JP2022039903A - ラインレーザーセンサ用のキャリブレーションブロック及びハンドアイキャリブレーション方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)ラインレーザーセンサをロボットアームのエンドエフェクタ上に固定的に取り付け、前記キャリブレーションブロック及び碁盤目をラインレーザーセンサの測定範囲内に取り付ける、センサを設置するステップと、
(2)対応する姿勢下でラインレーザーセンサから放出されたレーザー走査面がキャリブレーションブロック上の碁盤目と交差し、碁盤目の表面上にライトストリップ直線を形成するように、ロボットアームを介してエンドエフェクタの姿勢を調整し、前記ライトストリップ直線は円錐台孔の中心に対して対称である碁盤線の交点を少なくとも2つ通過させることにより、円錐台孔の中心がライトストリップ直線上に位置され、センサはレーザー走査面から反射された三次元点群のセンサ座標系における座標データを収集し、ロボットアームティーチペンダントを介して、前記エンドエフェクターの異なる姿勢における姿勢情報データを読み取って記録し、エンドエフェクタの少なくとも6つの異なる姿勢に対応する三次元点群データを取得する、「姿勢-点群データ集合」を取得するステップと、
(3)異なる姿勢下で対応する三次元点群データに対して直線フィッティングを行い、フィッティング直線方程式を構築し、円錐台孔の中心に対して対称である2つの対称点を取得し、2つの対称点の同一座標軸上で対応する第一座標値をフィッティング直線方程式に代入し、2つの対称点のフィッティング直線で対応するもう一つの座標軸における第二座標値を取得し、2つの対称点の対応する座標値の合計の二分の一が、即ち円錐台孔の中心のセンサ座標系における座標である、円錐台孔の中心のセンサ座標系における座標を計算するステップと、
(4)キャリブレーションブロック及びロボットアームのベースはすべて固定されているため、次の行列方程式からエンドエフェクタ座標系に対するセンサ座標系の並進及び回転行列Rx、Txを求解する、ロボットに対してハンドアイキャリブレーションを行うステップとを含む。
は、第i回目の走査及びデータ収集時、ベース座標系に対するエンドエフェクタ座標系の並進及び回転行列を表し、Rx、Txは、エンドエフェクタ座標系に対するセンサ座標系の並進及び回転行列、即ち求解する必要のあるハンドアイ関係を表す。
図1、2、3及び4に示すように、ロボットアームの外側の操作プラットフォーム501上で世界座標系に対して相対的に固定な位置を決定し、キャリブレーションブロック401を固定する。キャリブレーションブロック401は、立方体構造であり、規格は220.0mm×220.0mm×30.0mmであり、サイズ加工精度は0.01mmであり、表面粗さは1.6であり、材質はセラミックである。前記キャリブレーションブロックの表面には碁盤目を備え、前記碁盤目は縦横の等間隔の碁盤線が交差して形成されており、碁盤目402は、キャリブレーションブロックの220mm×220mmの表面の中央に位置され、規格は200mm×200mmであり、21本の横向き/縦向き垂直の等間隔の線分からなり、2つの隣接する平行線分の間の距離は10.0mmであり、スクライビング精度は0.01mmである。前記キャリブレーションブロックの中央には円錐台孔(即ち、円錐台形状の孔)を備え、円錐台孔404の中心軸は、キャリブレーションブロック401の中心軸と同軸であり、キャリブレーションブロック401の中央に位置される。円錐台孔404の高さは30mmであり、上表面円の半径は5mmであり、下表面円の半径は35mmであり、円錐台の母線と底面との間の夾角は45°であり、前記円錐台孔の軸は碁盤目の所在する表面に対して垂直であり、特性点P403は碁盤目の中央交点に位置され、前記円錐台孔の軸はこの交点を通過する。そのため、特徴点P403は、即ち円錐台の上表面円孔の円心でもある。前記円錐台孔の孔壁面と碁盤目の所在する表面とが交差する円形口のエッジの直径は、碁盤目上の最小方眼の辺の長さより小さい、即ち、2つの隣接する平行線の間隔より小さい。
(1)センサを設定する。ラインレーザーセンサ301をロボットアーム101のエンドエフェクタ201に固定的に取り付け、キャリブレーションブロック401を操作プラットフォーム501上に固定的に取り付け、前記キャリブレーションブロック401及び碁盤目402をラインレーザーセンサ301の測定範囲内に取り付ける。
異なる姿勢下で対応する三次元点群データに対して直線フィッティングを行い、フィッティング直線方程式を構築し、円錐台孔の中心に対して対称である2つの対称点を取得し、2つの対称点の同一座標軸上で対応する第一座標値をフィッティング直線方程式に代入し、2つの対称点のフィッティング直線で対応するもう一つの座標軸における第二座標値を取得する。2つの対称点の対応する座標値の合計の二分の一が、即ち円錐台孔の中心のセンサ座標系における座標である。前記2つの対称点は、ライトストリップ直線毎に対応する三次元点群データの中で座標の突然な変化を伴う2つの点、即ち円錐台孔のエッジのセンサ座標系で対応する2つの点である。前記三次元点群データは、2つの部分、即ち、碁盤目402の表面から反射された表面三次元点群データと、円錐台孔404の内部底面から反射された底面三次元点群データとを含み、底面三次元点群データの座標と表面三次元点群データの座標との間の突然な変化が存在する特性により、三次元点群データの座標が突然に変化する点が、即ちライトストリップ直線と円錐台孔のエッジとが交差する2つの点である。この2つの点の中心が、即ち円孔の円心である。即ち、特徴点P403である。より具体的な説明は、次の通りである。
を表す。特徴点P403に最も近い2つの三次元点群データA(0,y1,z1)及びB(0,y2,z2)をそれぞれ取得し、それらのy軸値を取得してフィッティング直線方程式
に代入し、次の通りに、A、Bの2つの点のフィッティング後のZ軸座標値をそれぞれ取得する。
したがって、特徴点P403のセンサ座標系における座標P(0,y0,z0)を取得することができる。
は、円錐台孔の中心のベース座標系における座標を表し、、PSiは、第i回目の走査及びデータ収集時、円錐台孔の中心のセンサ座標系におけるフィッティング座標を表し、
は、第i回目の走査及びデータ収集時、ベース座標系に対するエンドエフェクタ座標系の並進及び回転行列を表し、Rx、Txは、エンドエフェクタ座標系に対するセンサ座標系の並進及び回転行列、即ち、求解する必要のあるハンドアイ関係を表し、エンドエフェクタ座標系に対するセンサ座標系の並進及び回転行列Rx、Txを求解することにより、即ちハンドアイキャリブレーションを完了させる。具体的な計算過程は次の通りである。
式(5)から、次の方程式を取得することができる。
は、第i回目の走査及びデータ収集を行う時、特徴点P403のセンサ座標系におけるフィッティング座標を表し、式(7)を以下の行列方程式に書き換えることができる。
Ax=b (11)
最小二乗解方程式を通じて、xの解を取得することができる。
ラインレーザーセンサ301を駆動する時、レーザー走査面と、碁盤目402上の円錐台孔の中心に対して対称である縦横の碁盤線との交点はすべて前記ライトストリップ直線上に位置されることにより、円錐台孔の中心がレーザー走査面上に位置されるように確保するとともに、交点を識別しやすくする。
図8、9、10に示すように、上記の実施例と異なることは、前記円錐台孔の下方には走査位置決め装置が配置され、前記走査位置決め装置は、走査光を受け取ることができる光電検出器を含み、前記光電検出器の光電プローブ8は、変形フレーム上に配置され、変形フレームは、12個の弧形の変形ユニットを含み、変形ユニットは2つの弧形ロッド12を含み、2つの弧形ロッドの中央部分は中央ヒンジ軸6を介して回転連結され、複数の変形ユニットの弧形ロッドは端部ヒンジ軸7を介して閉鎖連結されて閉じた円形の変形フレームになり、円形の変形フレームは円錐台孔の中心軸に垂直であり、変形フレームの円心は円錐台孔の中心軸上に位置され、同一変形ユニットの同一径向上の2つの端部ヒンジ軸はスライド可能にラジアルガイドレール9上に配合され、端部ヒンジ軸又は中央ヒンジ軸は、リニアモータ10により制御され、ラジアルガイドレールを沿って移動することにより、前記変形フレームの収縮変形を制御し、光電検出器と円錐台孔の中心軸との距離を変更し、光電検出器は変形フレームの内側における12個の端部ヒンジ軸上に設置される。図には、複数のリニアモータが示されているが、実は、リニアモータは1個だけでも良く、他の伸縮制御装置を採用することもできる。
Claims (10)
- キャリブレーションブロックの表面には碁盤目を備え、前記碁盤目は縦横の等間隔の碁盤線列が交差して形成されるラインレーザーセンサ用のキャリブレーションブロックであって、
前記キャリブレーションブロックの中央には円錐台孔を備え、前記円錐台孔の軸は碁盤目の所在する表面に垂直であり、前記円錐台孔の軸は碁盤目上の2本の交差線の交点を通過する、ことを特徴とするラインレーザーセンサ用のキャリブレーションブロック。 - 前記円錐台孔の孔壁面と碁盤目の所在する表面とが交差する円形口のエッジの直径は、碁盤目上の最小方眼の辺の長さより小さい、ことを特徴とする請求項1に記載のラインレーザーセンサ用のキャリブレーションブロック。
- 円錐台の母線と底面との夾角は45°である、ことを特徴とする請求項1に記載のラインレーザーセンサ用のキャリブレーションブロック。
- 前記碁盤目は陰刻(diaglyph)線である、ことを特徴とする請求項1に記載のラインレーザーセンサ用のキャリブレーションブロック。
- 前記円錐台孔の下方には走査位置決め装置が配置され、前記走査位置決め装置は、走査光を受け取ることができる光電検出器を含み、前記光電検出器の光電プローブは、変形フレーム上に設置され、変形フレームは、12個の弧形の変形ユニットを含み、変形ユニットは2つの弧形ロッドを含み、2つの弧形ロッドの中央部分は中央ヒンジ軸を介して回転連結され、複数の変形ユニットの弧形ロッドは端部ヒンジ軸を介して閉鎖連結されて閉じた円形の変形フレームになり、円形の変形フレームは円錐台孔の中心軸に垂直であり、変形フレームの円心は円錐台孔の中心軸上に位置され、同一変形ユニットの同一径向上の2つの端部ヒンジ軸はスライド可能にラジアルガイドレール上に配合され、端部ヒンジ軸又は中央ヒンジ軸は、リニアモータにより制御され、ラジアルガイドレールを沿って移動することにより、前記変形フレームの収縮変形を制御し、光電検出器と円錐台孔の中心軸との距離を変更し、光電検出器は変形フレームの内側における12個の端部ヒンジ軸上に設置される、ことを特徴とする請求項1に記載のラインレーザーセンサ用のキャリブレーションブロック。
- ラインレーザーセンサ用のハンドアイキャリブレーション方法であって、
(1)ラインレーザーセンサをロボットアームのエンドエフェクタ上に固定的に取り付け、前記キャリブレーションブロック及び碁盤目をラインレーザーセンサの測定範囲内に取り付ける、センサを設置するステップと、
(2)対応する姿勢下でラインレーザーセンサから放出されたレーザー走査面がキャリブレーションブロック上の碁盤目と交差し、碁盤目の表面上にライトストリップ直線を形成するように、ロボットアームを介してエンドエフェクタの姿勢を調整し、前記ライトストリップ直線は円錐台孔の中心に対して対称である碁盤線の交点を少なくとも2つ通過させることにより、円錐台孔の中心がライトストリップ直線上に位置され、センサはレーザー走査面から反射された三次元点群のセンサ座標系における座標データを収集し、ロボットアームティーチペンダントを介して、前記エンドエフェクターの異なる姿勢における姿勢情報データを読み取って記録し、エンドエフェクタの少なくとも6つの異なる姿勢に対応する三次元点群データを取得する、「姿勢-点群データ集合」を取得するステップと、
(3)異なる姿勢下で対応する三次元点群データに対して直線フィッティングを行い、フィッティング直線方程式を構築し、円錐台孔の中心に対して対称である2つの対称点を取得し、2つの対称点の同一座標軸上で対応する第一座標値をフィッティング直線方程式に代入し、2つの対称点のフィッティング直線で対応するもう一つの座標軸における第二座標値を取得し、2つの対称点の対応する座標値の合計の二分の一が、即ち円錐台孔の中心のセンサ座標系における座標である、円錐台孔の中心のセンサ座標系における座標を計算するステップと、
(4)キャリブレーションブロック及びロボットアームのベースはすべて固定されているため、次の行列方程式からエンドエフェクタ座標系に対するセンサ座標系の並進及び回転行列Rx、Txを求解する、ロボットに対してハンドアイキャリブレーションを行うステップとを含む、ことを特徴とするラインレーザーセンサ用のハンドアイキャリブレーション方法。
は、第i回目の走査及びデータ収集時、ベース座標系に対するエンドエフェクタ座標系の並進及び回転行列を表し、Rx、Txは、エンドエフェクタ座標系に対するセンサ座標系の並進及び回転行列、即ち求解する必要のあるハンドアイ関係を表す。 - 前記2つの対称点は、ライトストリップ直線毎に対応する三次元点群データの中で座標の突然な変化を伴う2つの点である、ことを特徴とする請求項6に記載のラインレーザーセンサ用のハンドアイキャリブレーション方法。
- レーザーセンサを駆動する時、円錐台孔の中心に対して対称である碁盤目上の2つの縦横の碁盤線の交点はすべて前記ライトストリップ直線上に位置される、ことを特徴とする請求項6に記載のラインレーザーセンサ用のハンドアイキャリブレーション方法。
- 前記2つの対称点は、円錐台孔の中心に対して対称である2つの碁盤目線とライトストリップ直線との交点である、ことを特徴とする請求項6に記載のラインレーザーセンサ用のハンドアイキャリブレーション方法。
- レーザーセンサを駆動する時、走査光の一部が円錐台孔の内部に入射され、走査光がその中の2つのヒンジ軸上の光電検出器により検出されるように、リニアモータを介して変形フレームの変形を制御し、リニアモータの伸縮量及び光を検出した光電検出器の所在するヒンジ軸の位置により走査光の入射角及び方向を計算でき、碁盤目上の走査光の走査位置を知ることができる、ことを特徴とする請求項6に記載のラインレーザーセンサ用のハンドアイキャリブレーション方法。
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