JP5917563B2 - 工作機械での物体の姿勢を検出する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械での物体の姿勢を検出する装置及び方法に関する。そのような方法は、例えば、加工物を固定した後に工作機械内での加工物の正確な姿勢を検出するために必要である。その姿勢の情報は、加工物の正確な処理に関して、さもなければ、例えば、衝突の監視に関しても決定的に重要である。そのためには、加工物の姿勢だけでなく、加工物の固定に使用する固定手段の姿勢も検出しなければならない。

工作機械での加工物の固定及び設定は、多くの場合処理時間の大きな部分を占めるので、加工物とその固定手段の正確な姿勢の検出を出来る限り速く実行するのが有利である。そのためには、カメラを用いた固定状況の検出に関する様々な装置又は方法が既に知られている。

即ち、特許文献１には、加工物のカメラ画像から加工物のモデルを抽出する方法が記載されている。例えば、周縁の検出などに使用する方法が詳しく説明されている。次に、そのモデルは、その時点で存在する物体を識別するために、既知の物体と比較される。その後、カメラ画像から物体の位置及び姿勢が検出されて、例えば、衝突の監視のために利用されている。

特許文献２により、カメラ画像から得られた幾何学的パラメータに基づき加工物の姿勢を少なくとも大まかに計測して、加工物のモデルと比較することも知られている。そのようにして得られた情報は、プローブを用いたより正確な計測のための出発点として使用されるか、さもなければ工作機械の基準点に対する加工物の移動及び／又は回転を規定するマトリックスを直接決定するために使用されている。それによって、実際の固定状況がＮＣプログラムにより期待される固定状況と正確に一致しない場合でも、加工物の正確な処理が可能となっている。

ここで述べた方法の欠点は、その後の考慮のためにカメラの光学的パラメータを検出するカメラの内因的校正の外に、カメラの位置及び向きを検出する外因的校正も必要なことである。その場合、カメラが工作機械の座標系に対して完全に固く固定されていないと、内因的校正と異なり、多くの場合又は場合によっては各測定前に、そのような外因的校正を反復して実施しなければならない。それは、カメラを取り付ける場合、或いはカメラの定期的な外因的校正に関しても非常に大きな負担となることを意味する。

ドイツ特許国際出願第１１２００７００１９７７号明細書 ドイツ特許公開第１０２００５０２２３４４号明細書

本発明の課題は、カメラを用いた工作機械での物体の簡単な位置の特定を可能にして、カメラの取付及び校正に関する負担を軽減する装置及び方法を実現することである。

本課題は、請求項１に記載の装置又は方法に関する独立請求項に記載の方法によって解決される。

有利な詳細は、それぞれ従属請求項から明らかとなる。

工作機械での物体の姿勢を検出する装置又は方法を規定する。この場合、物体とその物体と接続された、工作機械内での姿勢が既知である物体支持部の画像を提供するカメラを使用する。第一の処理手段によって、画像から取得した物体の幾何学的な特徴に基づきカメラに対する物体の姿勢を知ることができる。第二の処理手段の役割は、画像から取得した物体支持部の幾何学的な特徴に基づきカメラに対する物体支持部の姿勢を算出することである。最後に、第三の処理手段の役割は、カメラと物体の間及びカメラと物体支持部の間の相対的な姿勢から物体支持部と物体の間の相対的な姿勢を決定することである。

それによって、相対的な姿勢が差引計算されて、カメラの位置と向きが重要とならなくなるので、カメラの外因的校正が不要となる。カメラ画像において、自動的に検出することができる、物体と物体支持部の十分に大きな部分だけをそれぞれ検出すればよい。即ち、カメラが一カ所に取り付けられており、その場所では機械的又は熱的な影響によって動いてしまう場合でも、その時点で決定された物体と物体支持部の間の相対的な姿勢は変化しない。即ち、例えば、工作機械の内部空間の境界壁は、この場合、それが薄板から成る簡単なパネルであり、相対的に容易に曲がり、そのため、特に、カメラの向きを明らかに変化させる可能性が有るとしても、カメラの取付箇所としての役割を果たすことができる。

物体支持部は、物体、即ち、例えば、加工物又は固定手段を直接載せた加工物台とすることができる。そのような加工物台は、多くの場合Ｔボルト又は中ぐり穴から成る非常に簡潔な所定の構造を有し、その周縁は、カメラの画像において良好に検出でき、従って、自動的な画像処理に好適である。

しかし、工作機械内での姿勢が既知であり、加工物を直接載せた加工物台と所定の手法で接続された、工作機械のそれ以外の構成部分も、本発明の意味における物体支持部としての役割を果たすことができる。即ち、例えば、加工物台を支持するブリッジ又は工作機械のそれ以外の如何なる特徴的な構造も、その姿勢が既知であり、加工物台との所定の接続部から構成されている場合、本発明の意味における物体支持部として使用することができる。

物体は、工作機械の工具により処理される加工物とすることができる。この場合、工具は、予めＮＣプログラムで決定された軌道上を加工物に対して相対的に動かされて、その際加工物の材料を削って行く。しかし、物体は、加工物を支持する固定手段、即ち、例えば、バイスとすることもできる。

工具と加工物の間の姿勢は、工具の処理点（工具中心点又はＴＣＰ）から、多くの場合、所謂運動連鎖機構によって定義される。この場合、工作機械の各軸の位置などの工作機械の幾何学的な形状が同様に考慮される。即ち、５軸フライス盤では、加工物台に対する位置及び向きに基づく工具の位置は、常に運動連鎖機構によって決定される。結局、新たに固定された加工物の計測は、ＮＣプログラムにより決定した通り加工物に対して工具を位置決めして誘導することができるように、その加工物をも運動連鎖機構に組み入れる役割を果たす。そのためには、既知の運動連鎖機構の何らかの点に対する加工物の位置及び向きを検出すれば、その点が、加工物台の表面と所定の通り関連付けられることとなるので、それで十分である。従って、本発明の意味における物体支持部との用語は、例えば、工作機械の運動連鎖機構の全ての構成部分などの工具に対する位置及び向きが既知である工作機械の領域であると解釈する。

加工物を加工物台に固定するためには、確かに処理されないが、例えば、衝突の監視のために考慮しなければならない固定手段が必要なので、そのような固定手段も工作機械の運動連鎖機構における位置及び向きを検出しなければならない物体として看做される。従って、固定手段と加工物は、本発明の意味における物体である。

物体も物体支持部も、カメラ画像からその時点の相対的な姿勢を推定できるように、形状と大きさに関して検知されなければならない。従って、処理手段は、そのようなその時点の物体と物体支持部の幾何学的な情報を保存したメモリ領域にアクセスする。

本発明の更に別の利点及び詳細は、以下における図面に基づく有利な実施構成の記述から明らかとなる。

カメラと加工物の間及びカメラと加工物台の間の相対的な姿勢を示す工作機械の部分図 加工物と加工物台の間の相対的な姿勢を示す工作機械の部分図

図１には、工作機械の部分が図示されている。そこには、加工物台１の形の物体支持部が図示され、その上には、加工物２の形の物体が配置されている。

例えば、工作機械の筐体に固定されたカメラ３は、加工物台１及び加工物２を表す画像又はそれぞれ加工物台１及び加工物２の位置と向きを自動的に検出するのに十分な大きさのその画像の少なくとも一部を提供する。

その画像は、少なくとも本発明による方法の処理手順を実行する制御部４に送られる。有利には、それは、工作機械でのＮＣプログラムの処理などのそれ以外の全ての制御プロセスをも引き受ける数値制御部である。

カメラ３は、その位置を座標系Ｘ−Ｙ−Ｚの原点により決定され、その向きを座標軸Ｘ，Ｙ及びＺにより決定される。即ち、例えば、カメラ３の視点方向は、普遍性を制限することなく、カメラ３の座標系のＺ軸を定義する。

加工物台１は、その位置を座標系Ｘ１’−Ｙ１’−Ｚ１’の原点により決定され、その向きを座標軸Ｘ１’，Ｙ１’及びＺ１’により決定される。即ち、例えば、台１上に下ろした垂線は、普遍性を制限することなく、台１の座標系のＺ１’軸を定義する。台の周縁は、台１の一つの角に原点が有る別の座標軸Ｘ１’，Ｙ１’を規定する。

加工物２は、その位置を座標系Ｘ２’−Ｙ２’−Ｚ２’の原点により決定され、その向きを座標軸Ｘ２’，Ｙ２’及びＺ２’により決定される。即ち、平行６面体形の加工物２の周縁は、普遍性を制限することなく、加工物２の座標軸Ｘ２’，Ｙ２’，Ｚ２’の方向を定義する。

図１における加工物台１、加工物２及びカメラ３の座標系の選択は、全く別の手法で、或いは専ら現実的な観点から行なうこともできる。これ以外の形状の台１及び加工物２に関しては、位置と向きを簡単に表すとの意味において、別の座標系が好適であるかもしれない。

第一の工程において、特に、前記の背景技術で述べたような画像評価方法によって、制御部４の第一の処理手段が、カメラ３に対する加工物２の姿勢を算出する。それは、図１において、カメラ３の原点から加工物２の原点までの並進ベクトルＴ２と、カメラ３の座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対して平行な座標軸Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２とによって表される。並進ベクトルＴ２と、座標系Ｘ２’，Ｙ２’，Ｚ２’を座標系Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２に変換する回転マトリックスＤ２とによって、カメラ３に対する加工物２の移動及び回転が決定される。Ｔ２とＤ２は、並進ベクトルＴ２の成分を収容する一つの列を追加して回転マトリックスＤ２を拡張することによって、線形変換Ｈ２＝［Ｄ２｜Ｔ２］に統合することもできる。そのような線形変換Ｈ２は、カメラ３と加工物２の間の移動及び回転に関する完全な情報を有する。

そのために、有利には、制御部４のソフトウェアアルゴリズムとして構成された第一の処理手段は、存在し得る物体、即ち、存在し得る加工物２、さもなければ固定手段の形状と大きさなどの幾何学的な情報を保存したメモリ領域にアクセスする。そこに保存されている情報をカメラ画像から取得した情報と比較することによって、カメラの内因的校正と関連して、その時点の物体とその物体のカメラ３に対する相対的な姿勢とを推定することができる。

次に、第二の工程において、制御部４の第二の処理手段は、カメラ３に対する台１の姿勢を算出する。それは、図１において、カメラ３の原点から台１の原点までの並進ベクトルＴ１と、カメラの座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対して平行な座標軸Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１とによって表される。並進ベクトルＴ１と、座標系Ｘ１’，Ｙ１’，Ｚ１’を座標系Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１に変換する回転マトリックスＤ１とによって、カメラ３に対する台１の移動及び回転が決定される。Ｔ１とＤ１は、並進ベクトルＴ１の成分を収容した一つの列を追加して回転マトリックスＤ１を拡張することによって、線形変換Ｈ１＝［Ｄ１｜Ｔ１］に統合することもできる。そのような線形変換Ｈ１は、カメラ３と加工物台１の間の移動及び回転に関する完全な情報を有する。

そのためには、有利には、同じく制御部４のソフトウェアアルゴリズムとして構成された第二の処理手段は、台１の幾何学的な情報を保存したメモリ領域にアクセスする。そこに保存されている情報をカメラ画像から取得した情報と比較することによって、カメラ３の内因的校正と関連して、カメラ３に対する台１の相対的な姿勢を推定することができる。

第一と第二の工程の順番は、当然のことながら置き換えることができ、同様に、例えば、制御部４での画像評価に対して並行して進行するアルゴリズムによって実現可能な場合、第一の工程と第二の工程を同時に実行することもできる。

ここで、第三の工程において、カメラ３と加工物２の間及びカメラ３と加工物台１の間の相対的な姿勢の差引計算によって、加工物２と加工物台１の間の相対的な姿勢を算出する。予め決定された並進ベクトルＴ１を同じく予め決定された並進ベクトルＴ２から引き算することによって、絶対値と方向に関して台１の原点と加工物２の原点の間のずれを表す図２に図示された並進ベクトルＴ３が得られる。その結果に関して、カメラ３の位置と向きは、何らの役割も果たさなくなる。

同様に、回転マトリックスＤ１により規定されるカメラ３と台１の間の回転と、回転マトリックスＤ２により規定されるカメラ３と加工物２の間の回転とから、台１と加工物２の間の回転を推定する。言い換えると、加工物２の座標系Ｘ２’，Ｙ２’，Ｚ２’を座標系Ｘ２’’，Ｙ２’’，Ｚ２’’に変換する、そのため台１の座標系Ｘ１’，Ｙ１’，Ｚ１’に対して並行な方向に向ける回転マトリックスＤ３を算出する。そのためには、逆回転マトリックスＤ１^−１を回転マトリックスＤ２と掛け算する、即ち、Ｄ３＝Ｄ１^−１＊Ｄ２を計算しなければならない。一緒になって座標系Ｘ１’，Ｙ１’，Ｚ１’を座標系Ｘ２’，Ｙ２’，Ｚ２’に変換する、これらの回転マトリックスＤ３と並進ベクトルＴ３は、加工物台１に対する加工物２の位置と向きに関する算出すべき情報を有する。それに代わって、一つのマトリックスで加工物台１と加工物２の間の移動及び回転を規定する線形変換Ｈ３＝Ｈ１^−１＊Ｈ２を計算することもできる。Ｔ３とＤ３又はＨ３がカメラ３の向きに依存せず、そのためカメラの外因的校正を必要とないようにすることが重要である。

従って、カメラの正確な姿勢が分からず、測定毎に変化する可能性が有っても、加工物２又はその固定手段は、工作機械の運動連鎖機構に組み入れられて、例えば、衝突の監視のために考慮することができる。

Claims (8)

1. 物体（２）及び物体（２）と接続された、工作機械内の位置及び向きが既知である物体支持部（１）の画像を提供するカメラ（３）と、その画像から取得した物体（２）の幾何学的な特徴に基づきカメラ（３）に対する物体（２）の位置及び向きを算出する第一の処理手段とを備えた工作機械での物体の位置及び向きを検出する装置において、
   画像から取得した物体支持部（１）の幾何学的な特徴に基づきカメラに対する物体支持部（１）の位置及び向きを算出する第二の処理手段と、カメラ（３）と物体（２）の間及びカメラ（３）と物体支持部（１）の間の相対的な位置及び向きから物体支持部（１）と物体（２）の間の相対的な位置及び向きを決定する第三の処理手段とを備えていることと、
   第一の処理手段が、様々な物体（２）の幾何学的な情報を保存したメモリ領域を備えていることと、
   第一の処理手段が、この保存されている幾何学的な情報に基づきカメラの画像に示された物体（２）を識別するように構成されていることと、
   を特徴とする装置。
2. 物体（２）が、処理すべき加工物であるか、或いは加工物支持部（１）に加工物を固定する固定手段であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 第二の処理手段が、様々な物体（２）の幾何学的な情報を保存したメモリ領域を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 当該の幾何学的な情報が、ＣＡＤのモデルの形で、或いはカメラ画像として存在することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の装置。
5. 物体支持部（１）が、工作機械の運動連鎖機構の構成部分であり、そのため、制御部（４）の処理工具に対する物体支持部の位置及び向きが既知であることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の装置。
6. カメラ（３）が、工作機械の運動連鎖機構の構成部分ではない、工作機械の一部に固定されており、そのため、運動連鎖機構の構成部分に対するカメラの位置及び向きが定義されていないことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 物体（２）及び物体（２）と接続された、工作機械内の位置及び向きが既知である物体支持部（１）の画像を提供するカメラ（３）を用いて、工作機械での物体の位置及び向きを検出する方法であって、第一の処理手段が物体（２）の幾何学的な特徴に基づきカメラ（３）に対する物体（２）の位置及び向きを算出する方法において、
   第二の処理手段が、画像から取得した物体支持部（１）の幾何学的な特徴に基づきカメラに対する物体支持部（１）の位置及び向きを算出することと、
   第三の処理手段が、カメラ（３）と物体（２）の間及びカメラ（３）と物体支持部（１）の間の相対的な位置及び向きから物体支持部（１）と物体（２）の間の相対的な位置及び向きを算出することと、
   第一の処理手段が、画像から取得した物体（２）の幾何学的な情報を存在し得る物体のメモリに保存された幾何学的な情報と比較して、その存在し得る物体と十分に一致した場合に、物体支持部に実際に配置された物体（２）として検知することと、
   を特徴とする方法。
8. 物体支持部（１）が、工作機械の運動連鎖機構の構成部分であり、そのため、制御部（４）の処理工具に対する物体支持部の位置及び向きが既知であることと、
   物体（２）は、その物体支持部（１）に対する相対的な位置及び向きの算出後に、その物体自体が運動連鎖機構の構成部分となり、そのため、制御部（４）の処理工具に対する物体の位置及び向きが既知となることと、
   を特徴とする請求項７に記載の方法。

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