が重なり合った境界線である場合は、輪郭線候補画
素の両側でスポットパターンは変化せず、輪郭線候補画
素は輪郭でないと判断（８）できる。逆に、輪郭線候補画素が途切れている場合も、
真に途切れているのか否かの確認を行うことができる。

本発明を用いて物体面の方向を知ることができる。第５
図の物体３のＡ′部分の輪郭線候補画素を第９図に示す
。第９図のＢ’、　Ｃ’、　Ｄ’薄部分第８図（ｂ）の
光スポツト群を投光すると、第１０図（ａ）〜（ｅ）の
ようなスポットパターンが得られる。すなわち、面の方
向によシ異なった形状のパターンが得られるので、これ
を利用して逆に面の方向を知ることができる。さらに第
１１図のカップのような曲面で構成される物体に対して
も前述のスポットパターンを発生させることによシ面の
局所的方向を定めることができ、全体的な曲面も認識で
きる。

以上のように、物体の濃淡画像情報に基づき、その濃度
の急変部に着目し、必要な部分、あるいは確認すべき部
分にだけ前述の投光を行えば、物体までの距離、物体面
の方向等を知ることができるため、予め物体に関する知
識が無くても物体の認識を高速に行うことができる。さ
らに、物体の濃淡画像の急変部を用いるので、２物体が
完全に重なシあった境界や物体表面のクラックの検出を
行うこともできる。

第ｎ図は本発明の投光機構ｌの実施例の機構要部を示す
図である。第６図と同じ符号は同じ部分を示す。８はボ
ールネジ、９はケーシング、１０はモータ、１１−１．
１１−２はジヨイント、ルはリンク、１３は投光素子搭
載リンク、１４は取付はビン、１５はカバー、１６は光
７アイパ、１７は光源である。動作は、まず第６図にお
けるθの情報に基づきボールネジ８上のケーシング９を
モータ１０を回転することによシ該当する位置に移動さ
せる。このとき、ケーシング９にはジヨイント１１−１
を介してリンクシが接続されており、別のジョイン）１
１−２１−介して投光素子搭載リンク１３の角度がビン
１４を中心として変えられる。リンク１３は第６図にも
示したように多数本のビン１４を介してカバー１５に取
付けられている。各リンク１３には発光素子５が取付け
られており、発光素子５は同一円周上にあるように構成
されている。第ｎ図においては光７アイバ１６の端部が
発光素子５として用いられており、光ファイバ１６は光
源１７に接続されておシ、多数個の発光素子５から適宜
投光を行うことができる。

発明の詳細な説明したように、本発明によればＩＴ”Ｖカメラ等の
視覚センサから得られる濃淡画像と投光機構によシ得ら
れる距離情報および物体面の方向の情報から物体の位置
および形状を認識できるので、ノイズ、陰影２画像の劣
化、物体面上の記号等に関わらず物体を認識できる、濃
淡画像から輪郭線候補を抽邑する専用回路を組合せるこ
とによシ処理時間の短い物体認識が実現できる、視覚入
力系を光ファイバ束よ構成るイメージガイドで構成する
ことによシ投光機構は小形にできるので、全体として小
形、軽量の装置構成にできるという利点がある。

本発明は自動機械、特に産業用ロボット、知能ロボット
等の視覚センサとして有効である。即ちロボットのアー
ムとは別個の視覚センサとしても、アーム搭載形のセン
サとしても有効に使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は２台の視覚センサを用いる物体認識方式、第２
図はレーザ・トラッカを用いる物体認識方式、第３図は
スリット元を用いる物体認識方式、第４図は反射光を利
用した物体検出センサ方式でいずれも従来の物体認識方
式、第５図は本発明を説明する実施例の構成概要図、第
６図（ａ）　、　（ｂ）は本発明における投光機構の構
成例、第７図は物体の輪郭候補画素の例、第８図（ａ）
　、　（ｂｌはスポットパターンの例、第９図は物体の
輪郭候補画素の例、第１０図（ａ）　、　（ｂ）　ｌ　
（（りは物体面の方向に対応するスポットパターンの例
、第１１図は曲面物体におけるスポットパターンの変化
による曲面の方向検出の例、第ｎ図は投光機構の実施例
でおる。１０１・・・光、１０２・・・固定ミラー、１ｏ３・・
・可動ミラー、１０４・・・光検出センサ、１０５・・
・相関器、１ｏ６・・・レーザ光、１０７・・・物体、
１０８・・・イメージディセクタ、１０９・・・背景、
１１０・・・物体の突出部、１１１・・・スリット、１
１２・・・光源、１１３・・・スリットｆｆｉ、１１４
・・・物体、１１５・・・ＴＶカメラ、１１６・・・発
光素子、１１７・・・（１１）受光素子、１１８・・・物体、１１９・・・検出領域、
１２０・・・アーム、１・・・投光機構、２・・・視覚
センサ、３・・・認識対象物体、４・・・元スポット、
５・・・発光素子、６・・・光線、７・・・発光素子５
が配置されている円の中心を通ｐ円に垂直に直線、８は
ボールネジ、９・・・ケーシング、１０・・・モータ、
１１−１．１１−２・・・ジヨイント、賃・・・リンク
、１３・・・投光素子５搭載リンク、１４・・・取付は
ビン、１５・・・カバー、１６・・・光ファイバ、１７
・・・光源。特許出願人　日本電信電話公社代理人弁理士　玉　蟲　久五部　（外３名）（１２）第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

ロボット等の自動機械における作業対象物体の位置、姿
勢、形状を自動的に認識する方式において、同一円周上
に複数個の発光素子を配置し、該円の中心を通り、該円
に垂直な直線上の一点に集光制御する投光機構を備え、
該投光機構によシ物体の濃淡画像に基づき該物体に投光
し、該物体上に形成された光スポットのパターンから該
物体までの距離、該物体の形状および姿勢等を認識する
ことを特徴とする物体の位置および形状認識方式。