TW202237359A - 三維測量系統 - Google Patents

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日商發那科股份有限公司
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Abstract

[課題]提供一種可不受測量對象的位置影響，正確地測量測量對象的三維形狀的三維測量系統。 [解決手段]本揭示的第1態樣的三維測量系統1具備：三維測量部32，其利用測量至測量對象的距離的三維感測器20，來測量前述測量對象的位置及形狀；機器人10，其使前述三維感測器20或前述測量對象移動；距離測量部33，其測量前述三維感測器20與前述測量對象的距離；及測量姿勢設定部34，其根據前述距離測量部33所測量到的前述三維感測器20與前述測量對象的距離，來設定使前述三維感測器20與前述測量對象的距離，成為預定的基準距離的前述機器人10的測量姿勢。

Description

三維測量系統
發明領域
本發明是關於一種三維測量系統。
發明背景
於例如藉由機器人來拾取(pick up)以隨機的位置及方向配置的工件之系統等，有時會利用三維測量系統來掌握工件的位置及方向，前述三維測量系統是利用三維感測器來測量測量對象的三維形狀，前述三維感測器就二維視角的每個位置，檢測至測量對象及周圍物體的距離。
為了掌握測量對象更正確的三維形狀，亦提案從不同的方向以三維感測器測量測量對象的三維形狀，藉此根據其他的三維測量的結果，來補全測量對象無法以1次的三維測量來確認的背面側的形狀(參考例如專利文獻1)。 先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2019-184340號公報
發明概要 發明欲解決之課題
三維感測器可進行正確檢測的距離範圍有時比較狹小。該情況下，若三維感測器與測量對象的距離不適當，無法正確地測量測量對象的三維形狀。例如當複數個工件隨機地重疊時，可能無法使最上部的工件與最下部的工件雙方同時落入三維感測器的適當的距離範圍內。因此，期望一種可不受測量對象的位置影響，正確地測量測量對象的三維形狀的三維測量系統。 用以解決課題之手段
本揭示的第1態樣的三維測量系統具備：三維測量部，其利用測量至測量對象的距離的三維感測器，來測量前述測量對象的位置及形狀；機器人，其使前述三維感測器或前述測量對象移動；距離測量部，其測量前述三維感測器與前述測量對象的距離；及測量姿勢設定部，其根據前述距離測量部所測量到的前述三維感測器與前述測量對象的距離，來設定使前述三維感測器與前述測量對象的距離，成為預定的基準距離的前述機器人的測量姿勢。
本揭示的第2態樣的三維測量系統具備：三維測量部，其利用測量至測量對象的距離的三維感測器，來測量測量對象的位置及形狀；機器人，其使前述三維感測器或前述測量對象移動；基準姿勢設定部，其設定前述機器人的基準姿勢；形狀記憶部，其預先記憶前述測量對象的形狀；符合度算出部，其算出前述三維測量部所測量到的前述測量對象的形狀、與前述形狀記憶部所記憶的前述測量對象的形狀的符合度；偏離量算出部，其根據前述三維測量部所測量到的前述測量對象的位置及形狀，來算出前述三維感測器與前述測量對象的距離從預定的基準距離偏離的偏離量；及修正姿勢設定部，其於前述符合度不滿足預定的判定閾值時，設定使前述三維感測器移動了前述偏離量之前述機器人的修正姿勢。 發明效果
本揭示的三維測量系統可不受測量對象的位置影響，正確地測量測量對象的三維形狀。
用以實施發明之形態
以下一面參考圖式，一面說明本揭示的三維測量系統的實施形態。圖1是表示本揭示的第1實施形態的三維測量系統1的構成的示意圖。
三維測量系統1具備機器人10、三維感測器20及控制裝置30。三維測量系統1是測量例示的工件W等測量對象的位置及形狀的系統，構成為亦作為將工件W一個接一個地取出的拾取系統來使用。
於三維測量系統1，工件W配置於例如工作台的表面、帶式輸送機的皮帶表面、容器的底面等基準面S上。工件W可配置成在基準面S上相互重疊。
由於可將三維測量系統1作為拾取系統使用，因此機器人10於前端具有保持工件W的手部11。機器人10將三維感測器20定位在可測量工件W(以手部11保持前的工件W)的位置。機器人10可如圖1所例示採用垂直多關節型機器人，但不限於此，亦可為例如正交座標型機器人、水平多關節型機器人、並聯型機器人等。
手部11若可保持工件W即可，可採用具有握持工件W的複數個指狀構件、吸附工件W的真空吸盤等之構成。
三維感測器20測量至測量對象及其他物體的距離。更詳言之，三維感測器20就其視野內的每個二維位置，亦即就與測量範圍的中心軸呈垂直的平面方向的每個位置，檢測至測量對象及其他物體的距離。亦即，三維感測器20取得測量對象的距離圖像、點雲資料等可製作三維影像的資訊。測量對象不侷限於工件W，可考慮用以進行初始設定的初始設定治具等，前述初始設定治具用以在三維測量系統1決定可進行正確測量的條件。
三維感測器20只在如圖中以陰影線例示的一定的距離範圍內，保證會以預定的精度測量至測量對象的距離，若脫離此距離範圍，可能測量誤差會變大或無法得到測量值。
三維感測器20亦可採用具有2個二維照相機21、22及投影機23的構成，前述2個二維照相機21、22拍攝測量對象的二維圖像，前述投影機23對測量對象，投影包含網格(grid)狀的基準點的圖像。此類三維感測器20可藉由2個二維照相機21、22，拍攝被投影網格狀的基準點的測量對象，根據因2個二維照相機21、22的攝影圖像的視差所產生之網格的位置偏離，來算出三維感測器20到各網格的距離。
控制裝置30具備形狀記憶部31、三維測量部32、距離測量部33、測量姿勢設定部34、基準姿勢設定部35、符合度算出部36、偏離量算出部37、修正姿勢設定部38、初始設定控制部39、工件檢測控制部40及工件取出控制部41。可藉由令具有例如記憶體、CPU、輸出入介面等之1個或複數個電腦裝置執行適當的程式，來實現控制裝置30。控制裝置30的各構成要素是以其功能分類，未能就物理性構造及程式構造來明確區分亦可。
形狀記憶部31預先記憶測量對象(工件W、未圖示的初始設定治具等)的形狀。於三維測量系統1，將具有與記憶在形狀記憶部31的形狀符合的形狀的物體，辨識為測量對象。
三維測量部32利用三維感測器20，來測量測量對象及周圍物體的位置及形狀。亦即，對三維感測器20給予檢測的觸發(trigger)，根據三維感測器20的檢測資料，來製作三維感測器20的座標系統中之測量對象等物體的表面形狀的三維資料。
距離測量部33測量三維感測器20與測量對象的距離(以下稱為初始配置距離)。距離測量部33可構成為利用專用的感測器，或可構成為利用三維感測器20的2個二維照相機21、22之任一者，來測量三維感測器20與測量對象的初始配置距離。作為範例，距離測量部33可構成為根據複數個二維圖像，來算出三維感測器20與測量對象的初始配置距離，前述複數個二維圖像是使機器人10的姿勢變化，而藉由二維照相機21、22從不同的位置拍攝測量對象所得。
測量姿勢設定部34根據距離測量部33所測量到的三維感測器20與測量對象的初始配置距離，來設定使三維感測器20與測量對象的距離的預測值，成為預定的基準距離之機器人10的測量姿勢。基準距離是三維感測器20可正確地檢測距離之距離。亦即，「測量姿勢」是機器人10將三維感測器20定位在三維測量部32的測量會正確的位置之姿勢。再者，「測量姿勢」是根據可能包含誤差的初始配置距離的1個測量值所求出，三維感測器20與測量對象的實際距離，未必與基準距離正確地一致。
基準姿勢設定部35設定使三維感測器20與測量對象的距離(以下稱為測量配置距離)，與基準距離一致的機器人10的基準姿勢，前述三維感測器20與測量對象的距離是根據在使機器人10成為測量姿勢的狀態下，由三維測量部32測量到的測量對象的位置及形狀所算出。亦即，「基準姿勢」可視為：根據在測量姿勢下，由三維測量部32較為正確地測量到的三維感測器20與測量對象的測量配置距離，來使三維感測器20與測量對象的實際距離更正確地與基準距離一致的姿勢。
符合度算出部36算出三維測量部32所測量到的測量對象的形狀、與形狀記憶部31所記憶的測量對象的形狀的符合度。當測量對象的形狀一定時，若三維感測器20與測量對象的實際距離與基準距離的偏離越大，此「符合度」會因為三維測量部32的測量誤差而越降低。
偏離量算出部37根據三維測量部32所測量到的測量對象的位置及形狀，來算出三維感測器20與測量對象的測量配置距離從基準距離偏離的偏離量，亦即算出測量配置距離與基準距離的差距。由於測量對象配置於基準面上，因此當測量對象重疊配置時，測量配置距離會短於基準距離。因此，將偏離量設為從基準距離減去測量配置距離後之值較為簡便。
修正姿勢設定部38是於符合度算出部36所算出來的符合度不滿足預定的判定閾值時，設定使三維感測器20移動了偏離量算出部所算出來的偏離量之機器人的修正姿勢。符合度的大幅降低可能在基準姿勢設定部35設定基準姿勢之後，測量對象堆疊，至測量對象的實際距離變小的情況下發生。因此，於符合度不滿足判定閾值時，設定使三維感測器20移動了偏離量之修正姿勢。亦即，修正姿勢設定部38藉由設成使三維感測器20與測量對象的實際距離接近基準距離的狀態，來設定可藉由三維感測器20更正確地測量測量對象的位置及形狀的修正姿勢。
初始設定控制部39藉由以適當的順序來使三維測量部32、距離測量部33、測量姿勢設定部34及基準姿勢設定部35發揮功能，以便在以三維測量系統1檢測工件W的位置及方向時，執行初始設定處理，前述初始設定處理可設定作為初始設定來利用的機器人10的姿勢即基準姿勢。
於圖2，表示由初始設定控制部39所進行的初始設定處理的程序。初始設定處理具備初始定位工序(步驟S01)、距離測量工序(步驟S02)、測量姿勢設定工序(步驟S03)、測量姿勢定位工序(步驟S04)、三維測量工序(步驟S05)及基準姿勢設定工序(步驟S06)。初始設定處理雖然亦可利用工件W來進行，但宜將具有三維測量部32及距離測量部33可正確地檢測的形狀及色彩之初始設定治具(未圖示)載置於基準面S上來進行。再者，宜使用在高度位置具有形狀上的特徵的初始設定治具，前述高度位置是與工件W在基準面S上配置成不重疊的狀態時大致相同的高度位置。初始設定治具之三維測量部32及距離測量部33可檢測的特徵點宜呈旋轉不對稱性地配置。
於步驟S01的初始定位工序，將機器人10的姿勢決定為，可由距離測量部33來測量至測量對象的距離的姿勢。此姿勢雖可預先設定為例如使三維感測器20從基準面S充分間隔開的機器人10的姿勢，但亦可由操作者或管理者以手動設定。亦即，初始定位工序亦可為對操作者或管理者要求機器人10的定位，並受理確認定位完成的輸入的工序。
於步驟S02的距離測量工序，使距離測量部33測量三維感測器20與測量對象的初始配置距離。具體而言，距離測量工序可具有例如以下工序：使二維照相機21拍攝測量對象；使機器人10的姿勢變化以使三維感測器20移動；使二維照相機21再次拍攝測量對象；及從2個攝影圖像中之測量對象的位置配置、形狀等之變化，算出三維照相機20與測量對象的初始配置距離。
於步驟S03的測量姿勢設定工序，使測量姿勢設定部34根據距離測量工序所測量到的初始配置距離，來設定使三維感測器20與測量對象的距離，成為預定的基準距離的機器人10的測量姿勢。
於步驟S04的測量姿勢定位步驟，使機器人10進行姿勢變化，成為以測量姿勢設定工序所設定的設想姿勢。
於步驟S05的三維測量工序，使三維測量部32利用三維感測器20，來測量測量對象的位置及形狀，算出三維感測器20與測量對象的測量配置距離。
於步驟S06的基準姿勢設定工序，根據以三維測量工序所測量到的測量配置距離，使基準姿勢設定部35設定使三維感測器20與測量對象的距離，成為預定的基準距離的機器人10的基準姿勢。
工件檢測控制部40藉由以適當的順序來使三維測量部32、符合度算出部36、偏離量算出部37及修正姿勢設定部38發揮功能，來執行檢測工件W的位置及方向的工件檢測處理。
於圖3，表示由工件檢測控制部40所進行的工件檢測處理的程序。工件檢測處理具備基準姿勢定位工序(步驟S11)、第1測量工序(步驟S12)、第1工件形狀辨識工序(步驟S13)、符合度算出工序(步驟S14)、符合度確認工序(步驟S15)、偏離量算出工序(步驟S16)、修正姿勢設定工序(步驟S17)、修正姿勢定位工序(步驟S18)、第2測量工序(步驟S19)、第2工件形狀辨識工序(步驟S20)及工件位置特定工序(步驟S21)。
於步驟S11的基準姿勢定位工序，使機器人10動作，以成為在初始設定處理中預先設定的基準姿勢位置。
於步驟S12的第1測量工序，使三維測量部32利用三維感測器20，測量測量對象及周圍物體的位置及形狀。若工件W是與初始設定處理中所使用的測量對象相同條件，典型是不重疊地載置於基準面S上之狀態的話，以此第1測量工序所測量的形狀會包含與工件W的形狀較為正確地符合的部分。
於步驟S13的第1工件形狀辨識工序，藉由習知的型樣(pattern)辨識技術，從第1測量工序所測量到的形狀，特定出具有與記憶於形狀記憶部31之工件W的形狀近似的形狀的部分。
於步驟S14的符合度算出工序，使符合度算出部36算出符合度，前述符合度表示以第1工件形狀辨識工序所特定出來的部分、與記憶於形狀記憶部31之工件W的形狀的符合程度。
於步驟S15的符合度確認工序，確認以符合度算出工序所算出來的符合度是否為預先設定的判定閾值以上。當符合度為預定的判定閾值以上時，前進至步驟S21，當符合度不滿足預定的閾值時，前進至步驟S16。符合度變低的情況可設想工件W堆疊，最上部的工件W脫離三維感測器20的最佳距離範圍的情況等。
於步驟S16的偏離量算出步驟，使偏離量算出部37根據第1測量工序所測量到的測量對象的位置及形狀，來算出三維感測器20與測量對象(已以符合度算出工序算出符合度的形狀部分)的距離從基準距離偏離的偏離量。
於步驟S17的修正姿勢設定工序，使修正姿勢設定部38相對於基準姿勢，設定使三維感測器20退後了偏離量算出工序所算出來的偏離量之機器人的修正姿勢。
於步驟S18的修正姿勢定位步驟，使機器人10動作，而成為以修正姿勢設定工序所設定的修正姿勢。藉此，可使三維感測器20之至第1工件形狀辨識工序所特定出來的工件W的距離，接近可進行適當測量的基準距離。
於步驟S19的第2測量工序，使三維測量部32再次測量測量對象及周圍物體的位置及形狀。亦即，於第2測量工序，在修正姿勢下重新測量測量對象及周圍物體的位置及形狀。
於步驟S20的第2工件形狀辨識工序，與第1工件形狀辨識工序同樣，從第2測量工序所測量到的形狀來特定出具有與記憶於形狀記憶部31之工件W的形狀近似的形狀的部分。
於步驟S21的工件位置特定工序，當於符合度確認工序中符合度為判定閾值以上時，視為在與第1工件形狀辨識工序所特定出來的形狀部分符合的位置及方向上存在有工件W，當於符合度確認工序中符合度小於判定閾值時，視為在與第2工件形狀辨識工序所特定出來的形狀部分符合的位置及方向上存在有工件W，特定出工件W的位置及方向。
工件取出控制部41藉由以往進行的手法，執行使機器人10動作的工件取出處理，以使藉由工件檢測控制部40所進行的工件檢測處理而特定出來的工件W，由手部11握持並取出。
於三維測量系統1，當基準面S上配置有複數個工件W時，藉由交替地重複執行工件檢測處理及工件取出處理，可將工件W一個接一個地取出。
如以上，三維測量系統1可不受測量對象的位置影響，正確地測量測量對象的三維形狀。因此，三維測量系統1可確實地取出工件W。
於圖4，表示本揭示的第2實施形態的三維測量系統1A的構成。於圖4的三維測量系統1A，對與圖1的三維測量系統1同樣的構成要素附上相同符號，並省略重複的說明。
三維測量系統1A具備具有手部11的機器人10、三維感測器20及控制裝置30。於三維測量系統1A，三維感測器20是於機器人10的上方，固定在例如配設有三維測量系統1A的機房的天花板或樑部等。
此三維測量系統1A是在以手部11握持工件W的狀態下，測量工件W的位置及形狀，藉此來確認手部11之工件W的握持位置的偏離。因此，於三維測量系統1A，機器人10使手部11所握持的測量對象相對於三維感測器20移動。
圖4的三維測量系統1A的控制裝置30亦與圖1的三維測量系統1同樣具備形狀記憶部31、三維測量部32、距離測量部33、測量姿勢設定部34、基準姿勢設定部35、符合度算出部36、偏離量算出部37、修正姿勢設定部38、初始設定控制部39、工件檢測控制部40及工件取出控制部41。
圖4的三維測量系統1A的初始設定處理及工件檢測處理是於三維測量部32進行測量及距離測量部33進行測量時，機器人10會進入二維照相機21、22的視野中，但初始設定處理及工件檢測處理的程序與圖1的三維測量系統1相同。
圖4的三維測量系統1A可不受手部11的測量對象的握持位置影響，正確地測量測量對象的三維形狀。藉此，三維測量系統1A可修正手部11的工件W的握持位置的偏離，可藉由機器人10將工件W相對於例如加工裝置正確地定位。
以上說明了本發明的實施形態，但本發明不限於前述的實施形態。又，本實施形態所記載的效果只列舉了本發明所產生的最佳效果，但本發明的效果不限定於本實施形態所記載的效果。
於本發明的三維測量系統，在工件檢測處理中，亦可與初始設定處理同樣地確認由距離測量部所測量的三維感測器及測量對象的位置，設定使三維感測器與測量對象的距離成為基準距離的測量姿勢，並根據此測量姿勢下之三維測量部對測量對象的位置及形狀的測量結果，來特定出工件的位置及方向。此時，於第2次以後的初始定位工序，宜自動地重現在最初的初始定位工序設定的機器人的姿勢。
又，於本發明的三維測量系統，亦可不進行初始設定處理而以手動設定基準姿勢，來進行工件檢測處理。
又，於本發明的三維測量系統，修正姿勢設定部亦可取代符合度或除了符合度以外，還根據三維測量部可測量的三維點的數目、工件檢測控制部所檢測到的工件的數目等，來判斷三維測量部的測量結果的正確性，當判斷測量結果不正確時設定修正姿勢。
1,1A:三維測量系統 10:機器人 11:手部 20:三維感測器 21,22:二維照相機 23:投影機 30:控制裝置 31:形狀記憶部 32:三維測量部 33:距離測量部 34:測量姿勢設定部 35:基準姿勢設定部 36:符合度算出部 37:偏離量算出部 38:修正姿勢設定部 39:初始設定控制部 40:工件檢測控制部 41:工件取出控制部 S:基準面 S01~S06,S11~S21:步驟 W:工件
圖1是表示本發明的第1實施形態的三維測量系統的構成的示意圖。 圖2是表示圖1的三維測量系統的初始設定處理的程序的流程圖。 圖3是表示圖1的三維測量系統的工件檢測處理的程序的流程圖。 圖4是表示本發明的第2實施形態的三維測量系統的構成的示意圖。
1:三維測量系統
10:機器人
11:手部
20:三維感測器
21,22:二維照相機
23:投影機
30:控制裝置
31:形狀記憶部
32:三維測量部
33:距離測量部
34:測量姿勢設定部
35:基準姿勢設定部
36:符合度算出部
37:偏離量算出部
38:修正姿勢設定部
39:初始設定控制部
40:工件檢測控制部
41:工件取出控制部
S:基準面
W:工件

Claims (6)

  1. 一種三維測量系統，其具備： 三維測量部，其利用測量至測量對象的距離的三維感測器，來測量前述測量對象的位置及形狀； 機器人，其使前述三維感測器或前述測量對象移動； 距離測量部，其測量前述三維感測器與前述測量對象的距離；及 測量姿勢設定部，其根據前述距離測量部所測量到的前述三維感測器與前述測量對象的距離，來設定使前述三維感測器與前述測量對象的距離，成為預定的基準距離的前述機器人的測量姿勢。
  2. 如請求項1之三維測量系統，其中前述三維感測器包含二維照相機， 前述距離測量部利用前述二維照相機，來測量前述三維感測器與前述測量對象的距離。
  3. 如請求項2之三維測量系統，其中前述距離測量部根據複數個二維圖像，來算出前述三維感測器與前述測量對象的距離，前述複數個二維圖像是使前述機器人的姿勢變化，而藉由前述二維照相機，從不同的位置拍攝了前述測量對象所得。
  4. 如請求項1至3中任一項之三維測量系統，其進一步具備基準姿勢設定部，前述基準姿勢設定部根據使前述機器人成為前述測量姿勢的狀態下，由前述三維測量部所測量到的前述測量對象的位置及形狀，來設定使前述三維感測器與前述測量對象的距離，與前述基準距離一致的前述機器人的基準姿勢。
  5. 如請求項4之三維測量系統，其進一步具備： 形狀記憶部，其預先記憶前述測量對象的形狀； 符合度算出部，其算出前述三維測量部所測量到的前述測量對象的形狀、與前述形狀記憶部所記憶的前述測量對象的形狀的符合度； 偏離量算出部，其根據前述三維測量部所測量到的前述測量對象的位置及形狀，來算出前述三維感測器與前述測量對象的距離從前述基準距離偏離的偏離量；及 修正姿勢設定部，其於前述符合度不滿足預定的判定閾值時，設定使前述三維感測器移動了前述偏離量之前述機器人的修正姿勢。
  6. 一種三維測量系統，其具備： 三維測量部，其利用測量至測量對象的距離的三維感測器，來測量測量對象的位置及形狀； 機器人，其使前述三維感測器或前述測量對象移動； 基準姿勢設定部，其設定前述機器人的基準姿勢； 形狀記憶部，其預先記憶前述測量對象的形狀； 符合度算出部，其算出前述三維測量部所測量到的前述測量對象的形狀、與前述形狀記憶部所記憶的前述測量對象的形狀的符合度； 偏離量算出部，其根據前述三維測量部所測量到的前述測量對象的位置及形狀，來算出前述三維感測器與前述測量對象的距離從預定的基準距離偏離的偏離量；及 修正姿勢設定部，其於前述符合度不滿足預定的判定閾值時，設定使前述三維感測器移動了前述偏離量之前述機器人的修正姿勢。
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