JPS6352324B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、組立てや溶接用のロボツトなどの３
次元物体を扱う産業機器において対象物体の位置
ズレ等を検出するような場合に使用できる３次元
物体の位置検出装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 近年、いわゆる知能ロボツトの出現により生産
システムの自動化が急速に進んでいる。その方向
は、従来のプレイバツク型から更に進んで各種セ
ンサーによつて物体の位置補正を行ない、完全自
動化を試みるようになつてきている。撮影装置を
使つた視覚センサー方式がその主流であり、２次
元物体を対象とする装置では多くの実用例があげ
られる。

しかし、３次元物体を扱うものとしては実用的
なものは少ないのが現状である。３次元物体の扱
いが困難な理由の最大のものは、２次元物体のよ
うに透過光方式で簡単に２値画像が得られないこ
とにある。多値入力画像を処理して３次元物体の
エツジ部分を抽出し物体の認識を行なう方法も
種々検討されているが処理時間・回路コスト・信
頼性などの点で多くの解決すべき問題点が残つて
いる。

一方、これに対する１つの解決策として、スリ
ツト光源を使う方式が提案されている。

まず、第１図に一般的なスリツト光像を用いた
位置検出方法の例を示す。スリツト光源１から照
射されたスリツト光像２は、対象となる３次元物
体３および、物体の置かれる床面４上に、同図に
示すようなかぎ型のパターンを形成する。これを
ビデオ・カメラ５で撮影して２値化し、スリツト
光像のパターンを得ることによつて物体の位置検
出を行なう。物体のエツジ位置は、各スリツト光
線の折点６（照射されたスリツト光像のパターン
が折れ曲がる点）を結ぶことによつて得られるわ
けであるが、従来例においては、折点の検出方法
に問題点が指摘されている。

折点の検出方法としては、各スリツト光像を一
方から追跡して方向の変化する点を折点として検
出する方法と、スリツト光像を交差する２本の直
線として近似し、その交点を折点とする方法が考
えられている。前者の場合には、スリツト光像の
追跡に時間がかかることと、追跡の始点および終
点の決定が難しいこと、および折点近傍に物体の
傷や汚れなどのノイズ成分があつた時に大きな影
響を受けることなどが問題となる。一方、後者の
場合には、複数本のスリツト光像の直線近似（近
似すべきデータ列の抽出も含めて）に時間がかか
ることが問題となる。

また、従来例の構成によつては、１本のスリツ
ト光像を順次走査しながら処理する方法もある
が、画像入力の回数が増えるため、かえつて処理
時間がふえるだけで問題点は同様である。

発明の目的 本発明は、上述のような従来のスリツト光像を
用いた位置検出装置の問題点を解消するもので、
簡単な回路を付加することにより、高速で、しか
も、ノイズ成分に対して強い、３次元物体の位置
検出装置を提供することを目的とするものであ
る。

発明の構成 本発明においては、複数本の平行なスリツト光
線を照射するスリツト光源と、撮影用ビデオ・カ
メラと、物体の置かれる床面に照射されるスリツ
ト像パターンの傾きに一致する方向のエツジ成分
のみをリアルタイムで抽出し計数して縦および横
方向のエツジ成分の度数分布を求めるエツジ計数
部と、このエツジ成分の度数分布データからスリ
ツト光像を照射された３次元物体の位置偏位を求
める位置検出部とを備えるようにしたものであ
り、最も安定した床面に出来るスリツト像パター
ンを統計的に処理することにより、３次元物体の
２次元的位置偏位を高速にしかもノイズ成分の影
響を少なくして検出することができるものであ
る。

実施例の説明 本発明の実施例を説明する前にまず、本発明の
原理について簡単に説明する。

第２図は、本発明の原理を説明するための図で
ある。同図ではスリツト光ではなく帯状の光が３
次元物体に照射されており、スリツト光の場合と
同様に、床面上にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、物体の側面上
にＡ、Ｂ、Ｅ、Ｆという折れ曲がつたパターンが
形成される。ここで、物体が第２図の点線で示す
位置まで移動すると、床面上のパターンはA′、
B′、Ｃ、Ｄに、物体の側面上のパターンはA′、
B′、E′、F′に、それぞれ変化する。このときビデ
オ・カメラによる入力画像中の床面上に形成され
るパターンＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびA′、B′、Ｃ、
ＤのＸ軸とＹ軸方向への面積写像をとると第２図
の７、８出力が得られる。

床面にできるパターンのＣ、Ｄ側は、物体の位
置偏位に関係なく一定であり、物体の位置偏位は
面積写像７，８においてそれぞれＡ、Ｂまたは
A′、B′の位置変化として現われる。従つて、Ｘ
軸およびＹ軸方向への面積写像７，８のデータか
らＡ点とＢ点の２次元的位置（床面上における
Ｘ、Ｙ座標）を一意的にしかも容易に求めること
ができる。

このように、床面上に形成されるパターンの面
積に着目する理由は、傷や汚れなどのノイズ成分
を含む可能性の多い対象物体の側面よりも床面の
方が条件を安定に保ちやすいこと、床面上に形成
されるパターンのＣ、Ｄ側が物体の位置偏位に関
係なく一定であり面積写像の解析および検証が容
易なこと、大局的なデータ処理を行なうために対
象物体のエツジ部等に欠けや傷などのノイズ成分
があつても大きな影響を受けないこと、などによ
る。

ところで、実際の入力画像では床面上に形成さ
れるパターンと共に物体の側面上に形成されるパ
ターンも同様に存在するため、画像中から床面上
のパターンのみを分離して面積写像を求めること
は容易ではない。

そこで本発明では、スリツト光の特徴を積極的
に利用することによつて、この問題を解決してい
る。

以下、実施例とともに本発明の原理を説明す
る。

第３図は、第２図における帯状の光のかわりに
スリツト光像を照射した時に得られるパターンを
示している。この時、床面上には斜め方向のスリ
ツトパターンが、物体の側面上にはたて方向のス
リツトパターンがそれぞれ形成される。

本装置では、このスリツトパターンの方向の違
いによつて床面上のパターンのみを分離する。

第４図は本発明にかかる第１の実施例の装置を
示すブロツク図である。ここで、入力画像９はエ
ツジ計数部１０に入力される。エツジ計数部１０
では、空間フイルター１１によつてスリツト像パ
ターンのうちから床面上に形成されることがあら
かじめわかつている特定方向のエツジ成分のみを
抽出し、これを計数回路１２によつてＸ・Ｙ軸方
向の各ライン毎に集計して第２図の面積写像に対
応する度数分布データ１３，１４を作成する。次
に、位置検出部１５では、エツジ計数部１０で得
られたＸ・Ｙ軸方向の度計分布データ１３，１４
から対象物体のエツジ部に対応するＡ、Ｂ点の座
標値を求め、これを結ぶ直線として３次元物体の
エツジを検出する。

第３図、第４図では、簡単のために３本のスリ
ツト像のみを示しているが、実際には小さな間隔
で多くのスリツト像を照射すればよい。これによ
つて、第２図で示した床面上のパターン面積の写
像を求める場合と同等の結果を得ることができ
る。第５図にスリツト像を照射した時のパターン
と、Ｘ・Ｙ軸方向の度数分布データ１３，１４と
を示す。本装置では、たとえばフイルター１１と
計数回路１２をハードウエアで構成し、ビデオ・
カメラからの画像入力に合せて常に全面処理を行
なうため、スリツト像の本数は処理時間には関係
しない。

フイルター１１の具体的な構成例としては、た
とえば従来よく知られている空間演算オペレータ
を適用すればよい。その場合は、第６図ａに示す
ように、入力画像は２値化回路１６を経て一走査
線の画素数に対応する３段のシフトレジスタ群１
７に入力される。各シフトレジスタは直列に接続
されており、シフトレジスタの各段の後部に接続
されたレジスタ群１８には第６図ｂに示すような
３×３のマトリクス画素１９がラスタスキヤン状
に順次切り出される。

いま、スリツト像の２値化パターンが第７図ａ
に示すように得られたとすると、これに対しては
第７図ｂに示すような４種類の空間フイルターパ
ターンをあらかじめ用意しておき、第６図ｂのマ
トリクス画素１９との間で比較を行ない、いずれ
かのパターンで一致すればエツジ成分としてカウ
ントするようにすればよい。床面上に形成される
スリツト像のパターンは対象物体の形状等に関係
なく常に一定であるから、あらかじめエツジ成分
として検出が容易な方向にスリツト像パターンを
形成するようにスリツト光源１とビデオカメラ５
の角度を設定することも可能である。

計数回路１２の具体的な構成例としては、まず
横方向ラインに沿つてのカウントは、各走査線毎
に通常のカウンタを用いてエツジ成分の個数（パ
ターンの一致回数）をカウントし、走査線の終り
にカウント値を順次メモリにストアしてゆくよう
にすればよい。

一方、縦方向ラインに沿つてのカウントには高
速性が必要である。そこで、各画素毎に縦方向ラ
インに対応するメモリの内容（前の走査線までの
カウント値）を読み出し、その画素でパターンが
一致すれば１を加算し、一致がなければ以前のデ
ータをそのまま元のメモリに再書き込みする。

しかし、通常の解像度の画像であれば１画素当
り約160ns程度の処理時間がとれるため、その時
間内に前記の読み出し→加算→再書き込みのサイ
クルを完了させることは困難ではない。

位置検出部１５の構成には、CPUを用いるの
が適当である。

第８図には、Ｘ軸方向に沿つた度数分布データ
からＡ、Ｂ点の座標値を求めるための一例のフロ
ーチヤートを示す。Ｘ座標＝０に対応するメモリ
アドレスからスタートして、カウント数の変化が
あらかじめ設定された閾値θを越える点（Ａ点付
近）を求める。その後は、カウント数の変化が終
了する点（Ｂ点付近）まで追跡を続ける。この間
に一定間隔でデータのサンプリングを行ない、最
小２乗法などの手法によつて直線Ａ，Ｂの式を求
める。次に、平坦部Ｓ−Ａ、Ｂ−Ｄとの交点から
Ａ、Ｂ点の正確なＸ座標を求める。この間、ノイ
ズ等による部分的な変化を、ソフト的に吸収する
ことによつて、より正確な値を求めることが可能
である。

全く同様な方法によつて、Ｙ軸方向に沿つた度
数分布データからＡ、Ｂ点のＹ座標値を求めるこ
とができる。

対象となる３次元物体の置かれる床面４上とス
リツト光源１およびビデオ・カメラ５との位置関
係はあらかじめ規定できるので、カメラによる入
力画像中の座標データから一意的に床面上におけ
る座標値を求めることができる。

以上に説明してきた実施例では、直線Ａ，Ｂの
式が求まるだけであるので、３次元物体の床面上
における２次元的な移動の自由度のうち１方向は
固定されている必要があり、物理的なストツパー
などを併用する必要がある。これをスリツト光を
用いた位置検出手法に共通の問題点である。

これを解決するための方法を第２の実施例に示
す。第９図には第２の実施例によるスリツト光像
のパターンを示す。同図の例では１つの３次元物
体の隣接する側面にそれぞれ異なるスリツト光源
からのスリツト像を照射している。このとき、床
面上には全く方向の異なる２組のスリツト像が形
成される。２つの側面上に形成されるパターンは
側面の傾きによつては同一方向となるが、これは
使用しないので問題はない。

第１０図に第２の実施例の構成図を示す。同図
の例ではエツジ計数部１０を２組設け、それぞれ
別の方向エツジを検出するフイルターを用いて並
列的に方向の異なる２組のスリツト像の度数分布
を同時に求めている。位置検出部１５では、Ｘ・
Ｙ軸方向に沿つた２組の度数分布データ１３，１
４からそれぞれ直線Ａ，ＢとＧ，Ｈの式を求める
ことができる。この２直線の交点を求めることに
より床面上に置かれた３次元物体の２次元的位置
情報を一意的に求めることが可能になる。

発明の効果 以上のように、本発明にかかる３次元物体の位
置検出装置によれば、画像入力のほぼ１フイール
ド（または１フレーム）時間で特定エツジ成分の
度数分布を求め、後は簡単な直線近似を数回行な
う程度で位置検出が終了するので、従来のスリツ
ト光を用いた手法で大きな問題となつていた処理
速度を大幅に高速化できる。

また、大局的にデータ処理を行ない、しかも最
も条件を安定させやすい床面上のパターンを位置
検出に利用しているため、傷や汚れなどのノイズ
成分の影響を受けにくいという利点もある。

さらに、従来のスリツト光を用いた手法では、
入力画面上での直線の追跡や近似が必要であつた
ため１フレーム分の画像メモリが必要であつたが
本発明にかかる位置検出装置では、画像入力中に
データ処理の大部分が終了するので、フレーム・
メモリが不要になるという利点もある。

スリツト光を用いた手法の共通の問題点として
物体の移動範囲に限定が生ずるが、実際の産業上
の応用においては、対象物体が、でたらめに置か
れる事は少なく、その実用的効果は大きい。また
装置を実現する上での技術的な問題もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的なスリツト光像を用いた位置検
出装置を示す斜視図、第２図は本発明にかかる３
次元物体の位置検出装置の原理を説明する斜視
図、第３図はスリツト光像を３次元物体に照射し
た時のスリツトパターンを示す斜視図、第４図は
本発明の第１の実施例における３次元物体の位置
検出装置の構成を示すブロツク図、第５図はその
スリツト像パターンとＸ、Ｙ軸方向の度数分布デ
ータを示す模式図、第６図は一般的な３×３マト
リクス画像切り出し回路を示すブロツク図、第７
図は２値化されたスリツト像パターンとエツジ成
分検出フイルター用マスクを示す模式図、第８図
は同装置の位置検出部の動作を示す波形図とフロ
ー・チヤート、第９図は２組のスリツト光像を照
射したときのスリツトパターン例を示す模式図、
第１０図は本発明の第２の実施例の構成を示すブ
ロツク図である。 １……スリツト光源、５……ビデオ・カメラ、
１０……エツジ計数部、１１……フイルター、１
２……計数回路、１５……位置検出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数本の平行なスリツト光像を照射するスリ
   ツト光源と、３次元物体に照射された前記スリツ
   ト光像を撮像するビデオ・カメラと、前記ビデ
   オ・カメラの出力画像信号から特定方向の明暗の
   エツジ成分をリアル・タイムで抽出して計数し、
   縦および横方向の前記エツジ成分の度数分布を求
   めるエツジ計数部と、前記エツジ計数部に蓄えら
   れたエツジ成分の度数分布データから前記スリツ
   ト光像を照射された３次元物体の２次元的位置偏
   位を求める位置検出部とを少なくとも１組以上備
   えたことを特徴とする３次元物体の位置検出装
   置。