JP3385579B2 - 黒色ワークの形状測定装置及び取出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像処理手段を用
いて黒色ワークの形状を測定する装置に関する。また、
形状測定装置は、保持手段を操作して一のワークを取出
す黒色ワークの取出装置に適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】山積み状態に置かれた複数のワークか
ら、一つだけワークを取出すワーク取出装置は、取出す
のに最適な位置にあるワーク（例えば、最上部に位置す
るワーク）の三次元位置を検出し、保持手段をその位置
に操作してかかるワークを取出すものである。

【０００３】ワークの位置を測定する方法は、例えばワ
ークの置かれた領域の画像を取り込み、画像中のワーク
部分の画素を輝度値の差異に基づいて２値化処理で抽出
し、ワーク部分の画素を三角測量の原理を応用した画像
処理によってワークの位置を測定するものがある。そし
て、この情報に基づいてワーク保持手段を自動的に制御
操作し、山積み状態にある複数のワークから一番上にあ
るワークを取出す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなワークの位
置測定装置や取出装置を、黒色に塗装されたワーク（以
下、黒色ワークという。）に適用する場合、黒色ワーク
表面に光が吸収されるので、ワーク自体の輝度値と、ワ
ークの背景との輝度値に差異が微妙なものとなり、２値
化処理においてワーク自体の形状を抽出することが困難
であった。

【０００５】また、本願出願人は、上述した三角測量の
原理を応用してワークを取出す装置に関し、特願平１５
１６６０号において空間コード法を利用したワーク取出
装置を開示している。この出願にかかるワーク取出装置
はワークに所定のスリットパターン光を投射することに
よって、ワークの形状を特定するのであるが、かかるワ
ークの取出装置においても、上述したように黒色ワーク
の表面において光りが吸収されるので、スリットパター
ン光の縞模様がぼやけてしまい空間コード法が適用でき
ないことが生じ得る。

【０００６】そこで、本発明は、黒色ワークの形状測定
が精度良く行える形状測定装置を提供し、かつ、黒色ワ
ークを誤作動なく取出せる取出装置を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の黒色ワークの形
状測定装置は、所定の領域に置かれた黒色ワークの形状
を測定する装置において、高反射面からなるワーク配置
領域と、ワーク配置領域に置かれた黒色ワークの画像を
取込む画像取込手段と、ワーク配置領域に光を投射する
照明手段と、画像取込手段により得られる黒色ワークの
画像より、黒色ワークが写っている画素を抽出して黒色
ワークの形状を算出する画像処理手段とを有するもので
ある。

【０００８】または、所定の領域に置いた黒色ワークの
形状を測定する装置において、高反射面からなるワーク
配置領域と、ワーク配置領域に山積み状態に置いた黒色
ワークの全領域の画像を、十分な解像度で取込む高感度
の画像取込手段と、ワーク配置領域上の傷やゴミを画像
取込手段の画像から蒸発させるのに必要な光量を有する
照明手段を具備し、前記照明手段の光を空間コード法に
準じた所定の複数のスリットパターン光にして、黒色ワ
ークを置いた全領域に投射する投射手段と、投射手段に
よって各スリットパターン光を投射し、画像取込手段に
よりワーク配置領域上の傷やゴミを蒸発させた状態で撮
像した黒色ワークの画像を基に、黒色ワークが写ってい
る画素を抽出するとともに、空間コード法によって山積
み状態に置いた黒色ワークの形状を三次元的に算出する
画像処理手段とを有するものである。

【０００９】また、本発明の黒色ワークの取出装置は、
所定の領域に山積み状態に置いた複数の黒色ワークか
ら、保持手段によって黒色ワークを取出すワーク取出装
置において、山積み状態に置いた複数の黒色ワーク全体
の三次元形状を測定する前述の黒色ワークの形状測定装
置と、黒色ワークの形状測定装置により算出した、山積
み状態に置いた複数の黒色ワークの三次元形状に基づ
き、前記保持手段を操作して黒色ワークを取出す取出手
段を有することを特徴とする黒色ワークの取出装置。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、自動車部品の一つであるナックルアームを黒色に塗
装したものに対し適用したものを図面に基づいて説明す
る。

【００１１】図２は、本発明の第一実施形態にかかる黒
色ワークの形状測定装置の概略図である。

【００１２】なお、以下において第一実施形態にかかる
黒色ワークの形状測定装置を、形状測定装置といい、
後述の第二実施形態にかかる黒色ワークの形状測定装置
を形状測定装置という。

【００１３】形状測定装置は、ワーク配置領域１と、
カメラ２と、照明装置３と、画像処理手段４とを具備
し、黒色ワークＷを撮像した画像平面における黒色ワー
クＷの形状を測定する装置である。

【００１４】ワーク配置領域１は、形状測定装置の所
定の位置に形成され、滑らかに研磨されたアルミ製の水
平面１ａを有する。ワーク配置領域１の水平面１ａは、
滑らかに研磨されていることにより、照明光が拡散する
ことを防止でき、また、滑らかに研磨されたアルミ製の
表面で構成されることによって反射率が高い。

【００１５】なお、このように、光の拡散が防止され、
かつ、反射率の高い表面を「高反射面」という。

【００１６】カメラ２は、ワーク配置領域全体が写せる
位置に配設される。

【００１７】照明装置３は、上述したカメラ２のレンズ
２ａの周囲に形成されたリング照明で、カメラ２の撮像
方向に光を投射することができ、照明のワット数を調節
することによって光の強さを調節することができるもの
である。なお、この照明装置３は最も強いレベルの光に
よって、少なくとも上述したワーク配置領域１の水平面
１ａを白輝させることができる。

【００１８】ここで、白輝とは、照明光の反射光量が多
く、カメラに反射光が入射してカメラに取り込まれる画
像において白く輝いた状態に写ることをいう。

【００１９】画像処理手段４は、カメラ２から送られる
画像データを、グレー処理し、さらに、２値化処理する
ことによって、全画像領域から黒色ワークＷのみを抽出
し、黒色ワークＷの形状についての画像データを作成す
るものである。

【００２０】以下、形状測定装置の操作を説明する。

【００２１】ワーク配置領域１の水平面１ａの中央に黒
色ワークＷを配置する。そして、照明装置３の光の強く
することによって、黒色ワークＷの背景に写っているワ
ーク配置領域１の水平面１ａを白輝させる。

【００２２】これにより、カメラ２に取り込まれる画像
において、黒色ワークＷの背景となるワーク配置領域１
の水平面１ａは、白輝した状態であるので輝度値が高く
なり、黒色ワークＷはその表面が光りを吸収しやすいの
で輝度値が低くなる。

【００２３】なお、照明装置３の光を強くすることによ
って、ワーク配置領域１の水平面１ａに反射する光量が
多くなり、水平面１ａ上の傷やゴミなどがカメラ２に取
り込まれる画像から蒸発するので、傷やゴミなどの形状
測定に対する外乱の影響を低減させることができる。

【００２４】画像処理装置４は、カメラ２に取り込まれ
る画像を入力画像とし、まず、グレー処理を行う。グレ
ー処理は、カメラ２に取り込まれた有彩画像を白黒の濃
淡画像（以下、グレー画像という。）に変換するもので
ある。これにより、入力画像の各画素は輝度情報のみを
持つものとなる。

【００２５】次に、２値化処理を行う。２値化処理は、
ある一定の輝度値をしきい値として設定し、例えば、し
きい値よりも輝度の高い画素を黒と、しきい値よりも輝
度の低い画素をしろとすることによって、画像中の全て
の画素を白又は黒で分けるものである。ここではワーク
配置領域１の水平面１ａの輝度値と黒色ワークＷの輝度
値との間にしきい値を設定し、上述のグレー画像を２値
化処理する。これにより、図３に示すように、グレー画
像においてワーク背景を示す高輝度領域を白６、黒色ワ
ークＷを示す低輝度領域を黒７とする２値化画像が得ら
れる。これにより、カメラ画像における黒色ワークＷの
形状を抽出することができる。

【００２６】次に、画像処理装置４は、抽出された黒色
ワークＷの形状に基づいて、キャリブレーションに基づ
く寸法測定や既知の形状特徴データを比較参照する形状
認識を行う。

【００２７】この形状測定装置は、黒色ワークＷの形
状を画像処理によって正確に測定することができるの
で、黒色ワークＷの姿勢判定や保持装置に適用すること
ができる。

【００２８】以上、本発明の第一実施形態にかかる黒色
ワークＷの形状測定装置について説明したが、その構
成等、種々の変更が可能である。例えば、ワーク配置領
域１は、滑らかなアルミ製の水平面としたが、「高反射
体」で構成され、上述のように、カメラ画像において、
黒色ワークＷと、輝度値が異なるものであればよく、ア
ルミ製のものに限定されない。また、照明装置は、上述
のリング照明に限定されるものではない。

【００２９】次に、本発明の第二実施形態にかかる黒色
ワークの形状測定装置及び取出装置について、黒色に塗
装されたナックルアーム（ワーク）を山積みした状態か
ら１つずつ取出す装置に適用した一実施形態を図面に基
づき説明する。

【００３０】図１に本実施形態のワーク取出装置の概略
図を示す。

【００３１】このワーク取出装置は、形状測定装置
と、ワーク保持部とを具備する。

【００３２】形状測定装置は、スリット光投射装置１
１と、スリットパターン制御装置１２と、カメラ１３
と、画像処理手段１４とを具備し、空間コード法を利用
して黒色ワークＷの三次元形状を測定するものである。
ワーク保持部は、保持手段１５と、形状測定装置の形
状測定データに基づいて保持手段を操作する保持手段制
御装置１６とを具備する。

【００３３】黒色ワークＷは形状測定装置に設けられ
た所定領域に山積み状態に置かれている。

【００３４】スリット光投射装置１１は、山積み状態に
置かれたワークＷよりも高い位置から、山積み状態に置
かれたワークＷ全体に光が投射できるように配設され
る。光源１１ａの投射方向に対して直角に配設されたス
リットパターン形成スクリーン１１ｂを有する。

【００３５】スリット光投射装置１１の光源１１ａは、
光の強さを調節できるものであって、その最も強いレベ
ルでは、黒色ワークＷに対して投射された光がカメラ画
像において認識できる。ここで「カメラ画像において認
識できる」とは、光の当たっている箇所と、光の当たっ
ていない箇所とにおいて、カメラ画像の画素の輝度値に
明確な差が生じていることをいう。

【００３６】また、このスリット光投射装置１１のスリ
ットパターン形成スクリーン１１ｂは、液晶素子によっ
て透光部と非透光部が交互に並んだストライプ状の光シ
ャッタ列を形成し、スリットパターン制御装置１２から
の電気信号により各シャッタ列の光の透過をオンオフ制
御し、所望のストライプ幅の光パターンを形成するもの
である。

【００３７】カメラ１３は、解像度が４０万画素〜６０
万画素の高感度カメラであって、山積みされた黒色ワー
クＷよりも高く、かつ、山積み状態に置かれたワーク全
体Ｗが写せる位置に配設される。

【００３８】画像処理手段１４は、カメラ１３から送ら
れる画像データを、後述する空間コード法を用いた画像
処理手法によって、山積み状態に置かれた黒色ワークＷ
の三次元位置座標データを作成するものである。

【００３９】保持手段１５は、例えば、先端に電磁マグ
ネットを具備し、黒色ワークＷを電磁力で着脱自在に吸
着保持するもので、ロボットアームの先端に取付けられ
る。

【００４０】保持手段制御装置１６は、画像処理手段１
４から送られる山積み状態に置かれた黒色ワークＷの三
次元位置座標データに基づいて、所望の黒色ワークを取
出すのに適切な位置に保持手段１５を操作するものであ
る。

【００４１】この装置は、黒色ワークＷの表面にスリッ
ト光の縞模様が明確に形成される程度にスリット光投射
装置１１の光源１１ａの強さを調節し、さらに、高感度
カメラを用いて撮像しているので、黒色ワークＷの表面
に投射されるスリット光をカメラ画像において認識する
ことができる。

【００４２】また、空間コード法を利用しているので、
スリット光投射装置１１およびカメラ１３の位置を変え
ずに、山積み状態に置かれた黒色ワークＷの位置を認識
することができる。

【００４３】以下、空間コード法を用いた画像処理手法
について説明する。

【００４４】この画像処理手法は、スリット光投射領域
を２のｎ乗に分割するｎ枚の光スリットパターンを、山
積み状態に置かれた黒色ワークＷに照射し、同じアング
ルから黒色ワークＷを撮影したｎ枚の画像を入力画像と
する。

【００４５】画像処理手段１４は、まず、入力された各
画像を２値化し、スリット光の光が照射された部分の画
像のみを抽出する。

【００４６】次に、各画像の各画素についてスリット光
の光が照射された画素に" １" のコードを、光が照射さ
れていない画素に" ０" のコードを付与する。

【００４７】このコード付けをｎ枚の入力画像に対して
それぞれ行うことによって、カメラ１３で捉えられる全
画像領域の各画素に、ｎビットの２進コードによる空間
コードが付けられる。

【００４８】以下、３枚のスリットパターンを用いて画
像領域を８つのコードに分割する場合をモデルに、この
コード付けを説明する。

【００４９】まず、通常の２進コード（純２進コード）
を用いて空間コード法の原理を説明する。なお、実際に
投射するスリットパターンは、グレイコード（交番２進
符号）と呼ばれる特殊なコードで明暗付けられるスリッ
トパターンを用いる。

【００５０】図４に示すように、純２進コードで明暗付
けられた３枚のスリットパターンを用いる。第一スリッ
トパターンＡは、スリットパターン全体を、光を通さな
い遮光部" ０" と光を通す透過部" １" に２分割したも
のである。第二スリットパターンＢは、第一スリットパ
ターンＡの遮光部と透過部を、更に半分に２分割し、全
体として遮光部" ０" と透過部" １" が交互に現れるよ
うに４分割したものである。第三スリットパターンＣ
は、第二スリットパターンＢの遮光部と透過部を、更に
半分に２分割し、全体として遮光部" ０" と透過部"
１" が交互に現れるように８分割したものである。

【００５１】この各入力画像を２値化し、各入力画像の
各画素に対し、遮光部に" ０" を、透過部に" １" の２
進コードを付与する。後記表１に示すように、３ビット
長の未定空間コード" ＊＊＊" に対し、第一列に第一ス
リットパターンＡの２進コードを、第二列に第二スリッ
トパターンＢの２進コードを、第三列に第三スリットパ
ターンＣの２進コードをそれぞれ付与することによっ
て、全画像領域の各画素は３ビット長の２進コードでコ
ード付けされる。

【００５２】すなわち、全画像領域の各画素に、００
０，００１，０１０，０１１，１００，１０１，１１
０，１１１のいずれかの空間コードを付与し、全画像領
域を８つに分割する。これにより、例えば、" １０１"
のコードが付与される画素は、８分割された画像領域の
うち６番目の画像領域に位置すると判定できる。

【００５３】例えば、８枚のスリットパターンを用いる
場合は、全画像領域の各画素に、２の８乗にあたる２５
６の８ビット２進数の空間コードを付与する、全画像領
域を２５６の空間コードで分割する。

【００５４】次に、この空間コードを用いて山積みされ
た黒色ワークＷの三次元座標を算出する処理について説
明する。

【００５５】スリット光投射装置１１より投射されるく
さび状の投射領域は、スリット光によって明暗で分割さ
れる。スリット光により分割された各空間は、分割数を
増やすことで一の平面とみなすことができる。

【００５６】各画素に付与される空間コードは、その画
素の被写体が、スリット光により分割される複数の空間
のうち、どの空間にあるかを判別するための情報とな
る。上記の２進コードのスリットパターンでは、空間コ
ードは、分割される空間に対して、順に２進数の数字を
並べた場合と同じ順番でコード付けられているので、そ
のままスリット光の投射されるくさび状の領域におけ
る、スリット光投射装置１１からの投射角度の情報とし
て認識される。

【００５７】この投射角度のデータとスリット光投射装
置１１の位置を基に、各空間コードにそれぞれ対応する
平面の三次元方程式を求める。これにより、各画素に、
付与される空間コードに対応した平面の三次元方程式が
与えられる。

【００５８】次に、カメラ１３の位置と、カメラ１３に
取込まれた画像における各画素の二次元的な位置に基づ
いて、各画素に、カメラ１３の視線に対応した１本の直
線の三次元方程式を求める。

【００５９】次に、各画素に付与される空間コードの平
面の方程式と、カメラ１３の視線の方程式との交点とし
て、各画素に写る対象物の三次元座標を算出する。

【００６０】この空間コード法を用いた画像処理は、例
えば、８枚のスリットパターンを用いた場合、画像空間
を２５６分割した２５６枚の画像を処理した場合と、同
等の精度で各画素の三次元座標の情報が得られる。空間
コード法では、８枚の画像を処理すれば良いので処理時
間の短縮が図れる。また、空間コード法による画像処理
は、スリット光投射装置１１およびカメラ１３の位置を
変えないので、誤差も生じにくい。

【００６１】実際の処理では、後記表２に示すようなグ
レイコードで作成されるスリットパターンを投射し、各
画素にコード付けを行い、それを２進数表示の空間コー
ドに変換した後、各画素の三次元座標を算出する。

【００６２】以下、実際にスリット光として投射される
グレイコードについて説明する。

【００６３】図５は、グレイコードで作成されるスリッ
トパターンを示す。

【００６４】ｎビットのグレイコード（Ｇ）と２進コー
ド（Ｂ）には、 Ｂ_n ⁰¹＝Ｇ_n-1 （第一スリットパターン） Ｂ_i-1 ＝Ｂ_i ＋^* Ｇ_i-1 （ｉ＝ｎ−１，ｎ−２，…，
１，０） の関係がある。ただし、＋^* は排他的論理和を示す。

【００６５】グレイコードは、隣接するコード間のハミ
ング距離が常に１であるので、各スリットパターンの境
界にずれがある場合、境界近傍の画素に誤った空間コー
ドが付与されることになるが、その誤差を小さくするこ
とができる。

【００６６】実際に行う処理手順は、以下の通りであ
る。

【００６７】一枚の投射パターンに対して、以下の
（１）から（３）の処理を行う。

【００６８】（１）グレイコードパターン光を測定空間
に投射する。

【００６９】（２）対象をカメラ入力し、入力画像を２
値化して、光の反射部分のみを抽出する。

【００７０】（３）２値化された画像における各画素の
二次元の２値データを、投射パターンの順番に応じて、
未定３次元行列（ｘ，ｙ，ｎ）内にデータ入力する。

【００７１】以上の処理をｎ枚の投射パターンについて
行うことによって、３次元行列のデータ列が作成され
る。この３次元行列のデータ列により、各画素（ｘ，
ｙ）のｎビット長の空間コードが認識できる。

【００７２】（４）各画素（ｘ，ｙ）の空間コードを、
上記関係式を用いてグレイコードから２進コードに変換
する。

【００７３】この処理によって、グレイコードによって
分割された分割空間に対して、順に２進数の数字を並べ
た場合と同じ順番でコード付けられ、スリット光により
分割された平面の情報として認識される。

【００７４】（５）空間コードと画素の二次元座標
（ｘ，ｙ）の３つのパラメータから、各画素ごとに三次
元座標を計算する。

【００７５】（６）山積み状態に置かれた黒色ワークＷ
のうち、例えば最も高い位置にある黒色ワークを取出し
最適ワークとし、かかる黒色ワークの三次元座標より、
取出し作業において保持手段を移動させる三次元座標を
算出する。

【００７６】この画像処理手段１４によって得られる保
持手段を移動させる三次元座標データは、保持手段制御
装置１６に出力される。保持手段制御装置１６はそのデ
ータを基に、保持手段１５を操作し黒色ワークを取出
す。

【００７７】以上、本発明にかかる黒色ワークの形状測
定装置及びワーク取出装置の一実施形態について説明し
たが、その構成等、種々の変更が可能である。

【００７８】例えば、上記実施形態のスリット光投射装
置のスリットパターンは、液晶素子を用いたものに限定
されず。所定のパターンをエッチングして孔を開けた金
属薄膜等のマスク板を、パターンの数だけ用意し、機械
的に順次マスクを交換するものとしても良い。

【００７９】

【発明の効果】本発明は、黒色ワークの形状測定装置に
おいて、黒色ワークを置くワーク配置領域を高反射面で
構成しており、カメラ画像において黒色ワークの背景が
白輝して、黒色ワークの輝度値とワーク背景の輝度値と
に差が生じるので、画像処理手段において黒色ワークの
形状を抽出することが可能となる。

【００８０】また、空間コード法を利用した、黒色ワー
クの形状測定装置は、スリット光投射装置の光源を強く
したので、黒色ワークの表面にスリットパターンを投射
することができ、また、カメラを高感度カメラとしたの
で、投射されたスリットパターンを精度良く認識するこ
とができる。

【００８１】また、黒色ワークの取出し装置は、上述の
空間コード法を利用した黒色ワークの形状測定装置を利
用しているので、山積みワークの形状を正確に認識する
ことができ、黒色ワークの取出しミスを低減させること
ができる。

【００８２】

【表１】

【００８３】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第二実施形態にかかる黒色ワークの
取出装置の概略図。

【図２】 本発明の第一実施形態にかかる黒色ワークの
形状測定装置の概略図。

【図３】 本発明の第一実施形態にかかる２値化画像を
示す図面である。

【図４】 純２進コードによるスリットパターンを示す
概略図。

【図５】 グレイコードによるスリットパターンを示す
概略図。

【符号の説明】

１１ スリット光投射装置 １１ａ 光源 １１ｂ スリットパターン形成スクリーン １２ スリットパターン制御装置 １３ カメラ １４ 画像処理手段 １５ 保持手段制御装置 １６ 保持手段 Ｗ 黒色ワーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−249631（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−30509（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−148513（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−116208（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/24

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の領域に置いた黒色ワークの形状を測
   定する装置において、 高反射面からなるワーク配置領域と、 前記ワーク配置領域に山積み状態に置いた黒色ワークの
   全領域の画像を、十分な解像度で取込む高感度の画像取
   込手段と、 前記ワーク配置領域上の傷やゴミを画像取込手段の画像
   から蒸発させるのに必要な光量を有する照明手段を具備
   し、前記照明手段の光を空間コード法に準じた所定の複
   数のスリットパターン光にして、黒色ワークを置いた全
   領域に投射する投射手段と、 前記投射手段によって各スリットパターン光を投射し、
   画像取込手段によりワーク配置領域上の傷やゴミを蒸発
   させた状態で撮像した黒色ワークの画像を基に、黒色ワ
   ークが写っている画素を抽出するとともに、空間コード
   法によって山積み状態に置いた黒色ワークの形状を三次
   元的に算出する画像処理手段とを有することを特徴とす
   る黒色ワークの形状測定装置。
2. 【請求項２】 所定の領域に山積み状態に置いた複数の黒
   色ワークから、保持手段によって黒色ワークを取出すワ
   ーク取出装置において、 前記山積み状態に置いた複数の黒色ワーク全体の三次元
   形状を測定する請求項１に記載の黒色ワークの形状測定
   装置と、 前記黒色ワークの形状測定装置により算出した、山積み
   状態に置いた複数の黒色ワークの三次元形状に基づき、
   前記保持手段を操作して黒色ワークを取出す取出手段と
   を有することを特徴とする黒色ワークの取出装置。