JP2003121112A - 位置検出装置 - Google Patents
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Abstract
像した場合でも、その中心位置を正確に検出することを
可能とする。 【解決手段】 ロボット本体1のアームの先端にマーカ
Mを設ける。このマーカMを、半径r1 の外円C1 と、
半径r2 (=mr1 (0<m<1))の内円C2 とから
なる同心円とする。前記マーカM部分を撮像するCCD
カメラ15を設置面2に設け、視覚認識装置は、CCD
カメラ15により撮像されたマーカMの画像データか
ら、各円C1 ,C2 の重心位置φ1 ,φ2 を夫々算出
し、マーカMの真の中心位置φを、 【数19】 の式で算出する。
Description
の位置検出対象に設けられたマーカを、傾斜した方向か
ら撮像した場合でも、その中心位置を正確に検出するこ
とを可能とした位置検出装置に関する。
組立用の多関節(6軸)型ロボットを用いたシステムに
おいては、ロボットアームの位置が、重力等の影響を受
けることによって、理論上(計算機環境上)の位置から
若干の位置ずれを生ずる場合がある。そこで、その位置
ずれの補正のため、ロボットアームに例えば円形のマー
カを設けると共に、固定設備側に、そのマーカ部分を撮
像してマーカ位置を検出する視覚認識装置を設けること
が考えられている。この場合、前記視覚認識装置は、C
CDカメラによりマーカ部分を撮像し、その画像データ
を画像処理装置により処理して、前記マーカ画像の重心
位置を算出することにより、マーカの中心位置を検出す
るようになっている。
ーカ位置を検出する場合、CCDカメラとマーカとが正
対して位置する(マーカ表示面がCCDカメラの光軸に
垂直となっている)ときには、マーカ画像の重心位置に
よりマーカの中心位置を高精度で検出することができる
が、実際には、マーカ表示面がCCDカメラに対して傾
斜していることも多く、この場合斜めに投影された画像
を撮像してしまうことになる。このため、撮影したマー
カ画像が真円ではなく歪みを有した状態となり、その重
心を求めても、マーカの真の中心位置に一致しない不都
合が生ずる。
で、その目的は、撮像手段によりマーカを撮像すること
に基づいて位置検出を行うにものにあって、マーカを傾
斜した方向から撮像した場合でも、その中心位置を正確
に検出することを可能とした位置検出装置を提供するに
ある。
ーカを傾斜方向から撮像した場合におけるマーカ画像の
重心位置の真の中心位置からのずれ量は、その傾斜角度
と、撮像視点から投影面までの距離と、マーカの半径と
によってほぼ決まることに着目し、マーカを、半径の異
なる少なくとも2つの同心円を有したものとし、それら
同心円の半径が異なることに起因して各円の画像の重心
が異なってくることを利用して、マーカの真の中心位置
を求めることが可能であることを確認し、本発明を成し
遂げたのである。
よれば、位置検出対象に設けられるマーカを、半径の異
なる2以上の同心円を平面上に表示して構成し、撮像手
段のマーカを撮像した画像データに基づいてマーカの中
心位置を算出する算出手段を、各同心円画像の重心位置
を夫々算出し、それら複数の重心位置からマーカの中心
位置を求めるように構成したので、マーカを傾斜した方
向から撮像した場合でも、そのマーカの中心位置を正確
に算出することが可能となる。
ば、半径r1 の外円及び半径mr1(0<m<1)の内
円の2つの同心円について夫々重心位置φ1 及びφ2 を
算出することにより、マーカの真の中心位置φを、
明)。尚、マーカの中心位置φの算出方法としては、こ
れ以外にも、複数の同心円の各円の重心と面積とから最
小自乗法により求めるなど、様々な方法がある。
光軸に垂直な面に対するマーカの表示面の傾斜角度を併
せて算出するように構成することができ(請求項3の発
明)、これにより、マーカの位置だけでなくマーカ表示
面つまり位置検出対象の撮像手段に対する傾斜角度をも
検出することが可能となる。さらには、本発明の位置検
出装置は、ロボットの位置検出に適用し、算出手段によ
り算出されたマーカの中心位置に基づいてロボットの位
置補正を行うことができ(請求項4の発明)、これによ
り、比較的簡単で安価な構成で、ロボットの位置補正を
正確に行うことができるようになる。
直多関節(6軸)型ロボットの位置補正に適用した一実
施例について、図面を参照しながら説明する。図1は、
本実施例に係る位置検出装置の位置検出対象となるロボ
ット本体1が、組立作業設備の設置面(作業台)2上に
設置されている様子(外観)を概略的に示しており、ま
ず、このロボット本体1の全体構成について簡単に述べ
る。
固定設置されたベース3上に、第1アーム4が垂直軸を
中心に回動(旋回)可能に設けられ、その第1アーム4
の先端に、第2アーム5が水平軸を中心に回動可能に設
けられ、その第2アーム5の先端に、第3アーム6が水
平軸を中心に回動可能に設けられている。さらに、その
第3アーム6の先端面部に、第4アーム7が同軸回転可
能に設けられ、第4アーム7の先端には、第5アーム8
が回転可能に設けられ、第5アーム8の先端面に第6ア
ーム9が同軸回転可能に設けられて構成されている。そ
して、前記第6アーム9の先端面は、図示しないハンド
等のエンドエフェクタが着脱(交換)自在に取付けられ
るエンドエフェクタ取付面10とされている。
4〜9は、エンコーダ付きのサーボモータ(図示せず)
によりそれぞれ駆動されるようになっており、それら各
サーボモータは、ロボット制御装置(コントローラ)1
1(図2にのみ図示)によりフィードバック制御される
ようになっている。このロボット制御装置11は、マイ
コンを主体として構成され、図2に示すように、前記ロ
ボット本体1を制御する制御部12や、作業プログラム
や作業位置データ等が記憶される記憶部13を備えて構
成されている。これにて、ロボット制御装置11は、記
憶部13に記憶された作業プログラムに従い、作業位置
データに基づいてロボット本体1を制御し、以て部品の
組立作業等を自動的に実行させるようになっている。
合、エンドエフェクタ取付面10の位置及び姿勢)を検
出するための、本実施例に係る位置検出装置14の構成
について、以下述べる。ここで、まず図1に示すよう
に、前記エンドエフェクタ取付面10の中心部には、タ
ーゲットとなるマーカMが設けられるようになってい
る。本実施例では、このマーカMは、エンドエフェクタ
取付面10の中心を中心とした半径の異なる2つの同心
円、即ち外円C1 及び内円C2 を平面S(図3,図4参
照)上に表示して構成されている。位置検出装置14
は、例えばロボット本体1が作業開始前(あるいは教示
前)において原点位置に位置している状態で、エンドエ
フェクタ取付面10に設けられたマーカM(同心円C1
,C2 )の3次元の中心位置φ及び前記平面Sの傾斜
角度θを検出するようになっている。
に、前記マーカM部分を撮像する撮像手段たるCCDカ
メラ15や、マイコンを主体してなり前記CCDカメラ
15からの画像データを処理する視覚認識装置16等か
ら構成される。前記CCDカメラ15は、図1に示すよ
うに、設備の設置面2上に、前記ロボット本体1に対向
して前記エンドエフェクタ取付面10のマーカMを撮像
可能な位置(且つ作業の邪魔にならない位置)に設けら
れる。
ラ15は、ロボット本体1に向って左右に2個が設けら
れており、詳しい説明は省略するが、これら2台のCC
Dカメラ15を用いることにより、CCDカメラ15か
らマーカM(投影面)までの距離Lをも高精度に検出で
きるようになっている。さらに、各CCDカメラ15
は、垂直軸を中心に回動(旋回)可能に設けられると共
に、水平軸を中心に上下方向に回動(角度変更)可能に
設けられており、カメラ駆動装置17によって、前記マ
ーカMを視野のほぼ中央部にて撮像できる向き(理論的
に正対する位置)となるように移動されるようになって
いる。
に、前記CCDカメラ15により撮像されたマーカM部
分の画像データを記憶する画像記憶部18や、その画像
データを処理する演算処理部19等を備えて構成され
る。また、前記演算処理部19は、前記カメラ駆動装置
17の駆動制御をも行うようになっており、この際、各
CCDカメラ15の位置(三次元的な撮影角度)を自ら
認識できることは勿論である。
ように、この視覚認識装置16(演算処理部19)は、
そのソフトウエア構成(処理プログラムの実行)によ
り、前記CCDカメラ15によりマーカM部分を撮像
し、その画像データを処理して、同心円C1 ,C2 の画
像上の重心位置φ1 ,φ2 を夫々算出し、それら重心位
置φ1 ,φ2 から前記マーカMの中心位置φを求めるよ
うになっている。従って、演算処理部19が算出手段と
して機能するようになっている。
9には、前記マーカMの外円C1 の半径r1 や、内円C
2 の半径r2 等の予め必要なデータが入力されており、
内円C2 の半径r2 をr2 =mr1 (0<m<1)とす
ると、算出された重心位置φ1 及びφ2 から、マーカM
の真の中心位置φを、
は、中心位置φと例えば外円C1 の重心位置φ1 との間
のずれ量Δφ、並びに、CCDカメラ15からマーカM
の投影面間での距離L、及び外円C1 の半径r1 から、
前記CCDカメラ15の光軸に垂直な面に対する前記マ
ーカMの表示面Sの傾斜角度θを併せて算出するように
構成されている。そして、検出されたマーカMの中心位
置φ及びマーカMの表示面Sの傾斜角度θは、ロボット
制御装置11に送られ、ロボット本体1の位置補正(記
憶部13に記憶されている作業位置データの補正)に用
いられるようになっている。
図4も参照して述べる。上述のように、ロボット本体1
にあっては、アーム4〜9の位置が、重力等の影響を受
けることによって、理論上(計算機環境上)の位置から
若干の位置ずれを生ずる場合がある。そこで、その位置
ずれの補正のため、組立作業を行う前(あるいは教示作
業前)に、位置検出装置14により、アーム先端のエン
ドエフェクタ取付面10のマーカMの位置を検出し、位
置ずれ補正を行う。
合、CCDカメラ15とマーカMとが正対して位置する
(マーカMの表示面SがCCDカメラ15の光軸に垂直
となっている)ときには、マーカ画像の重心位置の検出
によりマーカMの中心位置を求めることができる。とこ
ろが、実際には、マーカMの表示面SがCCDカメラ1
5に対して傾斜していることも多く、この場合、斜めに
投影された画像を撮像してしまい、マーカMの画像が真
円ではなく歪みを有した状態となり、その重心を求めて
も、マーカMの真の中心位置φに一致しない不都合が生
ずる。
示面Sに表示され、これを撮像するCCDカメラ15の
光軸lに垂直な面に対してその表示面Sが角度θ傾斜し
ている場合、円Cの真の中心位置に対する画像の重心位
置の誤差の角度成分Δφは、以下ようにして求めること
ができる。但し、ここでは、CCDカメラ15の視点V
を原点とし、視点Vと円Cの中心とを結ぶ線(光軸l)
をz軸に一致させ、表示面Sがx軸方向に対して角度θ
傾いているものとし、視点V(原点)から投影面までの
距離をLとしている。
影された座標は、
L/(L−xtanθ)であるから、上記座標は、
x=LX/(L+Xtanθ)より、上記座標は、
は、
X/L、α=r/Lとおくと、X=Ltより、
に起因した真の中心からのずれ)の角度成分Δφは、次
式で近似される。
うに、マーカMが、半径r1 の外円C1 と、半径r2 の
内円C2 (但しr2 =mr1 (0<m<1))とからな
る同心円から構成される、そして、位置検出装置14
は、前記マーカM部分をCCDカメラ15により撮像
し、視覚認識装置16(演算処理部19)により、その
画像データに基づいて、各円C1 ,C2 の重心位置φ1
,φ2 を夫々算出し、それらから次のようにしてマー
カMの真の中心位置φを算出することができる。
径rの円Cに関しては,傾きθに起因した重心位置の誤
差の角度成分Δφは、
9sin2θである。
をφとし、外円C1 の重心位置φ1の誤差をΔφ1 、内
円C2 の重心位置φ2 の誤差をΔφ2 とすると、 φ=φ1 −Δφ1 φ=φ2 −Δφ2 であるから、α1 =r1 /L、α2 =r2 /Lとする
と、上記(4)式から、
から、(6)式にα1 の二乗を乗算したものを減算する
と、
代入すると、
,φ2 、及び、既知のmを代入することにより、真の
中心位置φを容易に算出することができるのである。
尚、表示面Sに傾斜がない、つまりθ=0の場合には、
各円C1 ,C2 の重心位置φ1 ,φ2 が一致し、且つ誤
差成分Δφが0となるので、それら重心位置φ1 ,φ2
が中心位置φに一致することは勿論であり、この場合に
も上記(7)式が成立つ。つまり、表示面Sの傾斜の有
無に関係なく、上記(7)式を用いて中心位置φを算出
できるのである。
高精度で検出できるので、例えば上記(3)式等から明
らかなように、このLの値や半径r、誤差成分Δφを用
いて、表示面Sの傾斜角度θを容易に算出することが可
能である。そして、算出されたマーカMの正しい中心位
置φ及び表示面Sの傾斜角度θに基づいて、ロボット本
体1の高精度の位置ずれ補正を行うことができ、ひいて
は、ロボット本体1による高精度の組立作業を実行する
ことができるのである。
ラ15によりマーカMを撮像することに基づいて位置検
出を行うにものにあって、マーカMを同心円C1 ,C2
から構成し、それら各円C1 ,C2 の重心を算出するこ
とに基づいて、上記(7)式を用いて簡単に正しい中心
位置φを算出することができる。従って、マーカMを傾
斜した方向から撮像した場合でも、その中心位置φを正
確に検出することができるという優れた効果を得ること
ができる。また、本実施例では、マーカMの中心位置φ
に加えて、マーカMの表示面Sの傾斜角度θをも併せて
算出するようにしたので、比較的簡単で安価な構成で、
ロボット本体1の位置補正を正確に行うことができ、ひ
いては高精度の作業を行うことができるようになる。
の異なる2つの同心円C1 ,C2 を設けて上記(7)式
により中心位置φを算出する構成としたが、マーカの中
心位置φの算出方法としては、先に計算した上記(4)
式を利用した下記のような方法も考えられる。これらの
場合、マーカに3個以上の同心円を設けても良いことは
勿論である。
出し、それらから最小二乗法により求める。 円の半径を等比級数で決めた複数の同心円からマーカ
を構成し、その比率と、算出された各円の重心と面積と
から、最小二乗法により求める。 円の大きさにより重心を算出する際の量子化ばらつき
が異なるので、それを考慮し重み付け最小二乗法により
求める。このとき、円の半径に比例した重み付けを行う
ことができる。
Dカメラ15)を移動(向き変更)可能に設けるように
したが、撮像手段を固定して設けても良く、また、撮像
手段は1個のみでも実施可能である。マーカMを設ける
位置としても、エンドエフェクタ取付面10に限らず、
ロボット本体1の位置検出したいところに設ければ良
く、この場合、マーカMを複数箇所に設けることも可能
である。上記のようにロボットに適用する際に、ロボッ
ト側に撮像手段を設け、固定設備側にマーカを設けるよ
うにしても、同様に実施することができる。自走ロボッ
トにも適用することができる。さらには、ロボットの位
置決め以外にも、本発明は、視覚により三次元の位置検
出を行うもの全般に適用することができるなど、要旨を
逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものであ
る。
及びCCDカメラの設置状態を示す斜視図
図
方法を説明するための図
ための図
付面、11はロボット制御装置、14は位置検出装置、
15はCCDカメラ(撮像手段)、16は視覚認識装
置、17はカメラ駆動装置、18は画像記憶部、19は
演算処理部(算出手段)、Mはマーカ、C1 は外円、C
2 は内円、Sは表示面を示す。
Claims (4)
- 【請求項1】 位置検出対象に設けられたマーカを撮像
する撮像手段と、この撮像手段の画像データに基づい
て、前記マーカの中心位置を算出する算出手段とを備え
る位置検出装置であって、 前記マーカは、半径の異なる2以上の同心円を平面上に
表示して構成され、 前記算出手段は、前記各同心円画像の重心位置を夫々算
出し、それら複数の重心位置から前記マーカの中心位置
を求めることを特徴とする位置検出装置。 - 【請求項2】 前記算出手段は、半径r1 の外円及び半
径mr1 (0<m<1)の内円の2つの同心円について
夫々重心位置φ1 及びφ2 を算出し、さらに、次式によ
り中心位置φを算出することを特徴とする請求項1記載
の位置検出装置。 【数1】 - 【請求項3】 前記算出手段は、前記撮像手段の光軸に
垂直な面に対する前記マーカの表示面の傾斜角度を併せ
て算出するように構成されていることを特徴とする請求
項1又は2記載の位置検出装置。 - 【請求項4】 前記位置検出対象はロボットであり、前
記算出手段により算出された前記マーカの中心位置が、
該ロボットの位置補正に用いられることを特徴とする請
求項1ないし3のいずれかに記載の位置検出装置。
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