JPS63140903A - 円筒状物体の位置・姿勢計測装置 - Google Patents

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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、全体形状が円筒若しくは楕円筒形状をなす
物体（以下「円筒状物体」という）につきその位置や姿
勢を非接触で計測するのに用いられる円筒状物体の位置
・姿勢計測装置に関する。

〈従来の技術〉 従来、円筒状物体の位置や姿勢を非接触で計測するのに
、第１３図および第１４図に示す「ハイライト法」と称
される光学的方法が用いられている。

同図の方法は、円筒状物体３１の上方位置に面光源３２
を配備し、この面光源３２から円筒状物体３１に向けて
一様な光３３を照射して、物体表面にハイライト部分３
４を生じさせるものである。このハイライト部分３４は
所定の角度β方向に配備されたカメラ３５で１最像され
、その画像上でハイライト部分３４の端点Ｑ１゜Ｑ２の
座標を検出することにより、この円筒状物体３１の位置
や姿勢を算出する。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところが上記方式の場合、物体表面にハイライト部分３
４を生しさせる必要があるため、金属光沢を有する高反
射率の円筒状物体にしか適用できず、用途が著しく限定
され、しかも物体表面に一様な光３３を照射する関係上
、二次反射光などの外乱ノイズの影響を受は易いなどの
問題がある。

この発明は、上記問題を解消するためのものであって、
円筒状物体に対し板状光を照射する所謂「光切断法」を
導入することにより、ノイズの影響を受は難く、しかも
広範囲の用途に適用できる円筒状物体の位置・姿勢計測
装置を提供することを目的とする。

く問題点を解決するだめの手段〉 上記目的を達成するため、この発明では、円筒状物体に
対し斜め下方へ板状光を照射して物体表面に光切断線を
生成するための投光装置と、 前記光切断線を撮像してその光線像を生成するための撮
像装置と、 前記光線像に基づき円筒状物体の位置および姿勢を求め
るための演算制御装置とで円筒状物体の位置・姿勢計測
装置を構成すると共に、前記投光装置は、円筒状物体の
軸方向に伸びる複数本の光切断線と、軸方向と直交する
方向に伸びる複数本の光切断線とを生成可能に構成する
ことにした。

〈作用〉 投光装置が板状光を円筒状物体へ照射すると、物体表面
に軸方向またはその直交方向に伸びる複数本の光切断線
が生成される。これら光切断線は撮像装置で撮像されて
それぞれの光線像が生成され、演算制御装置は前記光線
像に基づき円筒状物体の位置および姿勢を算出する。

この方式の場合、従来の「ハイライト法」のように、物
体表面にハイライト部分を生成してこれを観測するので
ないから、円筒状物体は必ずしも金属光沢を有する高反
射率のものである必要がなく、用途が著しく拡大される
。しかも物体表面に板状光を照射するから、二次反射光
などの外乱ノイズの影響を受けることは殆どない。

〈実施例〉 第１図および第２図は、この発明の位置・姿勢計測装置
が適用された実装部品の位置ずれ検査装置の全体構成例
を示す。

この位置ずれ検査装置は、プリント基板上に実装された
円筒形状を有する複数個の表面実装部品（以下、「円筒
部品」と略す）につき各部品の実装位置が規定位置より
位置ずれしているか否かを検査するためのものである。

図示例において、ＸＹテーブルより成る測定デープル１
上に検査対象２（プリント基板上に部品が実装されたも
の）が載置され、その上方位置にイメージセンサより成
る撮像装置３と、第１〜第４の光Ｒ４〜７を含む投光装
置８とが一体に上下移動可能に配置されている。各光源
４〜７は半導体レーザより成り、検査すべきプリント基
板上の円筒部品９に対し斜め下方にその部品を切断する
ような板状をなす光（以下、「板状光」という）を照射
する。

上記４個の光源４〜７のうち、第１．第２の各光＃４．
５は互いに対向する位置に配置されて、円筒部品９の表
面に、第３図に示すような軸方向に伸びる２本の光切断
線１０．１１を同時生成する。また第３．第４の各光源
６．７は第１．第２の各光ｔａ４．５に対し直交する位
置に対向配置され、円筒部品９の表面に、第４図に示す
ような軸方向と直交する方向に伸びる２本の光切断線１
２．１３を同時生成する。なおこの光切断線１２．１３
は外側に膨らんだ円曲形状をなす。また描像装置３は光
源群の中心に位置し、前記光切断線１０．１１および１
２゜Ｉ３をその真上より描像して、それぞれの光線像を
生成する。

第５図は、描像装置３と第１〜第４の各光源４〜７との
位置関係をｘｙｚ座標系により示しており、図中、Ｐ、
〜Ｐ４は各光８４〜７の位置、Ｃ０は撮像装置３の位置
、０は検査すべき円筒部品９の位置を示している。また
り、〜Ｌ４は各光源４〜７より照射される板状光であっ
て、このうち板状光１．＋、ＬｚはＹＺ平面に垂直であ
り、また板状光り、、Ｌ、はＸＺ平面に垂直である。

第６図は円筒部品９に対する板状光Ｌ＋、Ｌｚの照射状
況を、また第７図は円筒部品９に対する板状光Ｌ３．Ｌ
４の照射状況を、それぞれ示している。図示例において
は、適正姿勢で規定位置に実装された円筒部品９に対し
前記板状光Ｌ＋、Ｌｚおよびり、、Ｌ４を照射したとき
、所定高さ位置（図示例では円筒部品９の直径に相当す
る高さ位置）での板状光の照射点間の距離が一定値ｄと
なるよう、円筒部品９の径に応して各光ａ４〜７の高さ
を調整している。

第２図に戻って、撮像装置３，４個の光源４〜７および
２測定テーブルｌはマイクロコンピュータのＣＰＵより
成る演算制御装置１４に接続されており、この演算制御
装置１４は前記撮像装置３の描像動作、各光源４〜７０
投光動作。

測定テーブルｌの移動などを制御信号により一連に制御
すると共に、描像装置３より映像信号を取り込んで、円
筒部品９の位置ずれ検査に付随する各種演算や処理を実
行ずろ。

なお第２図中、モニタ部１５は撮像装置３で得た画像を
モニタするだめのものであり、また表示部１６は検査結
果を表示するためのものである。

第８図は、円筒部品９の位置ずれ検査に関する前記演算
制′４Ｂ装置１４による制御手順を示しており、以下、
この第８図に基づき第９図〜第１２図を参照して第１，
２図の装置例の動作を説明する。

まず演算制御装置１４は第８図のスタート段階で測定テ
ーブル１を移動させ、検査すべき円筒部品９の規定実装
位置に撮像装置３および投光装置８を対応位置させる。

つぎに必要に応じて撮像装置３のピント合わせを行い、
また円筒部品９に対する各光源４〜７の高さ位置を調節
した後、撮像装置３および各光源４〜７に対し演算制御
装置１４より動作指令が与えられる。

この動作指令によりここではまず第３．第４の各光源６
，７が投光動作を開始して、円筒部品９へ板状光Ｌｆｆ
、Ｌ４を一斉に照射する。これにより円筒部品９の表面
の異なる箇所に各板状光Ｌ：Ｉ、Ｌ、が交わる２本の光
切断線１２゜１３が生成される（第１図および第４図参
照）。

なお第１図中、点線で示ず線１２’、１３’はプリント
基板上に生成される光切断線であって、円筒部品９を真
上より観察した場合、この光切断線１２’、１３’と円
筒部品９上の光切断線１２．１３とは位置ずれするもの
である。

前記両光切断線１２．１３は、その真上に位置する描像
装置３により撮像されて各光切断線１２．１３の光線像
１７．１８（第９同に示す）が生成され、さらにその映
像信号が演算制御装置１４に取り込まれる。

かくて演算制御装置１４は第８図のステップｌ　（図中
ｒＳＴＩＪで示す）において、画像上に所定のウィンド
を設定して走査し、これにより第９図に示す如く、各光
線像１７．１８における曲線上の頂点ＰＩ　　Ｚ　　Ｐ
Ｚ　　′を検出して、各頂点の画像上の座標に＋　　’
、Ｌ　　’）（Ｉｔ’＋ｌｚ’）を求める。つぎにステ
ップ２で、演算制御装置１４はつぎの０式の演算を実行
することにより、円筒部品９のＺ軸（紙面と直交する方
向の軸）まわりの回転角Ｔを算出する。

続くステップ３で、演算制御装置１４はつぎの■式の演
算を実行することにより、第１０図に示す如く、プリン
ト基板に対する円筒部品９の浮き角αを算出する。

なお上式中、Ｌは前記頂点Ｐ　ｌ　　’　＋　　Ｐｇ　
′間のＸ座標間隔である。またβｌ＋　　７！２は前記
頂点ＰＩ　　’＋　　ＰＺ　　′の規定位置に対する高
さであって、規定位置における頂点Ｐ、、Ｐ、の各Ｘ座
標データを’ｌｌ’Ｚ、各板状光Ｌ３．Ｌ４の照射角度
をθとすると、つぎの００式で与えられる。

つぎのステップ４で演算制御装置１４は、頂点Ｐ＋　　
’、Ｐｚ　　’間の中点のＹ座標データと規定位置にお
ける頂点ｐ、、ｐｚ間の中点のＹ座標データとの差をＹ
軸方向のオフセット値Ｆとして求め、後述する２端点抽
出のための情報とし保持しておく。

つぎに演算制御装置１４は、第１．第２の各光源４．５
に動作指令を与えて投光動作を開始させ、円筒部品９へ
板状光り、、Ｌ２を一斉照射させる。これにより円筒部
品９表面の異なる箇所に各板状光Ｌ＋、Ｌｚが交わる２
本の光切断線１０．１１が同時生成される（第３図参照
）。

これら両光切断線１２．１３は、その真上に位置する↑
層像装置３により撮像されて各光切断線１２．１３の光
線像１９．２０（第１１図に示す）が生成され、さらに
その映像信号が演算制御装置１４に取り込まれる。

第１１図は、前記オフセット値ＦおよびＺ軸まわりの回
転角γと前記光線像１９．２０の状態との関係を示した
ものである。

第１１図中、中央位置■の画像はオフセット値Ｆおよび
回転角θがともに０のときの光線像１９．２０の状態を
示すもので、いずれの光線像１９．２０も軸方向に真直
に伸びている。

もしオフセット値Ｆが正の方向に大きくなると、円筒部
品９の表面には一方の光切断線１０のみが生成され、従
って画像上にはその光切断線１０の光線像１９のみが現
れる（第１１図中、上位置■の画像）。

同様にオフセット値Ｆが負の方向に大きくなると、部品
表面には他方の光切断線１１のみが生成され、従って画
像上にはその光切断線１１の光線像２０のめが現れる（
第１１図中、下位置■の画像）。

また回転角Ｔが正またほの方向に大きくなると、各光切
断線ｔｏ、１１のいずれか端部が部品表面から脱落し、
従ってその光切断線１９゜２０は第１１図中、左位置■
および右位置■の画像のようになる。

さらにオフセント値Ｆおよび回転角γのいずれもが正ま
たは負の方向に大きくなってゆくと、第１１図中、■■
■■の各斜め位置に示すような画像となる。

かくて演算制御装置１４は、前記各光切断線１０．１１
の光線像１９．２０につきそれぞれ両端点Ｐ３　　’Ｉ
　　Ｐ４　’＋　　Ｐｓ　　’＋　　Ｐ６　　’を検出
した後（ステップ５）、前記オフセット値Ｆおよび回転
角Ｔの大きさを手掛りとして２個の端点を抽出する（ス
テップ６）。すなわちＦ−０゜ｒ＝０のときく第１１図
■）　、Ｆ＞０．　　γ−０のとき（第１１図■）、Ｆ
＞０．　　γ〉０のとき（第１１図■）、Ｆ＞Ｏ，γ〈
０のとき（第１１図■）は端点Ｐ３　　’、Ｐ４　’を
抽出し、同様にＦ〈０．γ−０のとき（第１１図■）、
Ｆ〈０．γ〉Ｏのとき（第１１図■）、Ｆ＜０゜γくＯ
のとき（第１１図■）は端点Ｐ、′。

Ｐ６　′を抽出する。またＦ＝Ｏ，γ〉０のとき（第１
１図■）は端点Ｐ４　　’　＋　　ＰＳ　　′を抽出し
、Ｆ＝Ｏ，γくＯのとき（第１１図■）は端点Ｐ３　　
’　＋　　Ｐｈ　　′を抽出する。

そして演算制御装置１４は、最後のステ・７プ７におい
て、抽出した２端点の座標データを用いて円筒部品９の
位置を算出する。

第１２図はステップ７での部品位置算出方法の具体例を
示している。いま端点としてＰ３　′。

Ｐ４　′が抽出された場合を想定すると、まず各端点ｐ
ｚ　　’、Ｐ、’より円筒部品９の画像の中心線２１に
対して垂線を下ろし、その交点Ａ。

Ｂの各座標（ｉｎ　、　　ｊａ　）　　Ｎｂ　、　　ｊ
ｂ　）を求める。なお中心′ｇＡ２１の直線方程式は前
記頂点Ｐ＋’、Ｐｚ’の座標データを用いて求めること
ができる。前記交点Ａ、Ｂは前記中心線２１上の円筒部
品９の画像の両端点であり、その座標データを用いて交
点Ａ、Ｂ間の中心点Ｃの座標Ｈｅ　　’、　　ｊｃ　　
’）を求め、これを円筒部品９の位置とする。

つぎの０〜０式は、前記交点Ａ、Ｉ３の各座標＜ｊｍ、
ｊｉ）（ｉｂ、　　ｊｂ）の算出式を示しており、この
算出データを■［相］式へ代入することにより中心点Ｃ
の座標（ｉｅ　　’、　　ｊｃ　　′）を求めることが
できる。

１ｍ　＝　（ｌｂ　（ｌｂ　　Ｉ３　’　　ｌａ　　Ｌ
　　’）ｆｆａＡｃｌ　／　ＣＩ！ｍ　”　＋ｐｂ　”
　）　　”・・■ｊｎ　−（ｘｉ　（Ａ’ｌ　　ｊｚ　
　’−ｐｂ　　ｉｉ　　’）Ｎｐ、　ｐ−ｃ　）　／−
（ｚｍ　”　＋ｅｂ　”　）　　・・・・■ｊｂ−（Ｎ
ｂ　　（Ａ’ｂ　　ｉｎ　　’−７！ｍ　　Ｌ　　１’
ａ　　’ｃ　　）　　／　　（’！１１　　”　　＋　
ｌｌｂ　　”　　）　　　−−■Ｊｂ　　”　　（Ｚａ
　　（ｆａ　　Ｊ４　　’　　　ｌｂ　　１４　　’）
−Ｎｂ　ｐｃ　　）　　／　　＜ｐａ　　ｚ−ｚ２．ｚ
　　）　　　、、、、■ｉｃ　　’　　−Ｈａ　　＋ｉ
ｂ）／２　　　・・・・■ｊｃ　　’　　＝　　（Ｌ　
　＋ｊｂ　　）　　／２　　　・・・・［相］ただし１
．．１．、ｌ、はつぎのとおりである。

Ｉ！ｍ＝ｊｚ’　　Ｊ％　　・・・・■１、＝−（ｉ２
　’−ｉ１　　’）　　・、・・＠１−ｃ＝　　（ｊｚ
　　’　　Ｊ＋　　’）ｊ＋　　’＋　（ｊｚ　’　　
ｌ＋　　’）Ｌ　　’・・・・０かくで円筒部品９の中
心点Ｃの座標（ｔｃ　　’。

ｊｃ　′）と規定位置における円筒部品９の中心点の座
標（ｔｃ、ｊｃ）との差を演算することより、円筒部品
９の位置ずれ量を求めることができる。

〈発明の効果〉 この発明は上記の如く、円筒状物体に対し板状光を照射
して軸方向およびその直交方向に伸びる複数本の光切断
線を生成して、円筒状物体の位置および姿勢を求めるよ
うにしたから、従来の「ハイライト法」の如く、円筒状
物体が必ずしも金属光沢を有する高反射率のものである
必要がなく、用途が著しく拡大される。しかも物体表面
に板状光を照射するから、二次反射光などの外乱ノイズ
の影響を受けることは殆どないなど、発明目的を達成し
た顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる円筒状物体の位置
・姿勢計測装置の概略構成を示す説明図、第２図はこの
発明の装置が適用された実装部品の位置ずれ検査装置の
ブロック図、第３図および第４図は物体表面に生成され
る光切断線を示す平面図、第５図は撮像装置と投光装置
との位置関係を示す説明図、第６図は板状光の照射状況
を示す正面図、第７図は板状光の照射状況を示す側面図
、第８図は演算制御装置の制御手順を示すフローチャー
１・、第９図は円筒部品のＺ軸まわりの回転角の算出原
理を示す説明図、第１０図は円筒部品の浮き角の算出原
理を示す説明し１、第１１図はオフセット値ＦおよびＺ
軸まわりの回転角Ｔと光線像の状態との関係を示す説明
図、第１２図は円筒部品の位置算出原理を示す説明図、
第１３図および第１４図は従来のハイライト法の原理説
明図である。 ３・・、・撮像装置　　　４〜７・・、・光源８・・・
・投光装置　　　９・・・・円筒部品１０〜１３・・・
・光切断綿　１４．・・・演算制御装置特許　出　願人
　　立石電機株式会社 代理人　弁理士　　鈴　木　由　充′ ２θ　　　　　　　　　　　　　　２θ　　　　　　　
　　　　　　２０２しり’ｑ）つ と９カＥｅｏａａＺ彦幻ゎりの瓦８ｔμの】Ｅ末ノーｆ
里を不４ｔえ明）２ ＊１　θフニ＝＝１ ンヨ、ｆｆｉ　台アームがｊ〔農の２４＊七−−−理２
；１“、七「説明２耐ｔｚ）”：Ａ 円ゐ台ｐｌ￥０Φイｉｉ４干ン号５工里を示、ずｄβ月
ｍ→ｌ帽Σ ｔｉｔ□めハイライドンｉめ、λ−□理Δ梵日４）＝≧
３１）η 一ミ白ノ、１シイし主σすＡ−工ｑｉｆ−ｍＡ＋２（〈

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状物体に対し斜め下方へ板状光を照射して物
   体表面に光切断線を生成するための投光装置と、 前記光切断線を撮像してその光線像を生成するための撮
   像装置と、 前記光線像に基づき円筒状物体の位置および姿勢を求め
   るための演算制御装置とを具備して成り、 前記投光装置は、円筒状物体の軸方向に伸びる複数本の
   光切断線と、軸方向と直交する方向に伸びる複数本の光
   切断線とを生成可能に構成されて成る円筒状物体の位置
   ・姿勢計測装置。
2. （２）前記投光装置は、４台の光源を有し、第１、第２
   の各光源は対向位置に配備されると共に、その直交位置
   に第３、第４の各光源を対向配備して成る特許請求の範
   囲第１項記載の円筒状物体の位置・姿勢計測装置。
3. （３）前記撮像装置は、イメージセンサより成るカメラ
   である特許請求の範囲第１項記載の円筒状物体の位置・
   姿勢計測装置。
4. （４）前記演算制御装置は、マイクロコンピュータのＣ
   ＰＵである特許請求の範囲第１項記載の円筒状物体の位
   置・姿勢計測装置。