JP7379045B2 - 算出方法、物品の製造方法、プログラム、情報処理装置、システム - Google Patents

Description

本発明は、算出方法、物品の製造方法、プログラム、情報処理装置、システムに関する。

計測対象物を撮影し、その撮影した対象物の画像から対象物の三次元位置を計測する三次元位置計測技術は様々な目的に利用されている。近年、工業製品の生産工程において、従来人間が行っていた作業の一部をロボットが行うようになりつつある。例えば、容器に山積みされた部品をロボットが把持し、指定の場所へ運ぶピッキング工程などにおいては、安定且つ高精度な部品の位置、姿勢計測が可能な三次元位置計測技術が必要である。

三次元位置計測技術の１つに、三角測量の原理を用いたパターン投影法がある。これは、パターン生成手段で作られる明暗のパターン光を対象物へプロジェクタで照射し、照射方向と異なる角度から、対象物である被検物の形状に応じて湾曲したパターン光を撮像部で撮像することにより、対象物の形状や位置を計測する手法である。

撮像部やプロジェクタの光学系は温度に応じて膨張・収縮するため、それらの相対位置姿勢が変化する。この変化により対象物上の点の計測結果にずれが生じることがある。

特に投影系では、光源の発熱により物体温度や周辺との温度分布が変化しやすく、さらにパターン生成手段に反射型表示素子を用いた場合等には、光学系に反射面を含むため温度による変形等に敏感となる場合が多い。

従って、温度変化を補正する必要があるが、温度変化が大きな環境では、計測結果のずれが一定に変化しないことがあるため、高精度な温度補正が困難となり、補正残差の発生も問題となる。

そのため、三次元位置計測装置に対して既知の形状やパターンの基準物を用いてキャリブレーション計測を行い、三次元位置計測装置によって計測される位置、姿勢を校正する手法が開示されている（特許文献１、特許文献２）。

特開２００８－１７０２７９号公報 特開２０１３－２３１９００号公報

特許文献１、特許文献２に記載の発明では、キャリブレーションに用いる基準物である校正用ターゲットは多くの既知のパターンや形状の位置情報が必要であり大型化しやすい。そのため、工業製品の生産工程で使用される三次元位置計測装置のキャリブレーションのため、計測作業の中断や終了後に計測対象物を退避させて、校正用の基準物を設置する必要があり、生産効率の低下を招くおそれがある。

一方、簡易な基準物の計測結果の変化量を求め、その変化量を補正値として、三次元位置計測装置は計測範囲内の場所によらずに一律に、計測対象物の計測誤差を補正する方法がある。

しかし、三次元位置計測装置は計測範囲内の場所によって、温度変化による計測結果のずれ量が異なる場合があり、一律に補正すると計測範囲内の場所によっては、補正残差が発生する。これにより、生産工程のピッキング工程において、三次元位置計測装置の計測範囲であっても対象物をロボットが把持出来ない場所が発生し、生産工程が中断する恐れがある。

そこで、本発明は、三次元位置計測装置に関して、より簡単に校正でき、計測精度劣化を低減することを例示目的とする。

上記課題を解決する本発明の一側面としての算出方法は、対象物の位置を算出する算出方法であって、三次元計測装置を用いて基準部材を計測した計測結果を用いて、前記三次元計測装置の計測範囲の奥行方向における前記基準部材の第１位置計測値を算出する第１工程と、前記三次元計測装置を用いて前記基準部材と前記対象物を計測した計測結果を用いて、前記奥行方向における前記基準部材の第２位置計測値と、前記奥行方向及び前記奥行方向に対して直交する直交方向における前記対象物の第１位置を算出する第２工程と、を有し、前記対象物の第１位置に対して、前記基準部材の第１位置計測値と第２位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置に応じて異なる大きさの誤差を補正し、前記基準部材の第１位置計測値と第２位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置によって変化しない前記直交方向における位置の補正値で補正することにより、前記奥行方向及び前記直交方向における補正後の前記対象物の位置を算出することを特徴とする。

本発明によれば、三次元位置計測装置に関して、より簡単に校正でき、計測精度劣化を低減することができる。

三次元位置計測装置の構成例を示した図である。 座標の定義を説明した図である。 実施例１におけるフロー図である。 実施例１のＺ方向補正を説明するための図である。 実施例１のＸＹ方向補正を説明するための図である。 実施例１のＸＹ方向補正を説明するための図である。 実施例２におけるフロー図である。 実施例２のＺ方向補正を説明するための図である。 実施例３におけるフロー図である。 実施例３のＺ方向補正を説明するための図である。 実施例４におけるフロー図である。 実施形態２の補正を説明するための図である。 システムを示す図である。

以下、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付する。

＜実施形態１＞
図１は、本実施形態における三次元位置計測装置（三次元計測装置）１００の構成図である。三次元位置計測装置１００は、プロジェクタ１と撮像部２（三次元計測部）、及び、演算処理部３を有する。プロジェクタ１は、計測用のＬＥＤ光源と、パターン光を生成する為の液晶パネルを用いたパターン生成部と、生成されたパターン光を投影する投光レンズ（投影光学系）で構成されている。

光源とパターン生成部は、プロセッサ等の演算処理部（情報処理装置）３により電気的に制御が可能であり、明部のみ又は明暗部の縞を持つパターン光を生成し、計測対象物である被検物（ワーク）４、基準部材である基準マーク５へ照射する。パターン生成部は液晶パネルの代わりにＤＭＤや、遮光パターンを有するマスクを用いても良い。

基準マーク５は三次元位置計測装置１００にて計測できる範囲に設置される。しかし、基準マーク５の計測が可能であれば、例えば、ロボット上などに搭載し、被検物４の計測保証範囲外や被検物４と干渉しない位置に、固設又はロボットによる所定位置への移動によって、配置してもよい。

撮像部２は、パターンが投影された計測対象物からの光を受光するためのレンズ（光学系）と、ＣＣＤなどの撮像素子を有し、その光学系の光軸がプロジェクタ１（投光レンズ）の光軸とは異なる角度で配置されている。撮像部２によって、被検物４、基準マーク５の形状に応じて湾曲したパターン光が２次元画像として撮像される。投影するパターン光を変えながら被検物４、基準マーク５（配置された物体）を複数回撮像することにより、複数の画像を得る。そして、演算処理部３は、撮像された複数の画像（計測データ）から三角測量の原理を用いて、物体における複数の計測点の位置（距離情報）を算出する。このようにして、三次元位置計測装置１００による位置計測結果から、三次元位置計測装置からの被検物４と基準マーク５の位置（距離）計測結果である座標を取得することが可能である。

被検物４が無い状態でキャリブレーション（校正）した直後など、被検物４と基準マーク５は実際の位置に対して誤差が少ない状態で計測可能となる。図２において、５ａがこの状態の基準マークの計測結果であり、この時の座標（Ｘ_ｂ０、Ｙ_ｂ０、Ｚ_ｂ０）をマーク基準座標と呼ぶ。４ａは、この状態で計測した場合に期待される被検物４の計測結果（真の位置に近い状態）であり、この時の座標（Ｘ_ｗ０、Ｙ_ｗ０、Ｚ_ｗ０）をワーク基準座標と呼ぶ。

ここでは三次元位置計測装置１００から外装の頂点の中心Ａを原点とし、Ｚ軸方向は三次元位置計測装置１００から見た計測範囲における奥行方向としている。また、Ｚ軸に直交し且つ三次元位置計測装置１００の投影光学系と撮像部の光学系の基線長の方向を含む平面上の軸をＸ軸とし、Ｘ、Ｚ軸に直交する軸（直交方向）をＹ軸としている。

三次元位置計測装置１００に温度変化が発生した場合、撮像部２やプロジェクタ１の光学系は、温度等の使用環境に応じて膨張又は収縮するため、その相対位置姿勢が変化する。この変化により被検物の計測結果にずれが生じることがある。そのため、たとえばキャリブレーション後に、三次元位置計測装置１００の温度が変化した場合、温度変化後の三次元位置計測装置１００による被検物４と基準マーク５の計測結果は計測ずれである誤差を含んだ結果となる。図２においては、温度変化後の状態における被検物４の計測結果を４ｂ、基準マーク５の計測結果を５ｂと表記している。そして、４ｂの座標をワーク座標（Ｘ_ｗｎ、Ｙ_ｗｎ、Ｚ_ｗｎ）、５ｂの座標をマーク座標（Ｘ_ｂｎ、Ｙ_ｂｎ、Ｚ_ｂｎ）とする。

図２では１つの基準マーク５を計測する様子を示しているが、基準マークの数がこれに限らず、２つ以上でもよい。ただし、三次元位置計測装置の計測範囲の全域をカバーするように多数の基準マークを配置することなく、計測範囲の一部の範囲に少ない基準マークを配置して校正することで、簡単な構成で校正を行うことができる。

三次元位置計測装置１００の主要部品の姿勢変化によって生じるＺ軸方向の計測誤差は、三次元位置計測装置１００からのＺ軸方向の距離の比に対して、ほぼ２乗で変化する特性を有する事を見出した。これは、三次元位置計測装置１００のプロジェクタ１のレンズ、パターン生成部、撮像部２の撮像素子の位置のシフト（ずれ）や、プロジェクタ１と撮像部２の輻輳角など、多くの主要部品の変化は光軸の傾き変化に相当する成分となる為である。そのため、温度変化等によるＺ軸方向の位置と誤差の関係は、以下の式１で表される。
（Ｚ_ｂｎ－Ｚ_ｂ０）：（Ｚ_ｗｎ－Ｚ_ｗ０）＝Ｚ_ｂｎ＾２：Ｚ_ｗｎ＾２・・・（式１）

つまり、被検物４の位置計測結果に含まれるＺ_ｗｎの誤差は、以下の手順で求めることができる。まず、あらかじめ、被検物と基準物の座標の相対位置が正しく計測できる状態でマーク基準座標Ｚ_ｂ０を取得しておく。次に、被検物４の計測時に、基準マーク５も計測し、取得したワーク座標Ｚ_ｗｎ、マーク座標Ｚ_ｂｎから、式１より被検物４の計測点のＺ_ｗｎの誤差を求めることができる。

上記においては、被検物４を計測した結果から補正する例を示しているが、必ずしもその必要は無く、マーク座標５ｂとマーク基準座標５ａから、変化した量を装置パラメータ（たとえば輻輳角）の変化に置き換えても良い。これにより、計測空間全体の座標を補正することで、被検物４の計測結果を求めても良い。

なお、三次元位置計測装置１００の原点ＡからのＺ軸方向の距離を用いて誤差を求めた。しかし、三次元位置計測装置１００と被検物４、基準マーク５のＺ軸方向の距離が十分大きいため、大きな差が無ければ三次元位置計測装置１００付近の任意の点からの距離を用いて誤差を求めてもよい。

次に、各実施例について説明する。

図３は、実施例１における計測方法（算出方法）のフロー図である。各工程は、三次元位置計測装置１００のプロジェクタ１、撮像部２、演算処理部３が行うが、演算処理に関しては、外部のコンピュータ（情報処理装置）を用いて行ってもよい。また、かかる演算方法は、例えば、フローチャートの各ステップを実行可能なプログラムを、ネットワーク又は記録媒体を介して情報処理装置であるコンピュータに供給し、情報処理装置がプログラムを読み出して実行することによって実現される。また、情報処理装置が、メモリ等の記憶媒体に記憶されたプログラムを読み出して実行することによっても実現されうる。

先ず工程１（第１工程）で、被検物４と基準マーク５の相対位置が正しく計測されている状態、例えば、キャリブレーション校正後にて、基準マーク５を計測し、補正の基準の座標情報としてマーク基準座標（第１位置計測値）５ａを算出する。工程１は、基準マーク５の実際の位置がずれた時や、過去に工程１を実施した場合に得られたマーク基準座標に対して位置がずれてしまったときなどに実施する。

工程２以降が位置補正のための工程（第２工程）である。工程２では、工程１の後に、基準マーク５を計測し、基準マークの位置を表すマーク座標（第２位置計測値）５ｂを算出する。工程２における基準マーク５の実際の位置は、工程１のときと変わらないが、基準マーク５の位置計測結果には計測誤差により実際の位置からずれている可能性がある。工程２は、工程１の後に、任意の時刻で、又は、予め決められた周期等で行うことができる。ただし、温度等の使用環境の変化により、三次元位置計測装置１００の主要部品の姿勢変化によって計測誤差が生じてしまった場合に、工程２以降を行うと効果的である。そのため、温度等の使用環境が、工程１を行った時から変化したことを検知して、予め決められた温度差などの条件を満足したときに工程２を行ってもよい。なお、工程１と工程２との時間間隔は小さい方が、マーク座標がマーク基準座標から大きく変化しないので、以降で算出する補正値の変化量が小さいため、補正精度を向上することができる。

次に、工程３（第２工程）では、被検物４を計測してワーク座標（対象物位置）４ｂを算出する。ワーク座標４ｂとしては、被検物４上における複数の計測点の座標や、被検物４の代表位置の座標でもよい。工程３のタイミングは工程２と同時でも異ならせてもよい。工程２の基準マーク５の計測と工程３の被検物４の計測との間隔は、短い方が計測条件の差を小さくすることができ、以降で求める補正量の精度低下を抑えることができる。

次に、工程４で、マーク座標とマーク基準座標から基準マーク５のＺ軸方向の誤差である変化量ΔＺ_ｂｎを求める。マーク座標のＺ軸方向の位置をＺ_ｂｎ、マーク基準座標のＺ軸方向の位置をＺ_ｂ０とすると、Ｚ軸方向の変化量ΔＺ_ｂｎは以下の（式２）で表される。
ΔＺ_ｂｎ＝Ｚ_ｂｎ－Ｚ_ｂ０・・・（式２）

次に、工程５で、被検物４のＺ軸方向の位置に対する補正値ΔＺ_ｗｎを算出する。上記式１のＺ軸方向の位置と誤差の関係より、補正値ΔＺ_ｗｎは式３を用いて算出できる。式３の関係を図４に示す。ここで、工程３で得られた被検物４のワーク座標のＺ軸方向の位置をＺ_ｗｎとする。
ΔＺ_ｗｎ＝ΔＺ_ｂｎ×（Ｚ_ｗｎ／Ｚ_ｂｎ）＾２・・・（式３）

補正値ΔＺ_ｗｎは、工程４で得られた基準マーク５のＺ軸方向の変化量ΔＺ_ｂｎと、工程３で得られた被検物４のワーク座標のＺ軸方向の位置Ｚ_ｗｎと、工程２で得られたマーク座標のＺ軸方向の位置Ｚ_ｂｎを用いて算出できる。補正値ΔＺ_ｗｎは、被検物４のワーク座標のＺ軸方向の位置Ｚ_ｗｎ、つまり、被検物４の計測点の位置に応じて異なる大きさとなる。

次に、工程６で、被検物４のＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置の補正値ΔＸ_ｗｎ、ΔＹ_ｗｎを算出する。具体的には、工程５で算出した被検物４のＺ方向の位置の補正値ΔＺ_ｗｎと、計測値であるワーク座標（Ｘ_ｗｎ、Ｙ_ｗｎ、Ｚ_ｗｎ）から、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の補正値ΔＸ_ｗｎ、ΔＹ_ｗｎを、式４、５を用いて算出する。式４の関係を図５に示す。式５についても式４と同様の関係である。補正値ΔＸ_ｗｎ、ΔＹ_ｗｎは、被検物４のワーク座標のＺ軸方向の位置Ｚ_ｗｎ、つまり、被検物４の計測点の位置に応じて異なる（変化する）大きさとなる。
ΔＸ_ｗｎ＝ΔＺ_ｗｎ×（Ｘ_ｗｎ／Ｚ_ｗｎ）・・・（式４）
ΔＹ_ｗｎ＝ΔＺ_ｗｎ×（Ｙ_ｗｎ／Ｚ_ｗｎ）・・・（式５）

次に、工程７にて、被検物４の位置によって変化（依存）しないＸ軸方向、Ｙ軸方向の補正値をマーク座標とマーク基準座標から求める。先ず、マーク座標とマーク基準座標のＺ軸方向の変化量ΔＺ_ｂｎとマーク基準座標（Ｘ_ｂ０、Ｙ_ｂ０、Ｚ_ｂ０）から予測される、基準マークの位置によって変化する成分（ΔＸ_ｂｎ＿_{ｃａｌｃ、}ΔＹ_ｂｎ＿_ｃａｌｃ）を式６、７を用いて算出する。式６の関係を図６に示す。
ΔＸ_ｂｎ_ｃａｌｃ＝ΔＺ_ｂｎ×（Ｘ_ｂ０／Ｚ_ｂ０）・・・（式６）
ΔＹ_ｂｎ_ｃａｌｃ＝ΔＺ_ｂｎ×（Ｙ_ｂ０／Ｚ_ｂ０）・・・（式７）

これらを、実際の計測結果から求めたマーク座標（Ｘ_ｂｎ、Ｙ_ｂｎ）と比較し、その差を、位置によって変化しないＸ軸方向、Ｙ軸方向の補正値ΔＸ_ｂｎ＿ｒ、ΔＹ_ｂｎ＿ｒとして、式８、式９を用いて算出する。
ΔＸ_ｂｎ＿ｒ＝（Ｘ_ｂｎ－Ｘ_ｂ０）－ΔＸ_ｂｎ_ｃａｌｃ・・・（式８）
ΔＹ_ｂｎ＿ｒ＝（Ｙ_ｂｎ－Ｙ_ｂ０）－ΔＹ_ｂｎ_ｃａｌｃ・・・（式９）

最後に、工程８にて、工程５、６、７で得られた補正値を用いて、式１０、１１、１２のようにワーク座標を補正する。ここで、補正後の結果として補正後のワーク座標を（Ｘ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ、}Ｙ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ、}Ｚ_ｗｎ_{＿ｃｏｒｒｅｃ}）とする。
Ｘ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ}＝Ｘ_ｗｎ－ΔＸ_ｗｎ－ΔＸ_ｂｎ＿ｒ・・・（式１０）
Ｙ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ}＝Ｙ_ｗｎ－ΔＹ_ｗｎ－ΔＹ_ｂｎ＿ｒ・・・（式１１）
Ｚ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ}＝Ｚ_ｗｎ－ΔＺ_ｗｎ・・・（式１２）

なお、上記では、被検物４のＺ軸方向の位置に対する補正値（計測誤差）ΔＺ_ｗｎを、被検物４と基準マーク５のＺ軸方向の座標Ｚｂｎ、Ｚｗｎの比の２乗を用いて求めた。しかし、主要部品の姿勢変化以外で発生する誤差やその精度改善効果を考慮し、距離の比の１．５乗以上２．５乗以下の乗数を用いて求めてもよい。

その理由は以下である。例えば、三次元位置計測装置１００のＺ軸方向の計測範囲を１５００～２０００ｍｍとし、１５００ｍｍの位置で２０ｍｍの計測誤差がある場合、Ｚ位置の２乗の誤差を含むと、計測結果は１５２０ｍｍ～２０３６ｍｍとなり、誤差は最大３６ｍｍとなる。

ここで、基準マーク５を１５００ｍｍに配置して計測し、Ｚ位置が１５００ｍｍにおける補正値をＺ位置の比の２乗を用いて求めた場合、誤差は０となる。当該補正値をＺ位置の１．５乗を用いて求めた場合、補正後の計測結果は１５００ｍｍ～２００５ｍｍであり、誤差は最大でも５ｍｍとなり、比較的誤差を軽減することができる。また、基準マーク５を１５００ｍｍに配置して計測し、補正値をＺ位置（距離）の比の２．５乗で求めた場合も、誤差を５ｍｍまで軽減することができる。つまり、１．５乗～２．５乗の範囲内であれば、誤差は３割程度以下まで軽減することができる。

以上により、三次元位置計測装置１００は、簡易な基準物を用いて、Ｚ軸方向における位置ごとに計測誤差を精度良く補正することが可能であり、計測精度劣化を低減することができる。

なお、工程８完了後、例えば、順次、別の被検物４を連続して計測する場合、次回の計測では、工程１、２を行わずに、工程３から開始してもよい。これは直前の計測時との温度変化が小さいなどの場合、マーク座標の変化が大きくなく、工程５、６、７の補正値の変化は小さいためである。

なお、基準マーク５を１つとして説明したが、２個以上用いてもよい。基準マーク５を２個以上用いる場合は、工程１、工程２で、基準マーク５毎にマーク基準座標、マーク座標を取得する。そして、工程３において、基準マーク５毎のマーク基準座標とマーク座標をそれぞれ平均して、ΔＺ_ｂｎを求めてもよい。

次に、図７、図８に基づいて、実施例２の三次元位置計測装置１００について説明する。図７は、本実施例における計測のフロー図である。まず、実施例１と同様に、工程１、２を実施し、マーク基準座標とマーク座標を取得する。

次に、工程３で補正値として、三次元位置計測装置１００の位置計測結果の計算に用いる装置のパラメータの内の一つである、プロジェクタ１と撮像部２の光軸の相対角度差である輻輳角Ｒ_Ｅｘの変化量ΔＲ_Ｅｘを求める。図８は、輻輳角Ｒ_Ｅｘの変化量を示す図である。輻輳角の変化量ΔＲ_Ｅｘは、マーク基準座標のＺ軸方向の位置Ｚ_ｂ０と、マーク座標のＺ軸方向の位置Ｚ_ｂｎと、プロジェクタ１と撮像部２の基線長Ｄから求めることができる。ここでは、輻輳角の補正値を説明したが、三次元位置計測装置１００からのＺ軸方向の距離の比の２乗で誤差が変化する装置のパラメータであれば、プロジェクタ１のパターン生成部や撮像部２の撮像素子のシフト（位置ずれ）を補正項目としても良い。

次に、工程４で、被検物４の位置により変化しないＸ軸方向、Ｙ軸方向の補正値ΔＸ_ｂｎ＿ｒ、ΔＹ_ｂｎ＿ｒを求める。補正値を求める方法は、実施例１の工程７と同様、式６～９のように、マーク座標とマーク基準座標のＺ軸方向の変化量と、マーク基準座標とから求めることできる。または、工程３で得られた補正値で補正した三次元位置計測装置１００の装置のパラメータを用いて、基準マーク５のマーク座標を再計算し、再計算した基準マーク５のマーク座標とマーク基準座標との差から、補正値ΔＸ_ｂｎ＿ｒ、ΔＹ_ｂｎ＿ｒを求めても良い。

次に、工程５で、三次元位置計測装置１００の装置のパラメータを工程３、工程４で得られた補正値で補正する。ただし、工程５において、工程４で取得したＸ、Ｙ補正値で補正せずに、工程６の計算後の結果をＸ、Ｙ補正値で補正してもよい。

最後に、工程６で被検物４を計測して、補正済みの装置のパラメータを用いて、被検物４の位置を計算し、補正後のワーク座標として取得する。

以上により、三次元位置計測装置１００は、簡易な基準物を用いて校正が可能であり、計測精度劣化を低減する三次元位置計測装置が実現される。

なお、被検物４を連続して計測する場合、工程６完了後、工程４から開始してもよい。これは直前の計測時との温度変化が小さいなどの場合、マーク座標の変化が大きく変わらず、工程４の補正値の変化は小さいためである。たとえば、直前の計測時との温度差を確認し、任意の温度差などの条件を設け、条件を満足すれば工程４から始めればよい。

次に、図９、図１０に基づいて実施例３の三次元位置計測装置１００について説明する。図９は、本実施例における計測方法のフロー図である。本実施例は実施例１とは、図１０のように基準マーク５、６、７がＺ軸方向の異なる位置に３個配置されている点が異なる。そのため、実施例１の図３のフロー図の工程４とは基準マーク毎に変化量を求める点が異なる。また、工程５のＺ軸方向の補正量算出方法が異なる。

先ず事前に工程１で、被検物４と基準マーク５の相対位置が正しく計測されている状態にて基準マーク５、６、７を計測し、補正の基準の座標情報として各マーク基準座標を取得する。

通常、工程１の実施は基準マーク５、６、７を配置した位置から実際にずれた時など、あらかじめ実施した工程１のマーク基準座標からずれてしまったときなどに再実施する。

工程２以降が実際の被検物４を計測する場合の運用である。工程２で補正量を算出するために基準マーク５、６、７を計測する。この時、工程１同様、基準マーク毎に各マーク座標を取得する。

次に、工程３で、第１実施例の工程３と同様に被検物４を計測してワーク座標を取得する。なお、被検物４を連続して計測する場合、工程８完了後、工程３から開始してもよい。これは直前の計測時との温度変化が小さいなどの場合、マーク座標の変化が大きく変わらず、補正値の変化量が小さいためである。例えば、直前の計測時との温度差を確認し、任意の温度差などの条件を設け、条件を満足すれば工程３から始めればよい。

次に、工程４で基準マーク５、６、７の各基準座標と基準座標のＺ軸方向の各変化量ΔＺ_ｂ５、ΔＺ_ｂ６、ΔＺ_ｂ７を求める。

次に、工程５で計測対象物４のＺ軸方向の補正値ΔＺ_ｗｎを求める。基準マーク５、６、７の三次元位置計測装置１００からのＺ軸方向の誤差ΔＺ_ｂ５、ΔＺ_ｂ５、ΔＺ_ｂ７は三次元位置計測装置からの各基準マーク５、６、７のＺ軸方向の座標Ｚ_ｂ５、Ｚ_ｂ６、Ｚ_ｂ７とすると、式１３、式１４、式１５で表すことができる。
Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝ΔＺ_ｂ５・・・（式１３）
Ａ×（Ｚ_ｂ６／Ｚ_ｂ５）＾２＋Ｂ×（Ｚ_ｂ６／Ｚ_ｂ５）＋Ｃ＝ΔＺ_ｂ６・・・（式１４）
Ａ×（Ｚ_ｂ７／Ｚ_ｂ５）＾２＋Ｂ×（Ｚ_ｂ７／Ｚ_ｂ５）＋Ｃ＝ΔＺ_ｂ７・・・（式１５）

ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは基準マーク５での誤差値であり、ＡはＺ軸方向に距離の比の２乗で変化する誤差成分、ＢはＺ軸方向に距離の比で変化する誤差成分、ＣはＺ軸方向に関係なく一律に変化する誤差成分である。

式１３、式１４、式１５より、基準マーク５の誤差値Ａ、Ｂ、Ｃを求め、被検物４のワーク座標から、被検物４の距離の比の２乗で変化する誤差成分と距離の比で変化する誤差成分Ｚ_ｗｎ_Ａ、Ｚ_ｗｎ_Ｂを求める。（式１６、式１７）
ΔＺ_ｗｎ_Ａ＝Ａ×（Ｚｗｎ／Ｚ_ｂ５）＾２・・・（式１６）
ΔＺ_ｗｎ_Ｂ＝Ｂ×（Ｚｗｎ／Ｚ_ｂ５）・・・（式１７）

Ｃの一律に変化する誤差に関しては、三次元位置計測装置１００の全体の位置変化や基準マーク５の配置した位置の変化などの外部要因が考えられる。そのため誤差成分ＡやＢによる誤差より誤差に影響する場合は、被検部物の座標と基準物の座標の相対位置が正しく計測されている状態、たとえば三次元位置計測装置１００の位置、姿勢のキャリブレーション校正を実施し、再計測することがのぞましい。

次に、工程６にて、工程５で算出したＺ方向の補正値ΔＺ_ｗｎ_ＡとΔＺ_ｗｎ_Ｂとワーク座標（Ｘ_ｗｎ、Ｙ_ｗｎ、Ｚ_ｗｎ）から、被検物４の位置によって変化する誤差成分を求め補正値ΔＸ_ｗｎ、ΔＹ_ｗｎを算出する。（式１８、式１９）
ΔＸ_ｗｎ＝（ΔＺ_ｗｎ_Ａ＋ΔＺ_ｗｎ_Ｂ）×（Ｘ_ｗｎ／Ｚ_ｗｎ）・・・（式１８）
ΔＹ_ｗｎ＝（ΔＺ_ｗｎ_Ａ＋ΔＺ_ｗｎ_Ｂ）×（Ｙ_ｗｎ／Ｚ_ｗｎ）・・・（式１９）

次に、工程７にて、基準マーク５、６、７毎で被検物４の位置によって変化しないＸＹ補正値をそれぞれ求める。ここでは、工程５で得られた誤差成分Ａ、Ｂを用いて、工程６と同様に基準マーク５、６、７の位置によって変化するＸＹ誤差成分を求める。基準マーク５、６、７のそれぞれで、位置によって変化するＸＹ誤差成分とマーク座標とマーク基準座標の変化から、実施例１の工程７と同様に、位置によって変化しないＸＹ誤差成分をそれぞれ求め、平均し補正値ΔＸ_ｂｎ＿ｒ、ΔＹ_ｂｎ＿ｒを求める。

最後に、工程８にて、工程５、６、７で得られた補正値を用いてワーク座標を補正し、（式２０、式２１、式２２）より、補正後ワーク座標（Ｘ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ、}Ｙ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ、}Ｚ_ｗｎ_{＿ｃｏｒｒｅｃ}）を算出する。
Ｘ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ}＝Ｘ_ｗｎ－ΔＸ_ｗｎ－ΔＸ_ｂｎ＿ｒ・・・（式２０）
Ｙ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ}＝Ｙ_ｗｎ－ΔＹ_ｗｎ－ΔＹ_ｂｎ＿ｒ・・・（式２１）
Ｚ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ}＝Ｚ_ｗｎ－（ΔＺ_ｗｎ_Ａ＋ΔＺ_ｗｎ_Ｂ）・・・（式２２）

以上により三次元位置計測装置１００は、少ない基準マーク数で位置毎に変化する補正成分を分離し、それぞれの成分の補正量を求める事が可能であるため。実施例１や実施例２よりもさらに計測精度劣化を低減する三次元位置計測装置が実現される。

次に、図１１に基づいて実施例４の三次元位置計測装置について説明する。図１１は、本実施例における計測方法のフロー図である。実施例３と同様の工程１～２を実施し、各マーク基準座標と各マーク座標を取得する。

先ず事前に工程１で、被検物４と基準マーク５の相対位置が正しく計測されている状態（例えば、キャリブレーション校正後）にて基準マーク５、６、７を計測し、補正の基準の座標情報として各マーク基準座標を取得する。通常、工程１の実施は基準マーク５、６、７を配置した位置から実際にずれた時など、あらかじめ実施した工程１の基準マーク元座標からずれてしまったときなどに再実施する。

工程２以降が実際の被検物４を計測する場合の運用である。工程２で補正量を算出するために基準マーク５、６、７を計測する。この時、工程１同様、基準マーク毎に各マーク座標を取得する。

次に、工程３にて、各マーク基準座標と各基準座標から、三次元位置計測装置１００の位置計測の計算に用いる装置のパラメータの補正値を求める。実施例３と同様、基準マーク５の誤差値である、Ｚ軸方向に距離の比の２乗で変化する誤差成分Ａと、Ｚ軸方向に距離の比で変化する誤差成分Ｂ、Ｚ軸方向に関係なく一律に変化する誤差成分Ｃを求める。次に、Ａ、Ｂからそれぞれ装置のパラメータとして補正量を求める。ここでＡは距離の比の２乗の比で変化する誤差であり、実施例２と同様に、プロジェクタ１と撮像部２の輻輳角の変化量、プロジェクタ１のパターン生成器や撮像部２の撮像素子のシフト成分として補正値を求める。次に、距離の比に比例する誤差成分Ｂからプロジェクタ１と撮像部２の基線長の補正値を求める。Ｃの一律に変化する誤差に関しては、三次元位置計測装置１００の全体の位置変化や基準マーク５の配置した位置の変化などの外部要因が考えられる。そのため、誤差成分ＡやＢによる誤差より誤差に影響する場合は、被検部物の座標と基準物の座標の相対位置が正しく計測されている状態、たとえば三次元位置計測装置１００の位置、姿勢のキャリブレーション校正を実施し、再計測することがのぞましい。

次に、工程４で、被検物４の位置により変化しないＸＹ補正値ΔＸ_ｂｎ＿ｒ、ΔＹ_ｂｎ＿ｒを求める。補正値を求める方法は、実施例３の工程７と同様、各マーク座標各マーク基準座標のＺ軸方向の変化量とマーク基準座標から求める。または、工程３で得られた補正値で補正した三次元位置計測装置１００の装置のパラメータで基準マーク５、６、７の座標を再計算し、再計算した基準マーク５の座標とマーク基準座標のそれぞれの差を平均し、補正値ΔＸ_ｂｎ＿ｒ、ΔＹ_ｂｎ＿ｒを求めても良い。

次に、工程５にて三次元位置計測装置１００の装置のパラメータを工程３、工程４の補正値を用いて補正する。工程４で取得したＸＹ補正値を装置のパラメータとしない場合は工程６で計算結果を工程４の補正値で補正する。

最後に、工程６にて被検物４を計測して、工程５で補正済みの装置のパラメータを用いて計算を実施し、補正後ワーク座標（Ｘ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ、}Ｙ_ｗｎ＿_{ｃｏｒｒｅｃｔ、}Ｚ_ｗｎ_{＿ｃｏｒｒｅｃ}）を取得する。

以上により三次元位置計測装置１００は、少ない基準マーク数で位置毎に変化する補正成分を分離し、それぞれ成分の補正量を求める事が可能であるため。実施例１や実施例２よりもさらに計測精度劣化を低減する三次元位置計測装置が実現される。

なお、本実施形態ではプロジェクタ部でパターンを投影し、１つの撮像部（第１光学系）で撮像する構成とした。しかし、物体を照明するプロジェクタ（第２光学系）に対して異なる方向に設置された複数の撮像部（第１光学系）を配置した構成でも良い。この場合、プロジェクタと各撮像部の組み合わせでそれぞれ補正を行い、計測結果を合成すればよい。また、本実施形態では、パターン投影法を用いた三次元位置計測装置を用いて説明した。しかし、相対的な位置及び姿勢が既知な二台の撮像部（第１光学系、第２光学系）により撮影された画像をもとに三角測量の原理を用いたステレオ法を用いた三次元位置計測装置でも良い。また、本実施形態では（Ｘ、Ｙ、Ｚ）座標系で補正したが、原点Ａと回転による補正でも良い。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２について説明する。実施形態２では、マーク基準座標（第１位置計測値）を求めるための基準マーク５の実際の位置と、マーク座標（第２位置計測値）を求めるための基準マーク５の実際の位置と、が異なる。実施形態１では、マーク基準座標を求めるための基準マーク５の実際の位置とマーク座標を求めるための基準マーク５の実際の位置とを同じにしていたため、実施形態２では、実施形態１と異なり、それらの位置の差を含めて補正を行う必要がある。

図１２は、本実施形態における計測、補正を説明する図である。本実施形態では、工程１において、基準マーク５（基準部材）をロボット上に搭載し、ロボットによって所定の位置へ移動して配置し、基準マーク５を計測する。この時、計測されたマーク基準座標５ａを（Ｘ_ｂ０、Ｙ_ｂ０、Ｚ_ｂ０）とする。その後、工程２において、基準マーク５の実際の位置が、工程１における基準マーク５の実際の位置とは異なるように、ロボットによって基準マーク５を移動させて配置する。そして、基準マーク５を計測し、マーク座標（Ｘ_ｂｎ、Ｙ_ｂｎ、Ｚ_ｂｎ）を求める。工程１および２において、ロボットの位置制御が高精度に行われれば、配置誤差はほとんどなく、工程１と工程２における基準マーク５の実際の位置の差分（ΔＸ_ｒｎ、ΔＹ_ｒｎ、ΔＺ_ｒｎ）は、ロボットの制御情報から求めることができる。

そのため、マーク基準座標５ａに対して、マーク基準座標５ａとマーク座標５ｂ計測時の上記実際の計測位置の差をオフセットした結果より、マーク座標５ｂの計測位置と同じ位置でマーク基準座標を計測したものと等価の座標情報を得ることができる。例えば、マーク座標の計測結果に含まれるＺ方向の計測誤差（変化量）ΔＺ_ｂｎは、以下の（式２３）で表される。
ΔＺ_ｂｎ＝Ｚ_ｂｎ－Ｚ_ｂ０－ΔＺ_ｒｎ・・・（式２３）

Ｘ方向及びＹ方向の計測誤差についても同様の式で求めることができる。

そのため、ロボットの位置座標（マーク位置制御情報）など、基準マーク５の配置の変化を用いれば、マーク基準座標とマーク座標の位置とが異なる場合でも、その差分を考慮して、実施形態１と同様に補正を行うことが可能である。そのため、マーク基準座標とマーク座標の位置とが異なることによって、実施形態１よりも被検物４の設置範囲の制約を緩和することができる。

以上により、三次元位置計測装置１００は、基準マーク５の位置を固定しないでも補正が可能なため、実施形態１よりも被検物の設置範囲の制約を緩和した三次元位置計測装置を実現することができる。

（システム）
三次元位置計測装置１００は、被検物４の補正された位置（距離情報）を用いて被検物４の距離、形状や姿勢を算出することができる。三次元位置計測装置１００は、例えば、ロボット２００と組合せたシステムとして用いられる。図１３にシステムを示す。三次元位置計測装置１００が算出した被検物４の位置、姿勢を、ロボット制御部２０１に出力して、ロボット制御部２０１がその位置、姿勢に基づいて、ロボット２００のハンド等の把持部で被検物を把持して移動させるように、ロボット２００を制御する。そして、バラ積みされた複数の被検物４のうち１つをロボット２００のハンド等で移動させた後、三次元位置計測装置１００を用いてバラ積みされた複数の被検物４を計測することを繰り返す。

（物品製造方法）
次に、前述の三次元位置計測装置を用いて、機械部品など物品を製造する製造方法を説明する。まず、機械部品など対象物が複数、バラ積みされた状態で、前述の三次元位置計測装置を用いて対象物を計測し、対象物の位置、姿勢を計測する。そして、ロボット制御部２０１がその位置、姿勢に基づいて、ロボット２００のハンド等の把持部で対象物を把持して移動させるように、ロボット２００を制御する。移動された対象物は、他の部品と連結したり、締結したり、他の部品に挿入したりする処理が行われる。また、他の加工工程で加工処理が行われ得る。そして、このような処理がされた対象物を含む物品を製造する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (20)

1. 対象物の位置を算出する算出方法であって、
   三次元計測装置を用いて基準部材を計測した計測結果を用いて、前記三次元計測装置の計測範囲の奥行方向における前記基準部材の第１位置計測値を算出する第１工程と、
   前記三次元計測装置を用いて前記基準部材と前記対象物を計測した計測結果を用いて、前記奥行方向における前記基準部材の第２位置計測値と、前記奥行方向及び前記奥行方向に対して直交する直交方向における前記対象物の第１位置を算出する第２工程と、を有し、
   前記対象物の第１位置に対して、
   前記基準部材の第１位置計測値と第２位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置に応じて異なる大きさの誤差を補正し、
   前記基準部材の第１位置計測値と第２位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置によって変化しない前記直交方向における位置の補正値で補正することにより、
   前記奥行方向及び前記直交方向における補正後の前記対象物の位置を算出することを特徴とする算出方法。
2. 前記奥行方向における前記対象物までの距離の１．５乗から２．５乗までの乗数に比例する大きさの誤差を補正することにより前記対象物の位置を算出することを特徴とする請求項１に記載の算出方法。
3. 前記基準部材の第１位置計測値と第２位置計測値を用いて、前記第１位置に対する前記奥行方向における第１補正値、および、前記第１位置に対する前記直交方向における第２補正値を算出する工程と、
   前記第１位置を前記第１補正値および前記第２補正値を用いて補正する補正工程と、を有し、
   前記第１補正値および前記第２補正値のそれぞれは、前記奥行方向における位置に応じて異なる大きさの補正値を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の算出方法。
4. 前記基準部材の第１位置計測値と第２位置計測値と、前記対象物の第１位置とを用いて、前記第１補正値を算出することを特徴とする請求項３に記載の算出方法。
5. 前記第１補正値は、前記奥行方向における前記対象物までの距離の１．５乗から２．５乗までの乗数に比例する大きさの補正値を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の算出方法。
6. 前記第１補正値は、前記奥行方向における前記対象物までの距離の２乗に比例する大きさの補正値と、前記奥行方向における前記対象物までの距離に比例する大きさの補正値と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の算出方法。
7. 前記基準部材の第１位置計測値と第２位置計測値を用いて、前記三次元計測装置のパラメータに対する補正値を算出する工程と、
   前記パラメータに対する補正値を用いて前記パラメータを補正して、補正後の前記パラメータと前記対象物を計測した計測結果を用いて前記奥行方向および前記直交方向における前記対象物の位置を算出する工程と、を有し、
   前記パラメータは、その値が変化した場合に、前記奥行方向における前記対象物の位置に応じて異なる大きさで前記対象物の位置が奥行方向に変化するパラメータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の算出方法。
8. 前記パラメータは、その値が変化した場合に、前記奥行方向における前記対象物までの距離の１．５乗から２．５乗までの乗数に比例する大きさで前記対象物の位置が奥行方向に変化するパラメータを含むことを特徴とする請求項７に記載の算出方法。
9. 前記三次元計測装置は、前記対象物からの光を受光する第１光学系と、前記対象物からの光を受光する又は前記対象物を照明する第２光学系とを用いて計測する計測装置であって、
   前記パラメータは、前記第１光学系と前記第２光学系の輻輳角又は基線長であることを特徴とする請求項７に記載の算出方法。
10. 前記三次元計測装置は、前記対象物からの光を受光する撮像素子を用いて計測する計測装置であって、
    前記パラメータは、前記撮像素子の位置であることを特徴とする請求項７に記載の算出方法。
11. 前記三次元計測装置は、前記対象物に光を投影する投影光学系を用いて計測する計測装置であって、
    前記投影光学系は、投影するパターン光を生成する生成部を有し、
    前記パラメータは、前記生成部の位置であることを特徴とする請求項７に記載の算出方法。
12. 前記パラメータは、その値が変化した場合に、前記奥行方向における前記対象物までの距離の２乗に比例する大きさで前記対象物の位置が奥行方向に変化するパラメータと、前記奥行方向における前記対象物までの距離に比例する大きさで前記対象物の位置が奥行方向に変化するパラメータと、を含むことを特徴とする請求項７に記載の算出方法。
13. 前記乗数は２乗であることを特徴とする請求項２、５又は８に記載の算出方法。
14. 前記基準部材は、３つ以下のマークを含むことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の算出方法。
15. 前記基準部材は、３つのマークを含むことを特徴とする請求項１４に記載の算出方法。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の算出方法を用いて対象物の位置を算出する工程と、
    算出された位置に基づいて、前記対象物に対する処理を行うことにより、物品を製造することを特徴とする物品の製造方法。
17. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の算出方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
18. 対象物の位置を算出する情報処理装置であって、
    三次元計測装置を用いて基準部材を計測した計測結果を用いて、前記三次元計測装置の計測範囲の奥行方向における前記基準部材の第１位置計測値を算出し、
    前記三次元計測装置を用いて前記基準部材と前記対象物を計測した計測結果を用いて、前記奥行方向における前記基準部材の第２位置計測値と、前記奥行方向及び前記奥行方向に対して直交する直交方向における前記対象物の第１位置を算出する処理部を有し、
    前記処理部は、
    前記対象物の第１位置に対して、
    前記基準部材の第１位置計測値と第２位置計測値を用い、前記奥行方向における位置に応じて異なる大きさの誤差を補正し、
    前記基準部材の第１位置計測値と第２位置計測値を用いて、前記奥行方向における位置によって変化しない前記直交方向における位置の補正値で補正することにより、
    前記奥行方向及び前記直交方向における補正後の前記対象物の位置を算出することを特徴とする情報処理装置。
19. 対象物を計測する三次元計測部と、
    前記三次元計測部による計測データの演算処理を行い、前記対象物の位置を求める、請求項１８に記載の情報処理装置と、を有することを特徴とするシステム。
20. 更に、対象物を移動させるロボットを有することを特徴とする請求項１９に記載のシステム。

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