JP5365379B2 - ロボットシステム及びロボットシステムのキャリブレーション方法 - Google Patents
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Description
このようなロボットシステムにおいては、ステレオカメラのカメラ自体のパラメータ、ステレオカメラシステムとしてのパラメータ、ステレオカメラを基準とするカメラ座標系とロボット本体の例えば設置位置を基準とするロボット座標系とを変換するためのパラメータ等を求める必要がある。
カメラ座標系とロボット座標系との相対関係を算出する作業においては、ロボット座標系とカメラ座標系との剛体変換行列を求める方法が知られている。一般的には、ロボット座標系における座標とカメラ座標系における座標とが両方とも既知である点を複数求め、両者の剛体変換行列を数学的に解く方法が用いられている。
そのために、ロボットと冶具上の特徴点との位置関係をロボットシステムに予め記憶させておき、冶具を高精度にロボットに設置することのできる設置機構を用いる必要があった。また、冶具を高精度にロボットに設置することのできる設置機構を用いない場合にあっては、別途、ロボットと冶具上の特徴点との位置関係を高精度に検出するための機構を設ける必要があった。このため、ロボットと冶具上の特徴点との位置関係を高精度に把握するための特別な機構等を必要とすることなく、容易且つ高精度にキャリブレーションを行なう方法が望まれていた。なお、本明細書では、カメラ座標系における特徴点の位置座標に基づきロボット座標系とカメラ座標系との剛体変換行列を求める処理をキャリブレーションと称する。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、キャリブレーションを容易且つ高精度に行なうことの可能なロボットシステム及びロボットシステムのキャリブレーション方法を提供することを目的としている。
前記キャリブレーション冶具の冶具座標系は、前記キャリブレーション冶具が固定されて一体に動作する前記ロボット本体における部位に設定された座標系と一致する座標系として設定され、前記制御手段は、前記ロボット本体を制御し、前記キャリブレーション冶具上の前記特徴点を、予め設定した相対関係検出条件を満足する複数の地点に移動させる特徴点移動制御手段と、 前記キャリブレーション冶具上の同一特徴点の、前記複数の地点でのカメラ座標系における位置座標を検出し、当該位置座標に基づき前記冶具座標系と前記キャリブレーション冶具上の前記特徴点との相対関係を検出する相対関係検出手段と、を備え、前記相対関係検出手段は、前記同一特徴点の、前記複数の地点での前記カメラ座標系における位置座標に基づき、前記カメラ座標系における前記冶具座標系の原点位置を検出する原点座標検出手段と、前記同一特徴点の、前記複数の地点での前記カメラ座標系における位置座標に基づき、前記カメラ座標系における前記冶具座標系の姿勢を検出する姿勢検出手段と、を有し、前記原点座標検出手段で検出した前記カメラ座標系における前記冶具座標系の原点位置と、前記姿勢検出手段で検出した前記カメラ座標系における前記冶具座標系の姿勢と、前記特徴点の前記カメラ座標系における位置座標と、に基づき、前記特徴点の前記冶具座標系における位置座標を求め、当該位置座標に基づき前記冶具座標系と前記キャリブレーション冶具上の前記特徴点との相対関係を検出することを特徴としている。
図1は、本発明を適用したロボットシステムの一例を示す概略構成図である。
図1において、1は複数のカメラを有し複数の視点から撮影することが可能な多視点カメラである。ここでは多視点カメラとしてステレオカメラを用いている。2はロボットアーム装置(以下、ロボット本体ともいう。)、3はロボットアーム装置2を駆動制御するロボットコントローラ、4はロボットシステム全体を制御する制御装置、5はキャリブレーションに用いるキャリブレーション冶具である。
ロボットコントローラ3は、制御装置4から出力された制御対象部位の目標座標情報を受け取り、制御対象部位が目標座標情報に基づく位置に移動するように、ロボットアーム装置2を駆動制御する。
制御装置4はパーソナルコンピュータなどで構成され、ステレオカメラ1の撮影画像を画像処理してワーク等の制御対象部位の位置を検出し、これに基づき、制御対象部位の目標座標を演算する。そして、これをLAN等の通信回線を介してロボットコントローラ3に出力する。
キャリブレーション冶具5は、図1に示すように、例えば、正方形の黒領域と白領域とが市松模様に配置されたチェッカーボードで構成され、黒領域の角どうしが突き合わさる部分が特徴点として用いられる。
また、キャリブレーション冶具5は、図2に示すように、ロボットアーム装置2の先端の可動部、例えばハンド2bに、キャリブレーションを行なうときに取り付けられる。ただし、キャリブレーション冶具5が通常の動作中に障害とならない場合には着脱可能な構造を採用せず、完全に固定しても良い。
カメラ座標系とロボット座標系との剛体変換行列を求めるには、キャリブレーション冶具5上の特徴点のカメラ座標系およびロボット座標系それぞれにおける位置座標を求める必要がある。
一方、ロボット座標系におけるロボット装置2上にある点の位置座標、例えばアーム先端位置は、図3(a)に示すようにロボットアーム装置2の関節角度、関節間パラメータ等の固有データからロボット座標系におけるロボット装置2上にある点の位置を算出する手法である順運動学を用いて求めることができる。同様にして、図3(b)に示すように所定の関節からキャリブレーション冶具5上の特徴点までのベクトルを求めることにより、ロボットアーム装置2がどのような姿勢をとっていても、関節角度及び関節間パラメータと所定の関節からキャリブレーション冶具5上の特徴点までのベクトルとによって、特徴点のロボット座標系における位置座標を順運動学を用いて算出することができる。
ここで、キャリブレーション冶具5が固定される前記ロボットアーム装置2における部位に設定された座標系と一致する座標系を冶具座標系とする。具体的には、図2に示すように、キャリブレーション冶具5は、ロボットアーム装置2の先端に位置するハンド2bに固定されており、ハンド2bとキャリブレーション冶具5は一体に動作する。このため、ロボットアーム装置2のハンド2bに設定されるアーム先端座標系と、キャリブレーション冶具5に設定される冶具座標系とは一致するものとなる。
図4に示すように、ステレオカメラ1の撮像画像に基づき計測した特徴点の位置座標P(x,y,z)は、カメラ座標系における位置座標である。このため、カメラ座標系とロボット座標系との剛体変換行列を求めるには、カメラ座標系における位置座標P(x,y,z)をアーム先端座標系(冶具座標系)における位置座標C(X,Y,Z)に変換する必要がある。これは、アーム先端座標系(冶具座標系)における特徴点の位置座標を把握できれば、前記の通り順運動学によりロボット座標系における位置座標に変換することができるからである。
カメラ座標系における冶具座標系の原点位置を求めるためには、冶具座標系の原点位置を直接的に計測することはできないため、冶具座標系の原点位置と所定の関係を有する原点位置以外の計測できる点を用いて、冶具座標系の原点位置を算出する必要がある。例えば、各計測点と冶具座標系原点との距離が全て等しいという関係や、計測した対となる2点を結ぶ直線は冶具座標系の原点を通る直線であって、その2以上の直線の交点は冶具座標系の原点となるという関係を用いることにより、冶具座標系の原点位置を算出することができる。
例えば、計測した点が、計測した点から冶具座標系原点位置までの距離が等しいという関係を満足する点である場合には、次式(1)の関係式を用いることができる。
r2=(x−xc)2+(y−yc)2+(z−zc)2 ……(1)
ただし、rは計測した点から冶具座標系原点位置までの距離、(xc,yc,zc)はカメラ座標系における冶具座標系の原点位置、P(x,y,z)は計測点のカメラ座標系における計測点の位置座標である。
また、計測した点が、計測した2点を結ぶ直線は冶具座標系の原点を通る直線であるという関係を満足する点である場合には、次式(2)の関係式を用いることができる。
(2)式で表される直線式を求めるためには最低2点必要であり、直線上の点を算出するためには最低2本の直線が必要である。つまり冶具座標系の原点位置を通る2つの直線上の2点を計測すれば、その直線の交点が冶具座標系の原点となる。
本実施形態では、ロボットアーム装置2を駆動しキャリブレーション冶具5を移動させて、ステレオカメラ1の撮像画像に基づき、複数の地点における特徴点の位置座標を計測する。
図1に示すようにロボットアーム装置2のハンド2bにキャリブレーション冶具5を固定すると、前記のようにアーム先端座標系と冶具座標系とは一致している。
次に、アーム先端座標系つまり冶具座標系の原点位置を固定した状態で、キャリブレーション冶具5上の各特徴点が冶具座標系の原点を中心とした球の表面上を移動するようにロボットアーム装置2を駆動制御する。
つまり、キャリブレーション冶具5を移動させる際には、カメラ座標系において冶具座標系の原点位置を算出可能とするために、アーム先端座標系の原点位置を動かさず、キャリブレーション冶具5が固定されたロボットアーム装置2のハンド2bの姿勢(角度)を変化させている。
したがって、キャリブレーション冶具5上の特徴点jの点集合Qjは、図6に示すように、カメラ座標系における冶具座標系の原点位置座標(xc,yc,zc)を中心とした、半径rj={(xij−xc)2+(yij−yc)2+(zij−zc)2}1/2の球の表面上に分布することになる。
rj 2=(xij−xcj)2+(yij−ycj)2+(zij−zcj)2 ……(3)
同様の手順で他の特徴点についても球の方程式を解き、各特徴点についてカメラ座標系における冶具座標系の原点座標、すなわちカメラ座標系におけるアーム先端座標系の原点座標を求める。
冶具座標系の姿勢を求めるためには、カメラ座標系における、ある特徴点Pij(xij,yij,zij)を、冶具座標系上の点Cij(Xij,Yij,Zij)に変換する次式(4)の回転行列を求める必要がある。
Cij=R(Pij−t) ……(4)
なお、(4)式中のtは、カメラ座標系の原点位置と冶具座標系の原点位置とを結ぶベクトルと等しくなり、カメラ座標系における冶具座標系の原点位置O^(xc^,yc^,zc^)と等しい値となる。
式(4)中の、回転行列Rは、例えば次式(5)で表すことができる。
なお、回転行列Rは上記(5)に限定されることはなく、公知の変換を表す他の行列を採用することもできる。例えば、クォータニオン等を用いても良い。
ここで、冶具座標系とカメラ座標系とで対応する2つのベクトルを用いることで(5)式の回転行列Rを解くことができる。具体的には、カメラ座標系のベクトルを回転行列Rで変換したベクトルが、対応する冶具座標系のベクトルと等しくなるとの関係から、θ、Φ、Ψを求めることとなる。
前述のように、冶具座標系とアーム先端座標系は一致するので、アーム先端座標系を回転させず、アーム先端座標系の姿勢を一定としたまま、アーム先端座標系の原点を、アーム先端座標系におけるベクトルV1(M1x,M1y,M1z)に相当するだけ移動させ、さらにベクトルV2(M2x,M2y,M2z)に相当するだけ移動させる。そして、アーム先端座標系の原点を移動させる前、ベクトルV1移動後、ベクトルV2移動後において、キャリブレーション冶具5上の特徴点の、カメラ座標系における位置座標を検出する。なお、ベクトルV1とベクトルV2とは、平行ではない。
つまり、カメラ座標系におけるある特徴点Pij(xij,yij,zij)を冶具座標系上の点Cij(Xij,Yij,Zij)に変換する前記(4)式において、回転行列Rは相対角度を使った3行3列の行列からなるカメラ座標系における冶具座標系の姿勢を表し、tはカメラ座標系における冶具座標系の原点位置O^(xc^,yc^,zc^)を表す。そして、これらのパラメータを用いることにより、前記(4)式から、特徴点のカメラ座標系における位置座標を、冶具座標系における位置座標に変換する。
これにより、特徴点の、冶具座標系における位置座標が得られることになる。
なお、回転行列Rについても複数の特徴点を使用し、より多数のベクトルを用い、最小自乗法などを用いることにより、精度を向上させることも可能である。
そして、各状態における特徴点の点集合Qjを取得したならば、ステップS2に移行し、点集合Qjに基づき、カメラ座標系における、冶具座標系の原点の位置座標を演算する。
次いで、ステップS5に移行し、カメラ座標系における冶具座標系の原点の位置座標及び姿勢(傾き)に基づき、カメラ座標系における特徴点の位置座標を冶具座標系における特徴点の位置座標に変換する。次に、順運動学を用いて、冶具座標系における特徴点の位置座標をロボット座標系における特徴点の位置座標に変換する。さらに、カメラ座標系における特徴点の位置座標とロボット座標系における特徴点の位置座標を用いて、カメラ座標系とロボット座標系との剛体変換行列を公知の手順で算出する。そして処理を終了する。
したがって、算出されたキャリブレーション冶具5とハンド2bとの相対関係を用いて、特徴点のロボット座標系における位置座標を算出することによって、ロボット座標系における特徴点の位置座標を現在の相対関係に応じて算出することができることになり、キャリブレーション冶具5とハンド2bとの相対関係が変化した場合であっても、その影響を受けることなく、ロボット座標系における特徴点の位置座標を算出することができることになる。
また、キャリブレーション冶具5とハンド2bとの相対関係の検出は、キャリブレーションを行なうときに通常用いるキャリブレーション冶具5を利用して行なっており、また、キャリブレーション冶具5をロボットアーム装置2に固定する際にもその固定位置に高い精度を要求されることはない。
なお、上記では、冶具座標系の原点位置を算出するための、キャリブレーション冶具5の特徴点を同一球の表面上に分布させる方法として、Z軸回転、X軸回転及びZ軸回転を行なう場合について説明したが、これに限るものではなく、他の軸を中心として回転させることも可能であり、また、3回以上回転させることも可能であり、特徴点を球の表面上に分布させることが可能であり、且つ同一平面上にない4箇所以上の地点に同一特徴点を分布させることができればどのように回転させてもよい。
例えば、図8に示すように、キャリブレーション冶具5を、ロボットアーム装置2のアーム2aの先端の可動部2cに配置することも可能である。
また、上記実施の形態においては、キャリブレーション冶具5としてチェッカーボードを用いた場合について説明したが、位置座標を高精度に検出することのできる特徴点を有する冶具であれば、適用することができることはいうまでもない。
ここで、上記実施の形態において、ロボットアーム装置2がロボット本体に対応し、カメラコントローラ3及び制御装置4が制御手段に対応している。
また、図7のステップS2の処理が原点座標検出手段に対応し、ステップS4の処理が姿勢検出手段に対応し、ステップS5で剛体変換行列を算出する処理が剛体変換行列算出手段に対応している。
2 ロボットアーム装置
2a アーム
2b ハンド
4 制御装置
5 キャリブレーション冶具
Claims (6)
- ロボット本体と、
前記ロボット本体を異なる複数の視点から撮影する多視点カメラと、
キャリブレーション冶具を用いてキャリブレーションを行なうと共に、前記多視点カメラの撮像画像に基づき前記ロボット本体を駆動制御する制御手段と、を備えたロボットシステムにおいて、
着脱可能な前記キャリブレーション冶具は特徴点を有し且つ前記ロボット本体に固定され、
前記キャリブレーション冶具の冶具座標系は、前記キャリブレーション冶具が固定されて一体に動作する前記ロボット本体における部位に設定された座標系と一致する座標系として設定され、
前記制御手段は、前記ロボット本体を制御し、前記キャリブレーション冶具上の前記特徴点を、予め設定した相対関係検出条件を満足する複数の地点に移動させる特徴点移動制御手段と、
前記キャリブレーション冶具上の同一特徴点の、前記複数の地点でのカメラ座標系における位置座標を検出し、当該位置座標に基づき前記冶具座標系と前記キャリブレーション冶具上の前記特徴点との相対関係を検出する相対関係検出手段と、を備え、
前記相対関係検出手段は、
前記同一特徴点の、前記複数の地点での前記カメラ座標系における位置座標に基づき、前記カメラ座標系における前記冶具座標系の原点位置を検出する原点座標検出手段と、
前記同一特徴点の、前記複数の地点での前記カメラ座標系における位置座標に基づき、前記カメラ座標系における前記冶具座標系の姿勢を検出する姿勢検出手段と、を有し、
前記原点座標検出手段で検出した前記カメラ座標系における前記冶具座標系の原点位置と、前記姿勢検出手段で検出した前記カメラ座標系における前記冶具座標系の姿勢と、前記特徴点の前記カメラ座標系における位置座標と、に基づき、前記特徴点の前記冶具座標系における位置座標を求め、当該位置座標に基づき前記冶具座標系と前記キャリブレーション冶具上の前記特徴点との相対関係を検出することを特徴とするロボットシステム。 - 前記特徴点移動制御手段は、前記同一特徴点が、前記冶具座標系の原点を中心とする球の表面に分布するように前記ロボット本体を制御し、
前記原点座標検出手段は、同一平面上にない少なくとも4地点での、前記カメラ座標系における前記同一特徴点の位置座標に基づき、前記カメラ座標系における前記冶具座標系の原点の位置座標を演算することを特徴とする請求項1記載のロボットシステム。 - 前記特徴点移動制御手段は、前記同一特徴点が、前記冶具座標系の原点を通る少なくとも2本の直線上に分布するように前記ロボット本体を制御し、
前記原点座標検出手段は、前記冶具座標系の原点を通る同一直線上の地点での、前記カメラ座標系における前記同一特徴点の位置座標に基づき、前記直線の方程式をそれぞれ演算し、前記複数の直線の交点座標から、前記カメラ座標系における前記冶具座標系の原点の位置座標を演算することを特徴とする請求項1記載のロボットシステム。 - 前記姿勢検出手段は、前記特徴点移動制御手段により前記ロボット本体を制御したときの、前記キャリブレーション冶具上の任意の特徴点の前記冶具座標系における移動ベクトルと、前記冶具座標系における移動ベクトルに対応する前記カメラ座標系における同一特徴点の移動ベクトルとの対であって、座標系ごとの移動ベクトルが平行ではない少なくとも2対の移動ベクトルを参照対とし、
当該参照対に基づき前記カメラ座標系における前記冶具座標系の姿勢を演算することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載のロボットシステム。 - 前記制御手段は、前記相対関係検出手段により検出された前記冶具座標系と前記特徴点との相対関係に基づいて求めた前記特徴点のロボット座標系における位置座標と、前記カメラ座標系における特徴点の位置座標とを用いて、前記カメラ座標系と前記ロボット座標系との剛体変換行列を求める剛体変換行列算出手段を、備えることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載のロボットシステム。
- ロボット本体と、
前記ロボット本体を異なる複数の視点から撮影する多視点カメラと、
キャリブレーション冶具を用いてキャリブレーションを行なうと共に、前記多視点カメラの撮像画像に基づき前記ロボット本体を駆動制御する制御手段と、を備えたロボットシステムのキャリブレーション方法において、
着脱可能な前記キャリブレーション冶具は特徴点を有し且つ前記ロボット本体に固定され、
前記キャリブレーション冶具の冶具座標系は、前記キャリブレーション冶具が固定されて一体に動作する前記ロボット本体における部位に設定された座標系と一致する座標系として設定され、
前記ロボット本体を制御して前記キャリブレーション冶具上の前記特徴点を、予め設定した相対関係検出条件を満足する複数の地点に移動させるステップと、
前記キャリブレーション冶具上の同一特徴点の、前記複数の地点でのカメラ座標系における位置座標を検出し、検出した位置座標に基づき前記冶具座標系の、前記カメラ座標系における原点位置と姿勢とを求め、前記カメラ座標系における前記冶具座標系の原点位置と姿勢と前記特徴点の前記カメラ座標系における位置座標と、に基づいて前記冶具座標系における前記特徴点の位置座標を求め、当該位置座標に基づき前記冶具座標系と前記キャリブレーション冶具上の前記特徴点との相対関係を検出するステップと、
前記冶具座標系と前記キャリブレーション冶具上の前記特徴点との相対関係を用いて前記キャリブレーションを行なうステップと、を備えることを特徴とするロボットシステムのキャリブレーション方法。
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