JP2010091540A - 三次元計測システム及び三次元計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを高精度に三次元計測すること。
【解決手段】三次元計測システム１は、非接触式の三次元計測器４をロボット２により移動させてワーク５の形状を三次元に計測する。予めロボット座標データに基づき制御されるロボット２の挙動をロボット計測装置１４により実測し、そのときのロボット実測データとロボット座標データとをデータ処理装置１２が比較してロボット座標データを補正するための補正モデルを算出して備えておく。そして、ワーク５の計測時には、ロボット座標データに基づき制御されるロボット２と三次元計測器４を同期させてワーク５の形状を三次元に計測し、そのときのロボット座標データを補正モデルにより補正し、その補正されたロボット座標データと三次元計測器４による三次元計測座標データとをデータ処理装置１２で統合して任意座標により出力装置１３へ出力する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、非接触式の三次元計測器をロボットにより移動させてワークの形状を三次元に計測する三次元計測システム及び三次元計測方法に関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１及び２に記載される技術が知られている。特許文献１には、測定対象（ワーク）に係る設計データ（三次元ＣＡＤデータ）から最適なスキャンパス情報を作成し、そのスキャンパス情報に基づいてアーム型三次元計測機の測定器手先部を三次元に移動させ、測定対象を自動的かつ速やかに三次元測定するようになっている。しかし、この技術では、三次元計測機の座標系（ロボット位置）の計測値と、測定器手先部の座標系（計測座標）の計測値との間にずれが存在することがあり、このずれを解消しない限り測定対象を正確に三次元測定することが困難となる。

これに対し、特許文献２には、三次元空間内で移動するように自動機に取り付けられた非接触式の三次元位置センサの座標系（計測座標）を、自動機原点（ロボット位置）に一致させるようにした三次元計測機の座標系のキャリブレーション方法が記載されている。この方法では、３球式の基準器を用いることにより、自動機原点（ロボット位置）に対してセンサ原点（計測座標）のずれに対応する三次元位置又は三次元形状のローカル座標値のキャリブレーション（いわゆる「ハンドアイ校正」）を、簡単かつ高精度に行うようになっている。

特開２００７−２９２４７４号公報 特開２００２−３１０６４１号公報

ところが、特許文献２に記載の技術では、センサ原点（計測座標）と、自動機原点（ロボット位置）との間でキャリブレーションが行われるが、自動機原点（ロボット位置）と自動機座標（ロボット座標）との関係が補正されることはない。自動機原点（ロボット位置）と、自動機座標（ロボット座標）との間には、部品の製作や組み付け上の誤差、ギヤのバックラッシ、自動機自体のたわみ等に起因する誤差が存在する。このため、たとえ、センサ原点（計測座標）と、自動機原点（ロボット位置）との間「ハンドアイ校正」を行ったとしても、ワークにつき任意座標の三次元計測データを得るためには、センサ原点（計測座標）と自動機座標（ロボット座標）との間でデータを座標変換して統合する必要がある。ここで、センサ原点（計測原点）と自動機原点（ロボット位置）との関係は変化しない。このため、自動機原点（ロボット位置）と自動機座標（ロボット座標）との間にずれが在る以上、センサ原点（計測座標）と自動機座標（ロボット座標）とを統合して任意座標の三次元計測データを作成しても、正確なデータが得られない。このため、ワークを精度良く三次元計測できなくなるおそれがあった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ワークを高精度に三次元計測することを可能とした三次元計測システム及び三次元計測方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明の三次元計測システムは、ワークを非接触により三次元に計測するための三次元計測器と、三次元計測器をワークの周りにて三次元に移動させるためのロボットと、ロボットを制御するためのロボット制御手段と、予めロボット制御手段によりロボット座標データに基づいて制御されるロボットの挙動をロボット計測手段により計測し、そのときのロボット計測手段によるロボット実測データとロボット座標データとを比較してロボット座標データを補正するための補正モデルを算出して備え、補正モデルに基づいてロボット座標データを補正するためのロボット座標データ補正手段と、ロボット座標データ補正手段により補正されるロボット座標データと、三次元計測器による三次元計測座標データとを統合して任意座標により出力するためのデータ統合手段とを備え、ワークの計測時には、ロボット制御手段によりロボット座標データに基づいて制御されるロボットと三次元計測器を同期させてワークの形状を三次元に計測し、そのときのロボット座標データをロボット座標データ補正手段の補正モデルにより補正し、その補正されたロボット座標データと三次元計測器による三次元計測座標データとをデータ統合手段により統合して任意座標により出力することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ロボット座標データ補正手段により、予めロボット座標データとロボット実測データとの誤差が補正モデルとして算出され、備えられる。ここで、「補正モデル」とは、ワークの計測時に、ロボット制御手段からロボットへ出力されるロボット座標データを補正するための補正値に相当する。そして、ワークの計測時には、ロボット座標データに基づいて制御されるロボットと三次元計測器を同期させてワークの形状を三次元に計測し、そのときのロボット座標データがロボット座標データ補正手段の補正モデルにより補正され、その補正されたロボット座標データと三次元計測器による三次元計測座標データとがデータ統合手段により統合されて任意座標により出力される。従って、ワークの計測時には、補正モデルで補正されたロボット座標データと三次元計測座標データとが誤差なく統合されて任意座標により出力される。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、非接触式の三次元計測器をロボットにより移動させてワークの形状を三次元に計測する三次元計測方法であって、予めロボット座標データに基づいて制御されるロボットの挙動をロボット計測手段により計測し、そのときのロボット計測手段によるロボット実測データとロボット座標データとを比較してロボット座標データを補正するための補正モデルを算出して備えておき、ワークの計測時には、ロボット座標データに基づいて制御されるロボットと三次元計測器を同期させてワークの形状を三次元に計測し、そのときのロボット座標データを補正モデルにより補正し、その補正されたロボット座標データと三次元計測器による三次元計測座標データとを統合して任意座標により出力することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ワークの計測時には、補正モデルで補正されたロボット座標データと三次元計測座標データとが誤差なく統合されて任意座標により出力される。

請求項１に記載の発明によれば、ワークを高精度に三次元計測することができる。

請求項２に記載の発明によれば、ワークを高精度に三次元計測することができる。

以下、本発明の三次元計測システム及び三次元計測方法を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態の三次元計測システム１を概略構成図により示す。図２に、ロボット２、ロボット座標、ロボット位置（計測原点）、計測座標及びワーク座標の関係を概念図により示す。この三次元計測システム１は、多関節アーム式のロボット２と、ロボット２のアーム３の先端に固定された非接触式の三次元計測器４と、ロボット２を制御するためのロボット制御手段としてのロボット制御装置１１と、三次元計測器４による三次元計測座標データを処理等するためのデータ処理装置１２と、計測対象であるワーク５をセットするためのワークセット治具６とを備える。三次元計測システム１は、ロボット２に固定された三次元計測器４を、ロボット２を動かしてワーク５の周りにて三次元に移動させることにより、ワーク５の形状を非接触により三次元に計測するものである。

三次元計測器４は、例えば、レーザによりワーク５の形状を非接触により三次元に計測するようになっている。ロボット制御装置１１は、ロボット２を所定の制御プログラムに基づいて制御するようになっている。このとき、ロボット制御装置１１は、ロボット座標データに基づいてロボット２を制御する。これにより、ロボット２に固定された三次元計測器４を、ワーク５の周りにて前後、左右及び上下の三次元に自在に移動させるようになっている。データ処理装置１２は、三次元計測器４による三次元計測座標データを処理等して出力装置１３へ出力するようになっている。出力装置１３は、ディスプレイやプリンタ等を含む。データ処理装置１２には、ロボット計測装置１４からロボット実測データが入力されるようになっている。このロボット計測装置１４は、必要に応じてロボット２の挙動を実際に計測するために使用される。ロボット計測装置１４は、本発明のロボット計測手段に相当する。

ここで、例えば、図３に、ロボット２を制御するために出力した「ロボット座標データ」と、実際にロボット２の挙動を計測して得られた「ロボット実測データ」との関係をグラフに示す。図３に示すように、「ロボット座標データ」と「ロボット実測データ」との間には「ずれ」が存在する。この「ずれ」は、ロボット構成部品の製作誤差及び組み付け誤差、ギヤのバックラッシ、並びに、荷重によるアームのたわみ等に起因することが考えられる。従って、三次元計測システム１において、ロボット２を動作させて三次元計測器４を移動させた場合、図２において、ロボット２のアーム３の先端である「ロボット位置」と「ロボット座標」との間に「ずれ」が在ることから、「ロボット位置」との間で変化がない三次元計測器４の「計測原点」と「ロボット座標」との間にずれが生じる。従って、このままでは、三次元計測器４による「計測座標」と「ロボット座標」との間にずれが生じ、ワーク５を正確に三次元計測できなくなる。

そこで、この実施形態では、「ロボット位置」と「ロボット座標」との間の「ずれ」に応じて「ロボット座標」に係るロボット座標データを補正することにより、「ロボット座標」と「計測座標」とを一致させてワーク５を正確に三次元計測できるようにしている。ここで、ロボット２を、図４に示すような「補正モデル」として概念図で表すことができる。例えば、「拡張ＤＨ法」を適用することで、ロボット実測データにマッチした「補正モデル」を取得することができる。すなわち、この実施形態では、図５にフローチャートで示すように、（１）図４に示す各軸Ｌ１〜Ｌ６の回転角度（軸角度）θ１〜θ６を取得し、（２）それら軸角度θ１〜θ６に基づきロボット座標Ｐについてロボット実測データにマッチした「補正モデル」を取得し、（３）この「補正モデル」から正確なロボット座標データを取得するようになっている。

次に、三次元計測システム１を使用して行うワーク５の三次元計測について説明する。この実施形態では、事前準備として、ロボット２を適当に制御したときの挙動を実測することにより、「補正モデル」を作成するようになっている。ここで、「補正モデル」とは、ワーク５の計測時に、ロボット制御装置１１からロボット２へ出力されるロボット座標データを補正するための補正値に相当する。この事前準備は、一旦行われた後は、ロボット２の構成要素の位置関係に変更があった場合にのみ実施することとなる。図６に、「補正モデル」を取得する事前準備のためのデータ処理の内容をフローチャートにより示す。この処理は、データ処理装置１２が実行する。

先ず、ステップ１００で、データ処理装置１２は、ロボット２とワーク５との位置関係を算出する。この算出には、例えば「同時変換行列」等の方法が使用される。次に、ステップ１１０で、データ処理装置１２は、ロボット２と三次元計測器４との位置関係を算出する。この算出にも、例えば「同時変換行列」等の方法が使用される。次に、ステップ１２０で、データ処理装置１２は、ロボット座標補正、すなわち、ロボット座標のモデル化を行う。これにより、仮の「補正モデル」を取得する。

その後、ステップ１３０で、データ処理装置１２は、ロボット挙動を実測する。すなわち、ロボット制御装置１１により所定のロボット座標データに基づいてロボット２を制御し、その制御されるロボット２の挙動をロボット計測装置１４により実際に計測する。この実測は、例えば、計測対象物であるロボット２にＬＥＤを貼付し、その貼付位置を３つのカメラで計測し、その計測データを画像処理することにより行う。ＬＥＤを３つ使用することで、６次元（並進３軸＋各軸周りの角度）計測が可能となる。

次に、ステップ１４０で、データ処理装置１２は、ロボット挙動に係るロボット実測データを「補正モデル」と比較する。そして、ステップ１５０で、データ処理装置１２は、上記比較によりロボット実測データと補正モデルとの誤差が許容範囲内か否かを判断する。この判断結果が否定である場合、データ処理装置１２は、ステップ１６０で、「補正モデル」を修正した上で、ステップ１４０の処理へ戻る。ステップ１５０の判断結果が肯定である場合、データ処理装置１２は、ステップ１７０で、最終的な「補正モデル」を確定して記憶する。

上記したようにデータ処理装置１２は、予めロボット座標データに基づいて制御されるロボット２の挙動をロボット計測装置１４により実際に計測し、そのときのロボット計測装置１４によるロボット実測データとロボット座標データとを比較してロボット座標データを補正するための「補正モデル」を算出して確定し、その確定した「補正モデル」を記憶して備えておく。このような処理を実行するデータ処理装置１２は、本発明のロボット座標データ補正手段に相当する。

次に、上記の事前準備を前提としたワーク５の三次元計測について説明する。図７に、データ処理装置１２が実行する処理内容をフローチャートにより示す。

先ず、ステップ２００で、データ処理装置１２は、ロボット２と三次元計測器４を同期してワーク５を計測する。すなわち、ロボット制御装置１１がロボット座標データに基づいてロボット２を制御し、ロボット２のアーム３をワーク５の周りで前後、左右及び上下に三次元に動かし、このときのロボット座標に同期して三次元計測器４がワーク５の形状を非接触で三次元に計測する。

次に、ステップ２１０で、データ処理装置１２は、三次元計測器４からの三次元計測座標データを入力する。これと平行して、ステップ２２０では、データ処理装置１２は、ロボット制御装置１１からロボット座標データ（各軸角度）を入力する。また、ステップ２３０で、データ処理装置１２は、ロボット座標データを補正する。すなわち、ワーク５の計測時におけるロボット座標データを、事前準備で確定した「補正モデル」に基づいて補正する。

その後、ステップ２４０で、データ処理装置１２は、データを統合する。すなわち、補正されたロボット座標データと計測により得られた三次元計測座標データとを統合する。これにより、計測座標をロボット座標により座標変換する。その後、ステップ２５０で、データ処理装置１２は、三次元計測座標データを出力装置１３へ出力する。この場合、ロボット座標又はワーク座標として出力することができる。

そして、ステップ２６０で、データ処理装置１２は、ワーク５の形状を全て計測したか否かを判断する。この判断結果が否定である場合、データ処理装置１２は、ステップ２００の処理へ戻る。この判断結果が肯定である場合、その後処理を終了する。

上記したように、データ処理装置１２は、ワーク５の計測時には、ロボット座標データに基づいて制御されるロボット２と三次元計測器４を同期させてワーク５の形状を三次元に計測し、そのときのロボット座標データを「補正モデル」により補正し、その補正されたロボット座標データと三次元計測器４による三次元計測座標データとを統合して任意座標（ロボット座標又はワーク座標）により出力する。このような処理を実行するデータ処理装置１２は、本発明のデータ統合手段に相当する。

以上説明したこの実施形態の三次元計測システム及び三次元計測方法によれば、データ処理装置１２により、予めロボット座標データとロボット実測データとの誤差が補正モデルとして算出され、データ処理装置１２に記憶されて備えられる。そして、ワーク５の計測時には、ロボット制御装置１１によりロボット座標データに基づいて制御されるロボット２と三次元計測器４を同期させてワーク５の形状を三次元に計測する。そして、そのときのロボット座標データがデータ処理装置１２の「補正モデル」により補正され、その補正されたロボット座標データと三次元計測器４による三次元計測座標データとがデータ処理装置１２により統合されて任意座標により出力装置１３に出力される。従って、ワーク５の計測時には、「補正モデル」で補正されたロボット座標データと三次元計測座標データとが誤差なく統合されて任意座標により出力装置１３に出力されることとなる。このため、ロボット２につき、ロボット位置とロボット座標との間にずれが在っても、ロボット座標が補正されるので、三次元計測器４の計測座標とロボット２のロボット座標とを統合して任意座標の正確な三次元計測データを得ることができる。この結果、ワーク５を精度良く三次元計測することができる。また、この実施形態では、ロボット２により三次元計測器４を三次元に移動させることから、ワーク５の形状を高速かつフレキシブルに計測することができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。

三次元計測システムを示す概略構成図。 ロボット、ロボット座標、ロボット位置（計測原点）、計測座標及びワーク座標の関係を示す概念図。 ロボットを制御するための「ロボット座標データ」と、実際にロボットの挙動を計測して得られた「ロボット実測データ」との関係を示すグラフ。 ロボットの「補正モデル」を示す概念図。 ロボット座標データ取得の流れを示すフローチャート。 「補正モデル」を取得する事前準備のためのデータ処理の内容を示すフローチャート。 三次元計測の処理内容を示すフローチャート。

符号の説明

１ 三次元計測システム
２ ロボット
４ 三次元計測器
５ ワーク
１１ ロボット制御装置（ロボット制御手段）
１２ データ処理装置（ロボット座標データ補正手段、データ統合手段）
１４ ロボット計測装置（ロボット計測手段）

Claims (2)

1. ワークを非接触により三次元に計測するための三次元計測器と、
   前記三次元計測器を前記ワークの周りにて三次元に移動させるためのロボットと、
   前記ロボットを制御するためのロボット制御手段と、
   予め前記ロボット制御手段によりロボット座標データに基づいて制御される前記ロボットの挙動をロボット計測手段により計測し、そのときの前記ロボット計測手段によるロボット実測データと前記ロボット座標データとを比較して前記ロボット座標データを補正するための補正モデルを算出して備え、前記補正モデルに基づいて前記ロボット座標データを補正するためのロボット座標データ補正手段と、
   前記ロボット座標データ補正手段により補正される前記ロボット座標データと、前記三次元計測器による三次元計測座標データとを統合して任意座標により出力するためのデータ統合手段と
   を備え、
   前記ワークの計測時には、前記ロボット制御手段により前記ロボット座標データに基づいて制御される前記ロボットと前記三次元計測器を同期させて前記ワークの形状を三次元に計測し、そのときの前記ロボット座標データを前記ロボット座標データ補正手段の前記補正モデルにより補正し、その補正されたロボット座標データと前記三次元計測器による三次元計測座標データとを前記データ統合手段により統合して任意座標により出力する
   ことを特徴とする三次元計測システム。
2. 非接触式の三次元計測器をロボットにより移動させてワークの形状を三次元に計測する三次元計測方法であって、
   予めロボット座標データに基づいて制御される前記ロボットの挙動をロボット計測手段により計測し、そのときの前記ロボット計測手段によるロボット実測データと前記ロボット座標データとを比較して前記ロボット座標データを補正するための補正モデルを算出して備えておき、
   前記ワークの計測時には、前記ロボット座標データに基づいて制御される前記ロボットと前記三次元計測器を同期させて前記ワークの形状を三次元に計測し、そのときの前記ロボット座標データを前記補正モデルにより補正し、その補正されたロボット座標データと前記三次元計測器による三次元計測座標データとを統合して任意座標により出力する
   ことを特徴とする三次元計測方法。

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