WO2021111868A1 - ロボット用の座標系アライメント方法及びアライメントシステム並びにアライメント装置 - Google Patents

ロボット用の座標系アライメント方法及びアライメントシステム並びにアライメント装置 Download PDF

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WO2021111868A1
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space coordinate
measuring instrument
operating space
robot
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PCT/JP2020/042870
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勇政 坪井
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ジック株式会社
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    • G05B2219/39045—Camera on end effector detects reference pattern

Definitions

  • the present invention relates to a technique for aligning a coordinate system as a reference for controlling the movement of a robot that executes a predetermined movement with respect to an object and a coordinate system of a three-dimensional measuring instrument attached to the robot.
  • An industrial robot is used on the factory production line to improve the efficiency of product assembly and processing.
  • An industrial robot includes an arm whose tip can be moved three-dimensionally, and a jig attached to the tip to perform a predetermined treatment on an object to be processed. Further, a three-dimensional measuring instrument is attached to the tip of the arm, and for example, the object to be processed is three-dimensionally measured by an optical cutting method to specify the position and orientation thereof.
  • the coordinate system of the industrial robot is set in advance by the manufacturer at the time of manufacturing, etc., and the operation of the arm is controlled based on the coordinate system.
  • the three-dimensional measuring instrument outputs a measurement result based on the coordinate system of the three-dimensional measuring instrument itself. Therefore, in order to move the jig to the position of the object to be processed whose position and orientation are specified by the 3D measuring instrument, the coordinate system of the robot and the coordinate system of the 3D measuring instrument are aligned (aligned). Or it is also called calibrating).
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a technique capable of easily aligning a robot coordinate system even if the person is not an expert.
  • the first aspect of the present invention made to solve the above problems is that the robot coordinate system, which is the coordinate system of the robot for moving the operating point three-dimensionally, and the optical cutting method can be executed.
  • This is a method of aligning the coordinate system of a three-dimensional measuring instrument whose position and orientation with respect to the operating point are invariant.
  • the first reference point located at the origin in the operating space coordinate system, which is the coordinate system of the operating space of the operating point, and the second reference point and the third reference point located on two straight lines orthogonal to the first reference point, respectively.
  • each side is parallel to each of the three orthogonal axes.
  • a rectangular parallelepiped reference object fixed to the above is irradiated with a sheet-shaped slit light from the three-dimensional measuring instrument to acquire a projection line to the reference object by the slit light. Based on the profile of the projection line, the posture of the three-dimensional measuring instrument with respect to the reference object is obtained. It is characterized by having a step of moving the three-dimensional measuring instrument so that the posture of the three-dimensional measuring instrument falls within a predetermined reference posture range.
  • the above posture means an inclination or orientation with respect to a reference such as an axis of a coordinate system or a predetermined surface.
  • a three-dimensional measuring instrument capable of performing the optical cutting method is a three-dimensional measuring instrument that irradiates an object with slit light whose attitude with respect to the coordinate system of the measuring instrument is known, and data of projection lines on each surface of the object by the slit light. Refers to a measuring instrument capable of acquiring information on the three-dimensional shape of the object. Further, the operating space refers to a space in which the operating point of the robot operates.
  • the operating point of the robot is moved to each of the third reference points, the position of each reference point is taught, and the relationship between the robot coordinate system and the operating space coordinate system is determined. That is, the first reference point and the second reference point define the first axis of the operating space coordinate system, the first reference point and the third reference point define the second axis, and further, they are orthogonal to these two axes.
  • a third axis is defined as the axis.
  • each side is parallel to each of the three orthogonal axes.
  • a fixed rectangular parallelepiped reference object is irradiated with slit light from a three-dimensional measuring instrument, and projection lines on each surface of the reference object by the slit light are acquired.
  • the posture of the three-dimensional measuring instrument with respect to the reference object is obtained based on the acquired profile of the projection line.
  • the profile of this projection line includes the length of the projection line on the upper surface of the reference object, and the projection line on the upper surface of the reference object and the projection on the surface of the plate-like member (the surface on which the reference object is placed).
  • the three-dimensional measuring instrument is moved so that the posture of the three-dimensional measuring instrument falls within a predetermined reference posture range. A specific method for obtaining the attitude of the three-dimensional measuring instrument from the profile of the projection line will be described later.
  • the reference object is arranged on a plane including the two axes of the operating space coordinate system (this is referred to as the X axis and the Y axis) so as to be parallel to the Z axis.
  • the sheet-shaped slit light has a width in the X'axis direction of the measuring instrument coordinate system and is irradiated in the Z'axis direction, and the posture of the three-dimensional measuring instrument becomes substantially parallel to the reference object (that is,).
  • the reference posture range is set so that the three axes of the robot coordinate system and the measuring instrument coordinate system are substantially parallel to each other will be described.
  • the length of the slit light emitted to the upper surface of the reference object is a predetermined value based on the height of the reference object.
  • these projection lines are parallel to the X'axis of the 3D instrument.
  • the measuring instrument coordinate system is tilted with respect to the operating space coordinate system around one axis (this is defined as the Y axis) in the plane, the projection line on the upper surface of the reference object and the surface of the plate-shaped member (reference).
  • the inclination of the projection line to the plane on which the object is fixed) with respect to the X'axis of the 3D measuring instrument becomes large.
  • a cutting line irradiated with slit light may appear on the side surface of the reference object.
  • the greater the tilt of the measuring instrument coordinate system with respect to the operating space coordinate system around another horizontal axis (this is the X axis), the more the projection line on the upper surface of the reference object and the surface of the plate-like member. The distance between the projection lines to is increased. Therefore, from this information, the posture of the three-dimensional measuring instrument with respect to the reference object (in this example, the inclination of the axis of the measuring instrument coordinate system with respect to each of the three axes of the operating space coordinate system) can be obtained.
  • the three-dimensional measuring instrument is moved so that all the inclinations are lower than the threshold value.
  • the user operates the controller while visually recognizing the posture of the three-dimensional measuring instrument with respect to the reference object to move the three-dimensional measuring instrument so as to be parallel to the reference object, and the inclination is set at that position. This can be done by confirming that all of them are below the above threshold.
  • the posture of the three-dimensional measuring instrument can be set within the reference posture range (in this example, the direction in which the three sides of the reference object extend and the three axes of the measuring instrument coordinate system are parallel).
  • the alignment method according to the first aspect of the present invention does not need to perform matrix operations using a programming language, it is possible to easily align the robot coordinate system even if the person is not an expert.
  • the above alignment method is, for example, a three-dimensional measuring instrument so as to have a predetermined reference posture with respect to a rectangular parallelepiped reference object arranged so that each side is parallel to each of the three orthogonal axes of one operating space coordinate system.
  • the posture of the object is determined, and the object is three-dimensionally measured at the position and the posture. That is, in the above alignment method, one position and orientation of the three-dimensional measuring instrument are determined with respect to one operating space coordinate system, and the three-dimensional measurement data of the object is acquired at the position and orientation.
  • the object to be assembled or processed on the production line of a factory has a three-dimensional shape, and there is a shadowy part just by acquiring the three-dimensional measurement data of the object at one position and posture. It exists and it is not possible to obtain information on the shape of the object for that part. Therefore, it is required to acquire information on the shape of the object from a plurality of directions.
  • a reference operating space coordinate system and a reference operating space coordinate system are set.
  • the operating point is moved between the origin of the reference operating space coordinate system and the origin of the reference operating space coordinate system to obtain translational displacement and rotational displacement.
  • a transformation matrix for converting the reference operating space coordinate system into the reference operating space coordinate system is obtained.
  • the three-dimensional measuring instrument is moved so that the posture of the three-dimensional measuring instrument falls within the predetermined reference posture range, and the object is three-dimensional.
  • Get measurement data The object acquired in the reference space coordinate system by converting the three-dimensional measurement data of the object acquired in the reference operation space coordinate system into the three-dimensional measurement data of the reference operation space coordinate system using the conversion matrix. It is preferable to configure it so as to integrate it with the three-dimensional measurement data of the object.
  • the reference operating space coordinate system and the reference operating space coordinate system are set. Then, the motion point of the robot is moved between the origins of both coordinate systems, the translational displacement and the rotational displacement due to the movement are acquired, and the reference motion space coordinate system is converted into the reference motion space coordinate system based on the displacement. Find the matrix. After that, the three-dimensional measurement data of the object is acquired by the three-dimensional measuring instrument in each of the reference motion space coordinate system and the reference motion space coordinate system, and the three-dimensional measurement acquired in the reference motion space coordinate system using the above conversion matrix. The data is converted into 3D measurement data of the reference operating space coordinate system and integrated.
  • the object can be three-dimensionally measured at a plurality of positions and postures, and information on the shape of the object without a shaded portion can be obtained.
  • the movable range of the operating point of the robot is determined by the length of the arm, and if the object is large with respect to the robot, the arm cannot reach the opposite side of the object with only one robot, and a part of the object cannot be reached. It may not be possible to acquire 3D measurement data.
  • a plurality of operating space coordinate systems are set, which are the plurality of the operating space coordinate systems, one of which is common to the operating space coordinate system set for at least one other robot.
  • One of all the motion space coordinate systems set in the plurality of robots is the reference motion space coordinate system, and the other is the reference motion space coordinate system.
  • a transformation matrix for converting the reference motion space coordinate system to the reference motion space coordinate system is created.
  • Three-dimensional measurement data of the object is acquired in each of the plurality of operating space coordinate systems set for each of the plurality of robots.
  • the three-dimensional measurement data of the object acquired in the reference motion space coordinate system may be converted into the three-dimensional measurement data of the reference motion space coordinate system and integrated.
  • the three-dimensional shape information since the three-dimensional measurement data of the object is acquired by using a plurality of robots, the three-dimensional shape information has no shadow even when the object is larger than the robot. Can be obtained.
  • a fourth aspect of the present invention made to solve the above problems is that the robot coordinate system, which is the coordinate system of the robot for moving the operating point three-dimensionally, and the optical cutting method can be executed.
  • An operating space coordinate system setting unit that determines the relationship between the operating space coordinate system and the robot coordinate system by moving the operating point to a point and teaching the position of each reference point.
  • each side is parallel to each of the three orthogonal axes.
  • a projection line acquisition unit that irradiates a rectangular parallelepiped reference object fixed to the above with a sheet-shaped slit light from the three-dimensional measuring instrument and acquires a projection line to the reference object by the slit light.
  • a measuring instrument posture calculation unit that obtains the posture of the three-dimensional measuring instrument with respect to the reference object based on the profile of the projection line. It is characterized by including a measuring instrument moving unit for moving the three-dimensional measuring instrument.
  • the alignment system has the fourth aspect described above.
  • the operating space coordinate system setting unit sets the reference operating space coordinate system and the reference operating space coordinate system as the operating space coordinate system.
  • a displacement acquisition unit that moves the operating point between the origin of the reference operating space coordinate system and the origin of the reference operating space coordinate system to acquire translational displacement and rotational displacement.
  • a transformation matrix calculation unit that obtains a transformation matrix that converts the reference motion space coordinate system into the reference motion space coordinate system based on the translational displacement and the rotational displacement.
  • the three-dimensional measuring instrument is moved by the measuring instrument moving unit so that the posture of the three-dimensional measuring instrument falls within the predetermined reference posture range.
  • the 3D measurement data acquisition unit that acquires the 3D measurement data of the object, The object acquired in the reference space coordinate system by converting the three-dimensional measurement data of the object acquired in the reference operation space coordinate system into the three-dimensional measurement data of the reference operation space coordinate system using the conversion matrix. It may be equipped with a three-dimensional measurement data integration unit that integrates with the three-dimensional measurement data of an object.
  • the alignment system according to the sixth aspect of the present invention further comprises the fifth aspect. Equipped with multiple robots
  • the operating space coordinate system setting unit is common to a plurality of the operating space coordinate systems set for each of the plurality of robots, one of which is set for at least another robot.
  • a plurality of operating space coordinate systems are set, and one of the operating space coordinate systems set for the plurality of robots is set as the reference operating space coordinate system, and the other is set as the reference operating space coordinate system.
  • the transformation matrix calculation unit creates a transformation matrix that converts the reference motion space coordinate system into the reference motion space coordinate system among the coordinate systems set in the plurality of robots.
  • the three-dimensional measurement data integration unit acquires three-dimensional measurement data of the object in each of the plurality of operating space coordinate systems set for each of the plurality of robots.
  • the three-dimensional measurement data integration unit may convert the three-dimensional measurement data of the object acquired in the reference motion space coordinate system into the three-dimensional measurement data of the reference motion space coordinate system and integrate the data. it can.
  • a seventh aspect of the present invention made to solve the above problems is the operation of the operating point associated with the robot coordinate system, which is the coordinate system of the robot for moving the operating point three-dimensionally.
  • a projection line acquisition unit that irradiates a rectangular parallelepiped reference object fixed to the reference object with a sheet-shaped slit light from the three-dimensional measuring instrument and acquires a projection line to the reference object by the slit light.
  • a measuring instrument posture calculation unit that obtains the posture of the three-dimensional measuring instrument with respect to the reference object based on the profile of the projection line. It is characterized by having.
  • the robot coordinate system can be easily aligned even by a non-expert.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a robot system including a coordinate system alignment device for a robot and a first embodiment of the alignment system according to the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a robot system including a second embodiment of a coordinate system alignment device and an alignment system for a robot according to the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a robot system including a third embodiment of a coordinate system alignment device and an alignment system for a robot according to the present invention.
  • the flowchart regarding the 3rd Example of the coordinate system alignment method for a robot which concerns on this invention.
  • the figure explaining the relationship of the operation space coordinate system in 3rd Example The figure explaining the relationship between the arrangement of the robot and the operating space coordinate system in the modification of the 3rd Example.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of a robot system 1 including a coordinate system alignment system and device for a robot according to the first embodiment (hereinafter, referred to as “alignment system” and “alignment device”).
  • the robot system 1 of the first embodiment includes a robot 2 and a controller 3 for operating the robot 2.
  • the robot 2 includes an arm portion 21 provided with an operating point 20 at the tip thereof, a linear motion mechanism 22a to 22c for three-dimensionally moving the arm portion 21, and a rotation mechanism 23a to 23c.
  • the linear motion mechanisms 22a to 22c and the rotation mechanisms 23a to 23c operate under the control of the controller 3.
  • the controller 3 has an operating space coordinate system setting unit 31 as a functional block for determining the relationship between the operating space coordinate system and the robot coordinate system by teaching described later.
  • a three-dimensional sensor 4 is detachably attached in the vicinity of the operating point 20 of the arm portion 21.
  • the three-dimensional sensor 4 includes a slit light irradiation unit 41 that irradiates an object with slit light, and an area sensor 42 that captures a projection line of the slit light onto the object.
  • the measuring instrument coordinate system is defined in these, and as shown in FIG. 3, the light irradiation unit 41 is arranged in a state of being tilted by an angle ⁇ 1 with respect to the X'-Z'plane of the measuring instrument coordinate system, and is an area.
  • the sensor 42 is arranged on the side opposite to the slit light irradiation unit 41 with the X'-Z'plane in between, at an angle of ⁇ 2 with respect to the same plane.
  • ⁇ 1 in the first embodiment is 0, this is not an essential requirement for the present invention, and as long as the angle of ⁇ 1 is known, how the projection line to the object can be applied to the area sensor 42. You can figure out if you can catch it. Therefore, the processing described below can be performed by an appropriate arithmetic processing based on the known angle.
  • the slit light irradiation unit 41 is arranged on an X'-Z'plane, and slit light is emitted along the X'-Z'plane (slit light having a width in the X'axis direction is emitted in the Z'axis direction. Irradiate the object (towards).
  • ⁇ 2 is set to an appropriate angle in the range of, for example, 30 ° to 40 °.
  • aberrations and depth aberrations (aberrations caused by the perspective method within the angle of view when the camera is oriented in an oblique direction) caused by the lens included in the optical system of the sensor 4 are detected. Use the one to correct. As a result, accurate measurement is performed in the optical cutting method described later, and the alignment accuracy of the coordinate system is improved.
  • the three-dimensional sensor 4 is further provided with a control / processing unit 43.
  • the control / processing unit 43 includes a projection line acquisition unit 432, a measuring instrument posture calculation unit 433, and a coordinate system shift unit 434 as functional blocks.
  • the control / processing unit 43 of the first embodiment is configured as an arithmetic processing mechanism incorporated inside the three-dimensional sensor 4. Further, the control / processing unit 43 is connected to an input unit 45 for the user to give an appropriate input instruction and a display unit 46 for displaying the measurement result or the like via a predetermined communication interface 44. There is.
  • the control / processing unit 43 may also be configured by a portable terminal or the like provided separately from the three-dimensional sensor 4 and capable of communicating with the three-dimensional sensor 4.
  • the alignment jig 5 includes a plate-shaped member 51 and a block 52 fixed on the plate-shaped member 51.
  • the upper surface of the plate-shaped member 51 is a plane including two axes (X-axis and Y-axis) of the operating space coordinate system, which is the coordinate system of the space in which the operating point 20 of the robot 2 is operated. It is fixed in the matching position.
  • a reference point A is set at a position on the upper surface of the plate-shaped member 51 corresponding to the origin of the operating space coordinate system
  • a reference point B is set at a predetermined position on the X axis of the operating space coordinate system
  • Y of the operating space coordinate system is set.
  • a reference point C is set at a predetermined position on the axis. That is, the reference points A and B define the X-axis direction of the operating space coordinate system, and the reference points A and C define the Y-axis of the operating space coordinate system.
  • the size of the block 52 is W (mm) in the X-axis direction, L (mm) in the Y-axis direction, and H (mm) in the Z-axis direction.
  • the length of the block 52 in the X-axis direction is preferably as long as possible within the field of view of the area sensor 42. As a result, the projection line of the slit light reflected on the upper surface of the block 52 becomes longer when the process described later is performed, and the accuracy when determining the posture of the three-dimensional sensor 4 with respect to the block 52 becomes higher.
  • the length of the block 52 in the Y-axis direction is, for example, 10 to 100 mm, and may be appropriately determined in consideration of the size of the robot and the like.
  • the projection line of the slit light parallel to one side of the block 52 (the side parallel to the X-axis of the operating space coordinate system) when the block 52 is irradiated with the slit light? It becomes easier to visually recognize whether or not. If the Y-axis direction of the block 52 is made too short, the projection line of the slit light crosses one side of the block 52 (the side parallel to the X axis of the operating space coordinate system), and the projection line crossing the upper surface of the block 52 is formed. It becomes difficult to obtain.
  • a jig with a sharp tip as much as possible may be used in order to accurately position the operating point, but if a jig with a sharp tip is used, diffuse reflection of light occurs. It was easy, and it was sometimes difficult to take an image when confirming the positional relationship between the operating point and the tip of the jig.
  • the coordinate system since the coordinate system is aligned by the method and device described later, it is not necessary to use a jig with a sharp tip, and a rectangular parallelepiped block 52 may be used, so diffuse reflection does not occur. , The projection line and the like, which will be described later, are easily and accurately imaged.
  • the surface of the block 52 is subjected to a matte treatment to suppress diffused reflection of light.
  • a matte treatment for example, one made of matte alumite can be preferably used.
  • the block 52 is arranged parallel to the three axes of the operating space coordinate system so that the center of the bottom surface of the block 52 is located at a predetermined coordinate in the operating space coordinate system. In this way, the alignment jig is installed (step 1. see FIG. 5).
  • the controller 3 moves the arm portion 21, moves the operating point 20 to the reference point A, and teaches the robot 2 the position of the reference point A.
  • the operating points 20 are also moved to the reference points B and C, and their positions are taught to the robot 2 (step 2).
  • the user may operate the controller 3 by himself / herself, or the operating point 20 may be moved to each reference point by the operating space coordinate system setting unit 31.
  • the operation space coordinate system setting unit 31 registers the coordinates of the reference points A, B, and C in the operation space coordinate system in the robot 2, and the robot coordinates registered in advance (for example, at the time of shipment) in the robot 2. Determine the relationship between the system and the operating space coordinate system. In this way, the operating space coordinate system is set in the robot 2 (step 3).
  • the arm portion 21 is moved by the controller 3 and the three-dimensional sensor 4 is positioned above the block 52 as shown in FIG. 5 (step 4).
  • the robot 2 other than the arm portion 21 is not shown.
  • the slit light irradiation unit 41 irradiates the block 52 with slit light (step 5), and the area sensor 42 acquires a projection line to the block 52 (step 6).
  • the slit light in the first embodiment is light having a width in one axis (X'axis) direction of the measuring instrument coordinate system that is a reference of the output signal of the three-dimensional sensor 4, and is another one axis (X'axis) of the measuring instrument coordinate system. It is emitted in the Z'axis) direction. That is, it is a sheet-shaped slit light along the X'-Z'plane of the measuring instrument coordinate system (see FIG. 6).
  • the three-dimensional sensor 4 of the first embodiment corrects aberrations and depth aberrations (aberrations caused by the perspective method within the angle of view when the camera is oriented in an oblique direction) caused by a lens included in the optical system of the sensor 4. To do. Specifically, it is specified at which position of the two-dimensionally arranged pixels the slit light is incident, and then the position is corrected by calibration. Then, the profile of the projection line is acquired from the position of the corrected pixel.
  • the three sides of the block 52 are arranged parallel to the three axes of the operating space coordinate system, and the slit light is a sheet-like light along the X'-Z'plane. Therefore, if the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the operating space coordinate system and the X'-axis, Y'-axis, and Z-axis of the measuring instrument coordinate system are parallel to each other, the upper surface of the block 52 can be reached.
  • the projection line is the same as the length W of one side parallel to the X axis of the block 52.
  • the distance between the projection line on the upper surface of the block 52 and the projection line on the plate-shaped member 51 is the height H of the block 52 (and the area sensor 42 of the three-dimensional sensor 4 sets the block and the plate-shaped member 51. It depends on the angle of capture).
  • FIG. 6 shows a state in which slit light is irradiated from an oblique direction with reference to the jig 5 (plate-shaped member 51 and block 52).
  • the projection lines are shown by making these angles larger than they actually are.
  • FIG. 7 is a display example created based on the projection line measured by the area sensor 42.
  • the area sensor 42 is arranged at a position tilted by an angle ⁇ 2 with respect to the X'-Z'plane, and the projection line is photographed from diagonally above. Therefore, the distance between the projection line on the upper surface of the block 52 and the projection line on the plate-shaped member 51 captured by the area sensor 42 is shorter than the actual distance. Therefore, the projection line acquisition unit 432 corrects the distance based on the arrangement of the slit light irradiation unit 41 and the area sensor 42 (angles ⁇ 1 and ⁇ 2 with respect to the X'-Z'plane) and the actually measured distance. And find the measured value h. On the other hand, the length of the projection line on the upper surface of the block 52 is taken as the measured value w as it is. Then, as shown in FIG. 7, the measured values w and h are displayed on the display unit 46.
  • the measuring instrument coordinate system passes through one end of the projection line on the upper surface of the block 52 (the bending point of the projection line when the projection line on the side surface of the block 52 is also photographed).
  • the angle formed by the straight line parallel to the Z'axis and the straight line passing through one end and parallel to the Z axis of the operating space coordinate system is ⁇ , and one direction (horizontal direction) of the angle of view of the area sensor 42 and the area sensor 42.
  • the angle formed by the projection line captured in 1 is defined as ⁇
  • the angle formed by the projection line on the upper surface of the block 52 and the straight line passing through one end of the projection line and parallel to the X axis of the operating space coordinate system is defined as ⁇ .
  • the measuring instrument posture calculation unit 433 calculates the above angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ from the projection line profile as described above (step 7), and displays each angle on the screen of the display unit 46.
  • the measuring instrument posture calculation unit 433 determines whether all of these values are equal to or less than a predetermined value (predetermined value) (step 8).
  • predetermined value is set to a value at which each axis of the operating space coordinate system and each axis of the measuring instrument coordinate system can be regarded as substantially parallel to each other.
  • the predetermined value is, for example, 0.2 degrees. If the angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ are all equal to or less than the predetermined values (YES in step 8), the process proceeds to step 10 described later.
  • step 8 if any of the angles exceeds a predetermined value (NO in step 8), the user adjusts the posture of the three-dimensional sensor 4 using the controller 3 (step 9). Then, returning to step 5, the block 52 is irradiated with slit light again, the angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ are calculated and displayed on the display unit 46, and it is determined whether all of them are equal to or less than a predetermined value ( Steps 5-8). These processes are repeated until the angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ are all equal to or less than a predetermined value. In the first embodiment, each time the angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ are calculated, those values are displayed on the display unit 46.
  • the user confirms the angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ , and operates with the coordinates of the measuring instrument. It is possible to intuitively grasp how much the spatial coordinates are deviated. It is also possible to determine to what extent it is necessary to match both coordinates while checking the change in the value and considering the accuracy required for the work to be performed using the robot 2. ..
  • the coordinate system shift unit 434 directs the slit light from the three-dimensional sensor to the Y'axis (operating space coordinate system and measuring instrument coordinate system). Scan in the direction (substantially the same as the Y axis because they are parallel to each other) to acquire the three-dimensional measurement data of the entire block 52, and position the block 52 at a predetermined position (for example, on the XY plane of the operating space coordinate system). The coordinate position of the bottom surface of the block 52) in the measuring instrument coordinate system is obtained (step 10).
  • the difference (shift amount) is obtained by comparing with the predetermined position coordinate position of the block 52 in the operating space coordinate system (step 11). Finally, the measuring instrument coordinate system and the operating space coordinate system are matched by shifting the measuring instrument coordinate system by the magnitude of the shift amount.
  • the robot system 100 of the second embodiment includes a control / processing device 6 in addition to the configuration of the alignment system 1 of the first embodiment.
  • the control / processing device 6 is provided so as to be able to communicate with the robot 2, the three-dimensional sensor 4, and the controller 3.
  • the control / processing device 6 has a displacement acquisition unit 621, a transformation matrix creation unit 622, a three-dimensional measurement data acquisition unit 623, and three-dimensional measurement data integration as functional blocks.
  • the unit 624 is provided.
  • the substance of the control / processing device 6 is, for example, a general personal computer, and each of the above functional blocks is embodied by executing the pre-installed three-dimensional measurement data processing program 62.
  • the control / processing unit 43 and the control / processing device 6 of the three-dimensional sensor 4 are provided respectively, but a part or all of the functions of the control / processing unit 43 of the three-dimensional sensor 4 are controlled / processed.
  • the configuration incorporated in 6 can also be adopted.
  • one position and orientation of the three-dimensional sensor 4 are determined for one operating space coordinate system, and measurement data is acquired in three dimensions of the object at the position and orientation. Therefore, when the object has a three-dimensional shape, the portion on the opposite side of the three-dimensional sensor 4 across the object is shaded, and that portion cannot be measured three-dimensionally.
  • the user first sets a plurality of operating space coordinate systems corresponding to the postures of the robot 2 by the same procedure as in the first embodiment. These plurality of operating space coordinate systems are set so that the part that is shaded in the three-dimensional measurement in the first embodiment can also be three-dimensionally measured. Then, one of these plurality of operating space coordinate systems is used as the reference operating space coordinate system, and the other operating space coordinate systems are used as the reference operating space coordinate system (step 21).
  • two reference operating space coordinate systems first reference operating space coordinate system and second reference operating space coordinate system
  • the reference operating space coordinate system is referred to as ⁇ A
  • the first reference operating space coordinate system is referred to as ⁇ B
  • the second reference operating space coordinate system is referred to as ⁇ C.
  • the number of reference operating space coordinate systems may be one or three or more.
  • the three-dimensional sensor 4 is subjected to the same procedure as in the first embodiment.
  • the position and posture are determined (step 22).
  • a T B is a homogeneous transformation matrix, and can be represented by the following matrix including the rotation transformation B R A and the translation B P A as elements.
  • the translational displacement and the rotational displacement in the reference operating space coordinate system ⁇ A when the operating point 20 is at the origin of the reference operating space coordinate system ⁇ B are acquired.
  • the transformation matrix creation unit 622 creates a homogeneous transformation matrix A T B based on these translational displacements and rotational displacements (step 24). This homogeneous transformation matrix A T B transforms the coordinates in the reference operating space coordinate system ⁇ B into the coordinates in the reference operating space coordinate system ⁇ A.
  • homogeneous transformation matrix A T C is obtained for converting the second reference operating space coordinate system sigma C in standard operating space coordinate system sigma A ..
  • the three-dimensional measurement data acquisition unit 623 performs three-dimensional measurement of the object in each of the reference operating space coordinate system ⁇ A , the first reference operating space coordinate system ⁇ B , and the second reference operating space coordinate system ⁇ C. Acquire the data (step 25). Then, the three-dimensional measurement data integration unit 624 inputs the three-dimensional measurement data of the object in the first reference operating space coordinate system ⁇ B and the second reference operating space coordinate system ⁇ C , respectively, into the same-order conversion matrices A T B and A. It is converted into three-dimensional measurement data of the reference operating space coordinate system ⁇ A by T C (step 26, FIG. 11).
  • the three-dimensional measurement data integration unit 624 integrates the three-dimensional measurement data of the object in the reference operating space coordinate system ⁇ A thus obtained and the three-dimensional measurement data of the object acquired in the reference operating space coordinate system ⁇ A (Ste 27), the display is displayed on the screen of the display unit 66 (step 28).
  • the user can confirm the shape of the object from an arbitrary direction by rotating the three-dimensional measurement data of the object displayed on the screen of the display unit 66 by an appropriate operation through the input unit 65. it can.
  • FIG. 12 shows the result of integrating the three-dimensional measurement data of the object acquired by the three-dimensional sensor 4 at the positions and orientations corresponding to the three different operating space coordinate systems.
  • FIG. 12 (a) is an optical image of the object
  • FIG. 12 (b) is the result of integrating the three-dimensional measurement data of the object acquired in three different coordinate systems.
  • the motion point 20 of the robot 2 is moved between the origin of the reference motion space coordinate system and the origin of the reference motion space coordinate system to acquire translational displacement and rotational displacement, and the reference motion is based on the displacement.
  • the technique described in Patent Document 2-4 has been conventionally proposed.
  • the resolution of the three-dimensional measurement data may decrease due to, for example, shear deformation or scaling.
  • the operating space coordinate system is set by using the alignment jig 5 as in the first embodiment. Therefore, unlike Patent Document 2-4, shear deformation and scaling do not occur, and three-dimensional measurement data can be easily integrated while maintaining high resolution and accuracy.
  • the robot system 200 of the third embodiment includes a plurality of robots 2a and 2b, controllers 3a and 3b that control the operations of the robots 2a and 2b, and a control / processing device 7.
  • the robots 2a and 2b and the controllers 3a and 3b have the same configurations as the robots 2 and the controller 3 in the first and second embodiments.
  • the control / processing device 7 has the same configuration and functional blocks as the control / processing device 6 in the second embodiment.
  • the configuration is provided with two robots for the sake of simplicity, but a system including three or more robots 2 may be used.
  • the movable range of the operating point 20 of the robot 2 in the second embodiment is determined by the lengths of the linear motion mechanisms 22a to 22c for moving the arm portion 21, and if the object is larger than the robot 2, only one robot 2 is used. Then, the arm may not reach the opposite side of the object, and it may not be possible to acquire three-dimensional measurement data of a part of the object. Further, in a system using only one robot 2, it is not possible to obtain three-dimensional measurement data of an object from a plurality of directions at the same time.
  • three-dimensional measurement data of the object is acquired by using a plurality of robots 2.
  • the operation of each part and the flow of data processing in the third embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. Descriptions of operations and processes common to those of the first embodiment or the second embodiment will be omitted as appropriate.
  • the connected motion space coordinate system ⁇ A and the reference motion space coordinate system ⁇ B are set.
  • the connected motion space coordinate system ⁇ A and the reference motion space coordinate system ⁇ C are set. That is, a connected motion space coordinate system common to the plurality of robots 2 is set, and a unique reference motion space coordinate system is set for each robot 2 (step 31; see FIG. 15).
  • the connected operating space coordinate system ⁇ A corresponds to the reference operating space coordinate system in the third and sixth aspects of the present invention.
  • the connected operating space coordinate system ⁇ A and the reference operating space coordinate system ⁇ B may be the same coordinate system.
  • step 32 the position and orientation of the three-dimensional sensor 4 in each operating space coordinate system are determined by the same procedure as in the first embodiment (step 32).
  • the homogeneous transformation matrix for converting the reference motion space coordinate systems ⁇ B and ⁇ C set in the robots 2a and 2b into the connected motion space coordinate system ⁇ A is obtained by the same procedure as in the second embodiment (step 33). ).
  • the three-dimensional measurement data of the object is acquired in the reference motion space coordinate systems ⁇ B and ⁇ C in each of the robots 2a and 2b (step 34). Then, the three-dimensional measurement data of the object in the reference motion space coordinate system ⁇ B and ⁇ C are converted into the three-dimensional measurement data of the connected motion space coordinate system ⁇ A by the same-order transformation matrices A T B and A T C , respectively. (Step 35. FIG. 15).
  • different robot 2a, the three-dimensional measurement data of the acquired object in a three-dimensional sensor 4 attached to 2b can be integrated with three-dimensional measurement data of the object in the reference operation space coordinate system sigma A (Step 36 ).
  • the integrated data is displayed on the screen of the display unit 66 (step 37).
  • the third embodiment since a plurality of robots 2a and 2b are used, it is possible to acquire the three-dimensional measurement data of the entire large object without being restricted by the length of the arm of the robot 2.
  • three-dimensional measurement data of the object can be obtained from a plurality of directions at the same time.
  • connection operation space coordinate system ⁇ A is set for the two robots 2, but when the object to be transported is measured by the three-dimensional sensors 4 attached to many robots 2, all the robots. It may be difficult to set the connection operation space coordinate system common to 2.
  • the connection operation space coordinate system common to 2.
  • FIG. 16 shows a robot system 300 of a modified example of the third embodiment.
  • the object 9 conveyed by the belt conveyor 8 is monitored.
  • a plurality of robots 2a, 2b ... Are arranged along the transport direction of the object 9 on one side of the belt conveyor 8, and a plurality of robots 2e, 2f ... Are arranged on the other side.
  • the connected operating space coordinate system ⁇ A is set for the robot 2a. Further, the connected operation space coordinate system ⁇ A and the reference operation space coordinate system ⁇ B are set in the robot 2b. For the robot 2c and below, the connected motion space coordinate system and the reference motion space coordinate system common to the adjacent robots 2 are set. Further, the connected operating space coordinate system ⁇ A and the reference operating space coordinate system ⁇ E are set in the robot 2e located on the opposite side of the robot 2a with the belt conveyor 8 in between. For the robot 2f and below, the connected motion space coordinate system and the reference motion space coordinate system common to the adjacent robots 2 are set.
  • these coordinate systems can be transformed with each other using the corresponding linear transformation matrices.
  • the three-dimensional measurement data acquired in the reference motion space coordinate system ⁇ F of the robot 2f is converted in order by two homogeneous transformation matrices E T F and A T E to obtain the reference motion space coordinates. It can be converted into 3D measurement data of system ⁇ A.
  • the three-dimensional measurement data of the object 9 acquired in all the reference motion space coordinate systems is used in the reference motion space coordinate system ⁇ A by using one or more homogeneous transformation matrices. Convert to 3D measurement data and combine them. This makes it possible to monitor an object 9 that moves due to transportation or the like in a wide range.
  • the jig 5 was used to determine the shift amount of both coordinate systems, and even the process of shifting and matching the same coordinate system was performed, but these processes are not essential.
  • the process of adding (or subtracting) the above shift amount to the position acquired in the measuring instrument coordinate system to convert it to the position in the operating space coordinate system is actually operated. You may go every time.
  • another jig is placed, and the predetermined jig is specified in each of the operating space coordinate system and the measuring instrument coordinate system.
  • the shift amount can also be obtained from the difference in the coordinates of the positions.
  • the jig used to obtain the shift amount does not necessarily have to be a rectangular parallelepiped shape, and a jig having an appropriate shape capable of defining the predetermined position can be used.
  • a jig having an appropriate shape capable of defining the predetermined position can be used.
  • the cylindrical block when it is difficult to accurately measure the shape of the edge portion when acquiring the entire profile of the rectangular parallelepiped block 52, it is preferable to use the cylindrical block.
  • the jig used for calculating the shift amount is not limited to the block, and the coordinates of the center located on the XY plane and the height from the center are known, and the three-dimensional measurement data is measured by the three-dimensional sensor 4. Can be used as appropriate.
  • the second and third embodiments when integrating the three-dimensional measurement data of the object by the optical cutting method using a measuring instrument such as a three-dimensional sensor attached to the robot, a complicated calculation as in the conventional case is performed.
  • the operator can integrate the three-dimensional measurement data acquired in different coordinate systems in a simple process without the need for a program.

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Abstract

ロボット座標系と計測器座標系をアライメントするシステムにおいて、動作空間座標系の原点に位置する第１基準点A、該第１基準点を通る直交2直線上の第２基準点B、及び第３基準点Cの位置をティーチングして動作空間座標系とロボット座標系の関係を決定する動作空間座標系設定部３１と、動作空間座標系を規定する直交三軸の二軸が載る平面に平行に配置された板状部材５１に該直交三軸に対して各辺が平行になるように固定された参照物体５２に三次元計測器４からスリット光を照射して投映線を取得する投映線取得部４３２と、投映線のプロファイルに基づいて参照物体５２に対する三次元計測器３０の姿勢を求める計測器姿勢算出部４３３と、三次元計測器４を移動させる計測器移動部３を備える。

Description

ロボット用の座標系アライメント方法及びアライメントシステム並びにアライメント装置
　本発明は、対象物に対して所定の動作を実行するロボットの動作を制御する基準となる座標系と、該ロボットに取り付けて用いられる三次元計測器の座標系をアライメントする技術に関する。
　工場の製造ラインでは、製品の組み立てや加工の効率を高めるために産業用ロボットが用いられている。産業用ロボットは、先端部を三次元的に移動可能なアームと、該先端部に取り付けられ被処理物に所定の処理を施す治具とを備えている。また、アームの先端部には三次元計測器が取り付けられており、例えば光切断法により被処理物を三次元的に計測してその位置及び向きを特定する。
　産業用ロボットには、製造時等に予めメーカによって座標系が設定されており、アームの動作はその座標系に基づいて制御される。一方、前記三次元計測器は、該三次元計測器自身が有する座標系に基づく計測結果を出力する。従って、三次元計測器により位置及び向きが特定された被処理物の処理対象の位置に治具を移動するには、ロボットの座標系と三次元計測器の座標系を整合させる（アライメントする、又はキャリブレーションするとも言う）必要がある。
　従来、両座標系のアライメントには行列演算によるアフィン変換が用いられている（例えば特許文献１）。特許文献１に記載のアライメント方法では、アームの先端に取り付けた三次元計測器を、同一直線上にない3つの位置に移動させ、それぞれの位置で対象物の同一箇所を計測して、三次元計測器の座標系での座標値を取得する。そして、前記3つの位置のロボットの座標系での座標値と、各位置で取得した三次元計測器の座標系での座標値を用いて行列を作成し、それらの行列から得られる方程式を解くことにより三次元計測器の座標系をロボットの座標系に変換する変換行列を得る。
特開平8-132373号公報 特開2019-184340号公報 特開平7-239219号公報 特開2010-91540号公報
　特許文献１に記載のアライメント方法では、変換行列を得るために、3つの位置のそれぞれに対応する行列の式を展開して複雑な方程式を解く必要がある。また、ロボットの動作を制御するプログラムの開発環境（開発言語）はメーカによって異なる。そのため、種々のプログラム言語を理解して行列演算を行うことが可能な熟練者でなければアライメントを行うことが難しいという問題があった。
　本発明が解決しようとする課題は、熟練者でなくても容易にロボット座標系のアライメントを行うことができる技術を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明の第１の態様は、動作点を三次元的に移動するためのロボットの座標系であるロボット座標系と、光切断法を実行可能であり前記動作点に対する位置及び姿勢が不変である三次元計測器の座標系である計測器座標系をアライメントする方法であって、
　前記動作点の動作空間の座標系である動作空間座標系における原点に位置する第１基準点、該第１基準点で直交する2つの直線上にそれぞれ位置する第２基準点及び第３基準点に前記動作点を移動させて各基準点の位置をティーチングすることにより、前記動作空間座標系と前記ロボット座標系の関係を決定し、
　前記動作空間座標系を規定する直交三軸のうちの二軸が載る平面に対して平行に配置された板状部材の表面に、該直交三軸のそれぞれに対して各辺が平行になるように固定された直方体状の参照物体に対し、前記三次元計測器からシート状のスリット光を照射して、該スリット光による前記参照物体への投映線を取得し、
　前記投映線のプロファイルに基づいて、前記参照物体に対する前記三次元計測器の姿勢を求め、
　前記三次元計測器の姿勢が所定の基準姿勢範囲内に入るように前記三次元計測器を移動させる
　工程を有することを特徴とする。
　上記姿勢とは、座標系の軸や所定面などの基準に対する傾きや向きを意味する。また、光切断法を実行可能な三次元計測器とは、計測器座標系に対する姿勢が既知であるスリット光を対象物に照射し、該スリット光による対象物の各面への投映線のデータを取得して、該対象物の三次元形状に関する情報を取得可能な計測器をいう。さらに、上記動作空間とは、ロボットの動作点が動作する空間をいう。
　本発明の第１の態様に係るアライメント方法では、まず、動作空間座標系における原点に位置する第１基準点、該第１基準点で直交する2つの直線上にそれぞれ位置する第２基準点及び第３基準点のそれぞれにロボットの動作点を移動させて各基準点の位置をティーチングし、ロボット座標系と動作空間座標系の関係を決定する。つまり、第１基準点及び第２基準点により動作空間座標系の第１軸が規定され、第１基準点及び第３基準点により第２軸が規定され、さらに、これらの二軸に直交する軸として第３軸が規定される。
　次に、動作空間座標系を規定する直交三軸のうちの二軸が載る平面に対して平行に板状部材の表面に、該直交三軸のそれぞれに対して各辺が平行になるように固定された直方体状の参照物体に対して、三次元計測器からスリット光を照射して、該スリット光による参照物体の各面への投映線を取得する。そして、取得した投映線のプロファイルに基づいて参照物体に対する三次元計測器の姿勢を求める。この投映線のプロファイルには、参照物体の上面への投映線の長さ、及び該参照物体の上面への投映線と板状部材の面（参照物体が載置されている面）への投映線の間の距離、及び三次元計測器の座標軸に対するそれらの投映線の傾きが含まれる。そして、三次元計測器の姿勢が所定の基準姿勢範囲内に入るように三次元計測器を移動させる。投映線のプロファイルから三次元計測器の姿勢を求める具体的な方法は後述する。
　ここで、理解を容易にするため、参照物体が動作空間座標系の二軸（これをX軸及びY軸とする）を含む平面上に、Z軸とも平行になるように配置されており、また、シート状のスリット光が計測器座標系X'軸方向に幅を有してZ'軸方向に照射され、さらに、三次元計測器の姿勢が参照物体に対して略平行となる（即ち、この例ではロボット座標系と計測器座標系の3軸が相互に略平行である）ように基準姿勢範囲が設定されている場合の具体的な一例を説明する。このとき、計測器座標系の三軸が動作空間座標系の三軸と平行に（従って、参照物体の三辺とも平行に）なっていれば、参照物体の上面に照射されるスリット光の長さは該参照物体の上面の幅と一致する。また、参照物体の上面への投映線と板状部材の面（参照物体が載置されている面）への投映線の間の距離は、参照物体の高さに基づく所定の値となる。さらに、これらの投映線は三次元計測器のX'軸に対して平行になる。
　一方、計測器座標系が、動作空間座標系のZ軸周りに大きく回転しているほど参照物体の上面に照射されるスリット光の長さが長くなる。また、計測器座標系が前記平面内の一軸（これをY軸とする）周りに動作空間座標系に対して傾いていると、参照物体の上面への投映線と板状部材の表面（参照物体が固定されている面）への投映線の、三次元計測器のX’軸に対する傾きが大きくなる。また、参照物体の側面にスリット光が照射された切断線が現れうる。さらに、計測器座標系が水平方向の別の軸（これをX軸とする）周りに動作空間座標系に対して大きく傾いているほど、参照物体の上面への投映線と板状部材の面への投映線の間の距離が長くなる。従って、これらの情報から、参照物体に対する三次元計測器の姿勢（この例では動作空間座標系の三軸のそれぞれに対する計測器座標系の軸の傾き）が求められる。
　そして、いずれかの傾きが予め決められた閾値よりも大きい場合には、該傾きの全てが該閾値を下回るように三次元計測器を移動させる。これは、例えば、使用者が参照物体に対する三次元計測器の姿勢を視認しつつコントローラを操作して参照物体に対して平行になるように三次元計測器を移動させ、その位置で前記傾きが全て前記閾値を下回っていることを確認することにより行うことができる。これにより、三次元計測器の姿勢が基準姿勢範囲内に入るように（この例では参照物体の三辺が延びる方向と計測器座標系の三軸を平行に）することができる。
　上記のとおり、本発明の第１の態様に係るアライメント方法ではプログラミング言語を用いた行列演算を行う必要がないため、熟練者でなくても容易にロボット座標系のアライメントを行うことができる。
　上記アライメント方法は、例えば1つの動作空間座標系の直交三軸のそれぞれに各辺が平行になるように配置された直方体状の参照物体に対して所定の基準姿勢となるように三次元計測器の姿勢を決定し、該位置及び姿勢で対象物を三次元計測する。つまり、上記アライメント方法では、1つの動作空間座標系に対して三次元計測器の1つの位置及び姿勢を決定し、当該位置及び姿勢で対象物の三次元計測データを取得することになる。工場の製造ライン等で組立や加工を行う対象物は、多くの場合、立体形状を有しており、1つの位置及び姿勢で対象物の三次元計測データを取得するのみでは陰になる部分が存在し、該部分について対象物の形状の情報を得ることができない。そこで、対象物の形状の情報を複数の方向から取得することが求められる。
　そこで、本発明の第２の態様に係るアライメント方法では、上記第１の態様において、
　前記動作空間座標系として、基準動作空間座標系と参照動作空間座標系を設定し、
　前記動作点を、前記基準動作空間座標系の原点と前記参照動作空間座標系の原点の間で移動させて並進変位及び回転変位を取得し、
　前記並進変位及び回転変位に基づいて、前記参照動作空間座標系を前記基準動作空間座標系に変換する変換行列を求め、
　前記基準動作空間座標系と前記参照動作空間座標系のそれぞれにおいて、前記三次元計測器の姿勢が前記所定の基準姿勢範囲内に入るように該三次元計測器を移動させて対象物の三次元計測データを取得し、
　前記参照動作空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データを、前記変換行列を用いて前記基準動作空間座標系の三次元計測データに変換して該基準空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データと統合する
　ように構成することが好ましい。
　上記第２の態様のアライメント方法では、基準動作空間座標系と参照動作空間座標系を設定する。そして、両座標系の原点の間でロボットの動作点を移動させ、該移動による並進変位及び回転変位を取得し、該変位に基づいて参照動作空間座標系を基準動作空間座標系に変換する変換行列を求める。その後、基準動作空間座標系と参照動作空間座標系のそれぞれにおいて三次元計測器により対象物の三次元計測データを取得し、上記変換行列を用いて参照動作空間座標系で取得した当該三次元計測データを基準動作空間座標系の三次元計測データに変換して統合する。この態様のアライメント方法では、複数の位置及び姿勢で対象物を三次元計測し、陰になる部分のない対象物の形状の情報を得ることができる。
　ロボットの動作点の可動範囲はアームの長さによって決まり、ロボットに対して対象物が大きいと、1台のロボットのみでは当該対象物の反対側までアームが届かず、当該対象物の一部の三次元計測データを取得することができない場合がある。
　そこで、本発明の第３の態様に係るアライメント方法では、上記第２の態様において、
　複数のロボットのそれぞれについて、複数の前記動作空間座標系であって、そのうちの1つが少なくとも別の1つのロボットについて設定される動作空間座標系と共通である、複数の動作空間座標系を設定し、
　前記複数のロボットに設定された全ての動作空間座標系のうちの1つを前記基準動作空間座標系、他を参照動作空間座標系とし、
　前記複数のロボットに設定された座標系のうち、前記参照動作空間座標系を前記基準動作空間座標系に変換する変換行列を作成し、
　前記複数のロボットのそれぞれについて設定された前記複数の動作空間座標系のそれぞれにおいて前記対象物の三次元計測データを取得し、
　前記参照動作空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データを、前記基準動作空間座標系の三次元計測データに変換して統合する
　ように構成するとよい。
　上記第３の態様のアライメント方法では、複数のロボットを用いて対象物の三次元計測データを取得するため、ロボットに比べて対象物が大きい場合でも陰になる部分がない、三次元形状の情報を得ることができる。
　上記課題を解決するために成された本発明の第４の態様は、動作点を三次元的に移動するためのロボットの座標系であるロボット座標系と、光切断法を実行可能であり前記動作点に対する位置及び姿勢が不変である三次元計測器の座標系である計測器座標系をアライメントするシステムであって、
　前記動作点の動作空間の座標系である動作空間座標系における原点に位置する第１基準点、該第１基準点を通り直交する2つの直線上にそれぞれ位置する第２基準点及び第３基準点に前記動作点を移動させて各基準点の位置をティーチングすることにより、前記動作空間座標系と前記ロボット座標系の関係を決定する動作空間座標系設定部と、
　前記動作空間座標系を規定する直交三軸のうちの二軸が載る平面に対して平行に配置された板状部材の表面に、該直交三軸のそれぞれに対して各辺が平行になるように固定された直方体状の参照物体に対し、前記三次元計測器からシート状のスリット光を照射して、該スリット光による前記参照物体のへの投映線を取得する投映線取得部と、
　前記投映線のプロファイルに基づいて、前記参照物体に対する前記三次元計測器の姿勢を求める計測器姿勢算出部と、
　前記三次元計測器を移動させる計測器移動部と
　を備えることを特徴とする。
　本発明の第５の態様に係るアライメントシステムは、上記第４の態様において、
　前記動作空間座標系設定部が、前記動作空間座標系として、基準動作空間座標系と参照動作空間座標系を設定するものであり、
　さらに、
　前記動作点を、前記基準動作空間座標系の原点と前記参照動作空間座標系の原点の間で移動させて並進変位及び回転変位を取得する変位取得部と、
　前記並進変位及び回転変位に基づいて、前記参照動作空間座標系を前記基準動作空間座標系に変換する変換行列を求める変換行列算出部と、
　前記基準動作空間座標系と前記参照動作空間座標系のそれぞれにおいて、前記計測器移動部により前記三次元計測器の姿勢が前記所定の基準姿勢範囲内に入るように該三次元計測器を移動させ、対象物の三次元計測データを取得する三次元計測データ取得部と、
　前記参照動作空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データを、前記変換行列を用いて前記基準動作空間座標系の三次元計測データに変換して該基準空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データと統合する三次元計測データ統合部と
　を備えるものとすることができる。
　また、本発明の第６の態様に係るアライメントシステムは、上記第５の態様において、さらに、
　複数のロボット
　を備え、
　前記動作空間座標系設定部が、前記複数のロボットのそれぞれについて、複数の前記動作空間座標系であって、そのうちの1つが少なくとも別の1つのロボットについて設定される動作空間座標系と共通である複数の動作空間座標系を設定するとともに、該複数のロボットに設定した動作空間座標系のうちの1つを前記基準動作空間座標系、他を参照動作空間座標系として設定し、
　前記変換行列算出部が、前記複数のロボットに設定された座標系のうち、前記参照動作空間座標系を前記基準動作空間座標系に変換する変換行列を作成し、
　前記三次元計測データ統合部が、前記複数のロボットのそれぞれについて設定された前記複数の動作空間座標系のそれぞれにおいて前記対象物の三次元計測データを取得し、
　前記三次元計測データ統合部が、前記参照動作空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データを、前記基準動作空間座標系の三次元計測データに変換して統合する
　ものとすることができる。
　上記課題を解決するために成された本発明の第７の態様は、動作点を三次元的に移動するためのロボットの座標系であるロボット座標系に予め対応付けられた前記動作点の動作空間の座標系である動作空間座標系と、光切断法を実行可能であり前記動作点に対する位置及び姿勢が不変である三次元計測器の座標系である計測器座標系をアライメントするために用いられる装置であって、
　前記動作空間座標系を規定する直交三軸のうちの二軸が載る平面に対して平行に配置された板状部材の表面に、該直交三軸のそれぞれに対して各辺が平行になるように固定された直方体状の参照物体に対し、前記三次元計測器からシート状のスリット光を照射して、該スリット光による前記参照物体への投映線を取得する投映線取得部と、
　前記投映線のプロファイルに基づいて、前記参照物体に対する前記三次元計測器の姿勢を求める計測器姿勢算出部と、
　を備えることを特徴とする。
　本発明に係るロボット用の座標系アライメント方法、アライメントシステム、又はアライメント装置を用いることにより、熟練者でなくても容易にロボット座標系のアライメントを行うことができる。
本発明に係るロボット用の座標系アライメント装置及びアライメントシステムの第１実施例を含むロボットシステムの概略構成図。 第１実施例の三次元センサの構成を説明する図。 三次元センサのスリット光照射部とエリアセンサの配置を説明する図。 本発明に係るロボット用の座標系アライメント方法の第１実施例に関するフローチャート。 第１実施例において用いるアライメント治具について説明する図。 第１実施例におけるスリット光によるブロックへの投映線について説明する図。 第１実施例において得られる投映線のプロファイルの一例。 本発明に係るロボット用の座標系アライメント装置及びアライメントシステムの第２実施例を含むロボットシステムの概略構成図。 第２実施例のロボットシステムにおける制御・処理部の構成を説明する図。 本発明に係るロボット用の座標系アライメント方法の第２実施例に関するフローチャート。 第２実施例における動作空間座標系の関係を説明する図。 第２実施例のロボットシステムを用いて対象物の三次元計測データを統合した結果。 本発明に係るロボット用の座標系アライメント装置及びアライメントシステムの第３実施例を含むロボットシステムの概略構成図。 本発明に係るロボット用の座標系アライメント方法の第３実施例に関するフローチャート。 第３実施例における動作空間座標系の関係を説明する図。 第３実施例の変形例におけるロボットの配置及び動作空間座標系の関係を説明する図。
＜第１実施例＞
　本発明に係るロボット用の座標系アライメント方法、アライメントシステム、及びアライメント装置の第１実施例について、以下、図面を参照して説明する。図１は、第１実施例のロボット用の座標系アライメントシステム及び装置（以下、「アライメントシステム」及び「アライメント装置」と呼ぶ。）を含むロボットシステム１の要部構成図である。
　第１実施例のロボットシステム１は、ロボット２と、該ロボット２を操作するためのコントローラ３を備えている。
　ロボット２は、先端に動作点２０が設けられたアーム部２１と、該アーム部２１を三次元的に移動させるための直動機構２２a～２２c及び回転機構２３a～２３cを備えている。直動機構２２a～２２c及び回転機構２３a～２３cは、コントローラ３による制御の下で動作する。コントローラ３は後述するティーチングによって動作空間座標系とロボット座標系の関係を決定するための動作空間座標系設定部３１を、機能ブロックとして有している。
　アーム部２１の動作点２０の近傍には、三次元センサ４が着脱可能に取り付けられている。三次元センサ４は、図２に示すように、対象物にスリット光を照射するスリット光照射部４１と、該スリット光の対象物への投映線を撮影するエリアセンサ４２を備えている。これらには計測器座標系が定義されており、図３に示すように、光照射部４１は計測器座標系のX’-Z’平面に対して角度θ1傾いた状態で配置され、エリアセンサ４２は、X’-Z’平面を挟んでスリット光照射部４１とは反対側に、同平面に対して角度θ2傾いた状態で配置されている。第１実施例におけるθ1は0であるが、これは本発明に必須の要件ではなく、θ1の角度が既知でありさえすれば、対象物への投映線がどのようにエリアセンサ４２に捉えられるかを把握することができる。従って、該既知の角度に基づく適宜の演算処理によって以降に説明する処理を行うことができる。
　第１実施例ではスリット光照射部４１はX’-Z’平面上に配置され、X’-Z’平面に沿ってスリット光を（X’軸方向に幅を有するスリット光をZ’軸方向に向かって）対象物に照射する。θ2は、例えば、30°から40°の範囲内の適宜の角度に設定される。第１実施例では、三次元センサ４として、該センサ４が有する光学系に含まれるレンズによって生じる収差や奥行き収差（カメラを斜め方向に向けたときに画角内で遠近法により生じる収差）を補正するものを使用する。これにより、後述する光切断法において正確な計測が行われ、座標系のアライメント精度が高くなる。
　三次元センサ４には、さらに、制御・処理部４３が設けられている。制御・処理部４３は、記憶部４３１の他に、機能ブロックとして、投映線取得部４３２、計測器姿勢算出部４３３、及び座標系シフト部４３４を備えている。第１実施例の制御・処理部４３は三次元センサ４の内部に組み込まれた演算処理機構として構成されている。また、この制御・処理部４３は、所定の通信インターフェース４４を介して、使用者が適宜の入力指示を行うための入力部４５と、計測結果等を表示するための表示部４６に接続されている。制御・処理部４３は、その他、三次元センサ４と別体で設けられ該三次元センサ４と通信可能に構成された携帯型端末等で構成することもできる。
　次に、図４のフローチャートを参照して第１実施例のアライメント方法の手順を説明する。
　まず、アライメント用の治具を用意する。アライメント用の治具５は、板状部材５１と、該板状部材５１の上に固定されたブロック５２を含む。図５に示すように、板状部材５１は、その上面が、ロボット２の動作点２０を動作させる空間の座標系である動作空間座標系の二軸（X軸及びY軸）を含む平面と合致する位置に固定される。また、板状部材５１の上面の、動作空間座標系の原点に対応する位置に基準点Aを、動作空間座標系のX軸上の所定の位置に基準点Bを、動作空間座標系のY軸上の所定の位置に基準点Cを、それぞれ設定する。即ち、基準点A及びBにより動作空間座標系のX軸方向が規定され、基準点A及びCにより動作空間座標系のY軸が規定される。
　ブロック５２の大きさは、X軸方向の長さがW(mm)、Y軸方向の長さがL(mm)、Z軸方向の長さがH(mm)である。ブロック５２のX軸方向の長さは、エリアセンサ４２の視野に入る範囲内で、できるだけ長いことが好ましい。これにより、後述する処理を行う際にブロック５２の上面に映るスリット光の投映線が長くなり、ブロック５２に対する三次元センサ４の姿勢を求める際の精度が高くなる。
　一方、ブロック５２のY軸方向の長さは、例えば10～100mmであり、ロボットの大きさ等を考慮して適宜に決めればよい。ブロック５２のY軸方向を長くすることにより、ブロック５２にスリット光を照射したときにスリット光の投映線とブロック５２の一辺（動作空間座標系のX軸に平行な辺）が平行であるか否かを視認しやすくなる。ブロック５２のY軸方向を短くしすぎると、スリット光の投映線がブロック５２の一辺（動作空間座標系のX軸に平行な辺）を横切ってしまい、ブロック５２の上面を横断する投映線を得ることが難しくなる。
　従来の座標系のアライメント方法では、動作点を正確に位置させるために可能な限り先端が尖った治具を用いることがあったが、先端が尖った治具を用いると光の拡散反射が生じやすく、動作点と治具の先端の位置関係を確認する際の撮像が困難になる場合があった。これに対し、第１実施例では後述する方法及び装置によって座標系のアライメントを行うため、先端が尖った治具を用いる必要がなく、直方体状のブロック５２を用いればよいため拡散反射は生じず、容易かつ正確に後述する投映線等が撮像される。
　また、ブロック５２の表面には、光の乱反射を抑えるための、つや消し処理が施されている。ブロック５２には、例えばつや消しアルマイトからなるものを好適に用いることができる。ブロック５２は、動作空間座標系において該ブロック５２の底面の中心が予め決められた座標に位置するように、動作空間座標系の三軸に平行に配置される。こうしてアライメント用の治具が設置される（ステップ１。図５参照）。
　続いて、コントローラ３によりアーム部２１を動かし、動作点２０を基準点Aに移動させ、ロボット２に基準点Aの位置をティーチングする。同様に、動作点２０を基準点B及びCにも移動させ、それらの位置をロボット２にティーチングする（ステップ２）。このとき、コントローラ３を使用者が自ら操作してもよく、あるいは動作空間座標系設定部３１により動作点２０を各基準点に移動させてもよい。その後、動作空間座標系設定部３１は、基準点A、B、及びCの、動作空間座標系における座標をロボット２に登録し、該ロボット２に予め（例えば出荷時に）登録されているロボット座標系と動作空間座標系の関係を決定する。こうして、ロボット２に動作空間座標系が設定される（ステップ３）。
　ロボット２に動作空間座標系を設定した後、コントローラ３によりアーム部２１を移動し、図５に示すように、三次元センサ４をブロック５２の上方に位置させる（ステップ４）。図５では、ロボット２のうちアーム部２１以外の図示を省略している。続いて、スリット光照射部４１からブロック５２に対してスリット光を照射し（ステップ５）、エリアセンサ４２によりブロック５２への投映線を取得する（ステップ６）。
　第１実施例におけるスリット光は、三次元センサ４の出力信号の基準となる計測器座標系の一軸（X'軸）方向に幅を持つ光であり、該計測器座標系の別の一軸（Z'軸）方向に発せられる。即ち、計測器座標系のX'-Z'平面に沿ったシート状のスリット光である（図６参照）。第１実施例の三次元センサ４は、該センサ４が有する光学系に含まれるレンズによって生じる収差や奥行き収差（カメラを斜め方向に向けたときに画角内で遠近法により生じる収差）を補正する。具体的には、二次元的に配列された画素のどの位置にスリット光が入射しているかを特定し、続いてその位置をキャリブレーションにより補正する。そして補正後の画素の位置から投映線のプロファイルを取得する。
　上述のとおり、ブロック５２の三辺は動作空間座標系の三軸に平行に配置されており、また、スリット光はX'-Z'平面に沿ったシート状の光である。従って、動作空間座標系のX軸、Y軸、及びZ軸と、計測器座標系のX’軸、Y’軸、及びZ’軸がそれぞれ平行になっていると、ブロック５２の上面への投映線は該ブロック５２のX軸に平行な一辺の長さWと同一になる。また、ブロック５２の上面への投映線と、板状部材５１への投映線の間の距離は、ブロック５２の高さH（及び三次元センサ４のエリアセンサ４２がブロック及び板状部材５１を捉える角度）に応じたものとなる。
　一方、計測器座標系が動作空間座標系に対して傾いている場合には、上記と異なる長さ及び距離を有する投映線が現れる。そうした場合に現れる、投映線について、図６及び７を参照して説明する。図６は、治具５（板状部材５１及びブロック５２）を基準にスリット光が斜方から照射された状態を示している。なお、図６では、角度α、β、及びγを分かりやすくするため、これらの角度を実際よりも大きくして投映線を示している。図７は、エリアセンサ４２により計測された投映線に基づいて作成された表示例である。
　第１実施例の場合、エリアセンサ４２がX’-Z'平面に対して角度θ2傾いた位置に配置され、斜め上方から投映線を撮影する。そのため、エリアセンサ４２により捉えられる、ブロック５２の上面への投映線と板状部材５１への投映線の間の距離は実際よりも短くなる。そこで、投映線取得部４３２は、スリット光照射部４１及びエリアセンサ４２の配置（X’-Z’平面に対する角度θ1及びθ2）及び実際に計測された上記距離に基づいて該距離を補正し測定値hを求める。一方、ブロック５２の上面への投映線の長さはそのまま測定値wとする。そして、図７に示すように測定値w, hを表示部４６に表示する。
　ここで、図６及び７に示すように、ブロック５２の上面への投映線の一端（ブロック５２の側面への投映線も撮影されている場合は投映線の屈曲点）を通り計測器座標系のZ‘軸に平行な直線と、該一端を通り動作空間座標系のZ軸と平行な直線とがなす角度をα、エリアセンサ４２の画角の一方向（横方向）と該エリアセンサ４２で捉えられた投映線がなす角度をβ、ブロック５２の上面への投映線と、該投映線の一端を通り動作空間座標系のX軸に平行な直線がなす角度をγ、と規定する。
　上記のように角度α、β、及びγを規定すると、ブロック５２のX軸方向の長さW及びZ軸方向の長さHと、上記測定値w及びhとから、次式により角度α及びγが求められる。
　α=cos-1（H/h）…(1)
　γ=cos-1（W/w）…(2)
　また、角度βは、上記の通りエリアセンサ４２画角の横方向と、板状部材５１への投映線がなす角度として求められる。
　計測器姿勢算出部４３３は、上記のようにして投映線のプロファイルから上記の角度α、β、及びγを算出し（ステップ７）、表示部４６の画面にそれぞれの角度を表示する。
　上記角度α、β、及びγを算出すると、計測器姿勢算出部４３３は、それらの値が全て予め決められた値（所定値）以下であるかを判定する（ステップ８）。この所定値は、動作空間座標系の各軸と計測器座標系の各軸とが実質的に互いに平行であるであるとみなせる値に設定される。所定値は、例えば0.2度である。角度α、β、及びγが全て所定値以下であれば（ステップ８でYES）、後述するステップ１０に進む。
　一方、いずれかの角度が所定値を上回っている場合には（ステップ８でNO）、使用者がコントローラ３を用いて三次元センサ４の姿勢を調整する（ステップ９）。そして、ステップ５に戻って再びブロック５２にスリット光を照射し、上記角度α、β、及びγを算出して表示部４６に表示するとともに、それらが全て所定値以下であるかを判定する（ステップ５～８）。これらの処理は、角度α、β、及びγが全て所定値以下になるまで繰り返し行う。第１実施例では、角度α、β、及びγを算出するごとに表示部４６にそれらの値が表示されるため、使用者は角度α、β、及びγを確認し、計測器座標と動作空間座標がどの程度ずれているのかを直感的に把握することができる。また、その値の変化を確認しながら、ロボット２を用いて行おうとしている作業に求められる精度を考慮するなどして、どの程度まで両座標を合致させる必要があるかを判断することもできる。
　上記角度α、β、及びγが全て所定値以下になると（ステップ８でYES）、座標系シフト部４３４は、三次元センサからのスリット光をY'軸（動作空間座標系と計測器座標系が相互に平行であるため実質的にY軸と同じ）方向に走査してブロック５２全体の三次元計測データを取得し、ブロック５２の所定の位置（例えば動作空間座標系のX-Y平面上に位置する、ブロック５２の底面の中心）の、計測器座標系における座標位置を求める（ステップ１０）。そして、動作空間座標系におけるブロック５２の上記所定の位置座標位置と比較して差分（シフト量）を求める（ステップ１１）。最後に、計測器座標系を上記シフト量の大きさだけシフトさせることにより、計測器座標系と動作空間座標系を合致させる。
＜第２実施例＞
　次に、第２実施例について説明する。図８に示すように、第２実施例のロボットシステム１００は、第１実施例のアライメントシステム１の構成に加えて制御・処理装置６を備えている。制御・処理装置６は、ロボット２、三次元センサ４、及びコントローラ３との間で通信可能に設けられている。
　図９に示すように、制御・処理装置６は、記憶部６１のほかに、機能ブロックとして、変位取得部６２１、変換行列作成部６２２、三次元計測データ取得部６２３、及び三次元計測データ統合部６２４を備えている。制御・処理装置６の実体は、例えば一般的なパーソナルコンピュータであり、予めインストールされた三次元計測データ処理用プログラム６２を実行することにより上記の各機能ブロックが具現化される。ここでは三次元センサ４が有する制御・処理部４３と制御・処理装置６をそれぞれ備えた構成としたが、三次元センサ４の制御・処理部４３の機能の一部又は全部を制御・処理装置６に組み込んだ構成を採ることもできる。
　第２実施例における各部の動作及びデータ処理の流れについて、図１０のフローチャートを参照して説明する。第１実施例と共通する動作や処理については適宜、説明を省略する。
　第１実施例では、1つの動作空間座標系に対して三次元センサ４の1つの位置及び姿勢を決定し、当該位置及び姿勢で対象物の三次元で計測データを取得する。そのため、対象物が立体形状である場合には、対象物を挟んで三次元センサ４と反対側の部分が陰になり、その部分を三次元計測することができない。
　そこで、第２実施例では、まず、使用者が、第１実施例と同様の手順で、ロボット２の姿勢に対応する複数の動作空間座標系を設定する。これら複数の動作空間座標系は、第１実施例における三次元計測では陰になる部分も三次元計測することができるように設定する。そして、これら複数の動作空間座標系のうちの1つを基準動作空間座標系とし、それ以外の動作空間座標系を参照動作空間座標系とする（ステップ２１）。以下、参照動作空間座標系を2つ（第１参照動作空間座標系と第２参照動作空間座標系）、設定した場合を一例に説明する。以下、基準動作空間座標系をΣA、第１参照動作空間座標系をΣB、及び第２参照動作空間座標系をΣCと表記する。参照動作空間座標系の数は1つであっても良く、3つ以上であってもよい。
　次に、基準動作空間座標系ΣA、第１参照動作空間座標系ΣB、及び第２参照動作空間座標系ΣCのそれぞれについて、第１実施例と同様の手順により、三次元センサ４の位置及び姿勢を決定する（ステップ２２）。
　基準動作空間座標系や参照動作空間座標系を設定する三次元空間に存在する点に関して座標系ΣBで表される位置ベクトルBrと座標系ΣAで表される位置ベクトルArの関係は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ATBは同次変換行列であり、回転変換BRAと平行移動BPAを要素として含む以下の行列で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　この同次変換行列の行列要素を求めるには、座標系ΣAにおける、座標系ΣBの原点の位置と姿勢を求めればよい。
　具体的には、変位取得部６２１により、ロボット２の動作点２０を、基準動作空間座標系ΣAの原点（xA=0, yA=0, zA=0, rxA=0, ryA=0, rzA=0）にセットし、続いて該動作点２０を参照動作空間座標系ΣBの原点（xB=0, yB=0, zB=0, rxB=0, ryB=0, rzB=0）に移動させる（ステップ２３）。そして、動作点２０が参照動作空間座標系ΣBの原点にあるときの、基準動作空間座標系ΣAにおける並進変位及び回転変位を取得する。これは、ロボット２の動作を制御するコントローラ３から読み出すことができる。変換行列作成部６２２は、これらの並進変位及び回転変位に基づいて同次変換行列ATBを作成する（ステップ２４）。この同次変換行列ATBは基準動作空間座標系ΣBにおける座標を参照動作空間座標系ΣAにおける座標に変換するものである。
　第２参照動作空間座標系ΣCについても上記同様の処理を行うことにより、第２参照動作空間座標系ΣCを基準動作空間座標系ΣAに変換する同次変換行列ATCが得られる。
　次に、三次元計測データ取得部６２３は、基準動作空間座標系ΣA、第１参照動作空間座標系ΣB、及び第２参照動作空間座標系ΣCのそれぞれにおいて、対象物の三次元計測データを取得する（ステップ２５）。そして、三次元計測データ統合部６２４が、第１参照動作空間座標系ΣB及び第２参照動作空間座標系ΣCにおける対象物の三次元計測データをそれぞれ、同次変換行列ATB、ATCによって基準動作空間座標系ΣAの三次元計測データに変換する（ステップ２６。図１１）。三次元計測データ統合部６２４は、こうして得られた基準動作空間座標系ΣAにおける対象物の三次元計測データと基準動作空間座標系ΣAで取得した対象物の三次元計測データを統合し（ステップ２７）、表示部６６の画面に表示する（ステップ２８）。使用者は、入力部６５を通じた適宜の操作により、表示部６６の画面に表示される対象物の三次元計測データを回転させる等して該対象物の形状を任意の方向から確認することができる。
　図１２に、3つの異なる動作空間座標系にそれぞれ対応する位置及び姿勢で三次元センサ４により取得した、対象物の三次元計測データを統合した結果を示す。図１２(a)は対象物の光学画像であり、図１２(b)は3つの異なる座標系で取得した対象物の三次元計測データを統合した結果である。第２実施例では、ロボット２の動作点２０を基準動作空間座標系の原点と参照動作空間座標系の原点の間で移動させて並進変位及び回転変位を取得し、該変位に基づいて参照動作空間座標系を基準動作空間座標系に変換する変換行列を求めるのみで、異なる動作空間座標系に対応する位置及び姿勢により三次元センサ４で取得した3つの三次元計測データを簡便に統合することができる。
　三次元計測データを処理する技術として、例えば特許文献２－４に記載のものが従来提案されている。しかし、これらの方法では、例えばせん断変形やスケーリングによって三次元計測データの分解能が低下する場合がある。また、これらの技術では、データ統合の際に同次変換行列の要素を求める複雑な計算を行う必要があり、例えば、ロボットの動作空間座標系とは別に、複数の位置の座標値を求め、それらから同次変換行列を得る必要がある。しかし、ロボットシステムが多く用いられている工場等の作業現場においてオペレータがそのように高度な演算処理を行うことは困難である。
　これに対し、第２実施例では、第１実施例と同様に、アライメント用の治具５を使って、動作空間座標系を設定する。そのため、特許文献２－４のようにせん断変形やスケーリングが生じることがなく、高い分解能及び精度を保ちつつ簡便に三次元計測データを統合することができる。
＜第３実施例＞
　第３実施例について説明する。図１３に示すように、第３実施例のロボットシステム２００は、複数のロボット２a、２b、各ロボット２a、２bの動作を制御するコントローラ３a、３b、及び制御・処理装置７を備えている。ロボット２a、２b、及びコントローラ３a、３bは第１実施例及び第２実施例におけるロボット２及びコントローラ３と同様の構成を備えている。また、制御・処理装置７は第２実施例における制御・処理装置６と同様の構成及び機能ブロックを備えている。ここでは、説明を簡単にするために2つのロボットを備えた構成としているが、3つ以上のロボット２を備えたシステムとしてもよい。
　第２実施例におけるロボット２の動作点２０の可動範囲はアーム部２１を移動させる直動機構２２a～２２cの長さによって決まり、ロボット２に対して対象物が大きいと、1台のロボット２のみでは当該対象物の反対側までアームが届かず、当該対象物の一部の三次元計測データを取得することができない場合がある。また、1台のロボット２のみを用いるシステムでは、同時に複数の方向から対象物の三次元計測データを得ることはできない。
　そこで、第３実施例では複数のロボット２を用いて対象物の三次元計測データを取得する。第３実施例における各部の動作及びデータ処理の流れについて、図１４のフローチャートを参照して説明する。第１実施例又は第２実施例と共通する動作や処理については適宜、説明を省略する。
　はじめに、ロボット２aについて、連結動作空間座標系ΣAと参照動作空間座標系ΣBを設定する。また、ロボット２bについても、連結動作空間座標系ΣAと参照動作空間座標系ΣCを設定する。つまり、複数のロボット２に共通する連結動作空間座標系を設定し、各ロボット２に独自の参照動作空間座標系を設定する（ステップ３１。図１５参照）。連結動作空間座標系ΣAは、本発明の第３の態様及び第６の態様における基準動作空間座標系に相当する。なお、いずれか一方のロボットについては、連結動作空間座標系ΣAと参照動作空間座標系ΣBを同一の座標系としてもよい。
　次に、第１実施例と同様の手順により、各動作空間座標系における三次元センサ４の位置及び姿勢を決定する（ステップ３２）。
　また、第２実施例と同様の手順により、各ロボット２a、２bに設定した参照動作空間座標系ΣB, ΣCを連結動作空間座標系ΣAに変換する同次変換行列を求める（ステップ３３）。
　その後、各ロボット２a、２bのそれぞれにおいて参照動作空間座標系ΣB, ΣCで対象物の三次元計測データを取得する（ステップ３４）。そして、参照動作空間座標系ΣB, ΣCにおける対象物の三次元計測データをそれぞれ、同次変換行列ATB、ATCによって連結動作空間座標系ΣAの三次元計測データに変換する（ステップ３５。図１５）。こうして、異なるロボット２a、２bに取り付けた三次元センサ４で取得した対象物の三次元計測データを、基準動作空間座標系ΣAにおける対象物の三次元計測データと統合することができる（ステップ３６）。統合されたデータは表示部６６の画面に表示される（ステップ３７）。
　第３実施例では、複数のロボット２a、２bを使用するため、ロボット２のアームの長さによる制約を受けることなく、大きな対象物の全体の三次元計測データを取得することができる。また、同時に複数の方向から対象物の三次元計測データを得ることができる。
　上記の説明では、2台のロボット２について共通する連結動作空間座標系ΣAを設定したが、搬送される対象物を多数のロボット２に取り付けた三次元センサ４で計測する場合、全てのロボット２に共通する連結動作空間座標系を設定することが困難な場合がある。そうした場合には、複数のロボット２のそれぞれについて、複数の動作空間座標系であって、そのうちの1つが少なくとも別の1つのロボットについて設定される動作空間座標系と共通である、複数の動作空間座標系を設定すればよい。
　図１６に第３実施例の変形例のロボットシステム３００を示す。このロボットシステム３００では、ベルトコンベア８により搬送される対象物９をモニタする。ベルトコンベア８を挟む一方の側には、対象物９の搬送方向に沿って複数のロボット２a、２b…が配置され、他方の側にも複数のロボット２e、２f…が配置されている。
　ロボット２aには基準動作空間座標系ΣAのみを設定する。また、ロボット２bには、連結動作空間座標系ΣAと参照動作空間座標系ΣBを設定する。ロボット２c以下についても、隣接配置されたロボット２と共通する連結動作空間座標系と参照動作空間座標系を設定する。また、ベルトコンベア８を挟んでロボット２aの反対側に位置するロボット２eには、連結動作空間座標系ΣAと参照動作空間座標系ΣEを設定する。ロボット２f以下については、隣接配置されたロボット２と共通する連結動作空間座標系と参照動作空間座標系を設定する。
　第３実施例において説明した通り、これらの座標系は、それぞれに対応する同次変換行列を用いて相互に変換することができる。例えば、図１６に示すとおり、ロボット２fの参照動作空間座標系ΣFで取得した三次元計測データは、2つの同次変換行列ETF及びATEで順に変換することにより基準動作空間座標系ΣAの三次元計測データに変換することができる。このように、変形例のシステム３００では、1乃至複数の同次変換行列を用いて、全ての参照動作空間座標系で取得した対象物９の三次元計測データを基準動作空間座標系ΣAの三次元計測データに変換し、それらを結合する。これにより、搬送等により移動する対象物９を広い範囲でモニタすることが可能になる。
　上記実施例で説明した具体的な構成や数値はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
　上記実施例では、治具５を使用して両座標系のシフト量を求めた、同座標系をシフトさせて一致させる処理まで行ったが、これらの処理は必須ではない。例えば、実際にロボットを動作させる際に、計測器座標系で取得された位置に上記シフト量を加えて（あるいは減じて）動作空間座標系の位置に変換する処理を、実際にロボットを動作させる毎に行ってもよい。あるいは、動作空間座標系の三軸と計測器座標系の三軸を互いに平行にした後、別の治具を配置し、動作空間座標系と計測器座標系のそれぞれにおける、その治具の所定位置の座標の差からシフト量を求めることもできる。シフト量を求めるために使用する治具は必ずしも直方体状のものである必要はなく、上記所定位置を規定可能な適宜の形状のものを用いることができる。例えば、直方体状のブロック５２の全体のプロファイルを取得する際にエッジ部分の形状を正確に計測することが難しい場合には、円筒状のブロックを用いるとよい。また、シフト量の算出に用いる治具はブロックに限らず、所定位置（例えばX-Y平面上に位置する中心と該中心からの高さの座標が既知であり、三次元センサ４によって三次元計測データを取得可能な、適宜のものを用いることができる。
　現在、製造業の現場では、人口の減少により、人力に代わるロボットの普及が急務とされている。しかし、ロボットと三次元計測器を使ったシステムの統合には高度な知識が必要とされるため、現場の作業員にとって必ずしも容易ではない。特に、様々なロボットメーカにより製造されたロボットが用いられる自動車産業などでは、ロボットメーカによって操作性が異なるために、その操作を熟知した専門の技術者の派遣が必要となる場合があり、人材の確保が難しく、また人材の育成も難しい。例えば、ロボットの使用中に、予期しない衝突等が起こり三次元計測器の取り付け位置がずれてしまうことがある。現場では速やかな復旧が求められるため、高度な知識を有することなく様々なロボットメーカにより製造されたロボットに共通して適用可能なアライメント技術が必要とされており、本発明を好適に用いることができる。
　産業用ロボットの普及と、産業用ロボットを制御するために用いるカメラなどのセンシング技術の高度化に伴い、外観検査やリバースエンジニアリングなどを目的として、対象物の外観だけでなく内観も含めたあらゆる三次元形状のデータを精度良く取得したいというニーズが増えてきている。また、その対象物のサイズも大きくなり、電車や自動車を丸ごとスキャンするようなニーズもある。しかし、従来技術をそのまま高度化したシステムは演算処理等の工程が複雑化し、ロボットだけでなく三次元計測に関するプログラミング等の技術にも精通したエンジニアではなければ対応することが困難になりつつある。
　上記第２実施例や第３実施例では、ロボットに取り付けた三次元センサ等の計測器を用いて光切断法により対象物の三次元計測データを統合する際に、従来のように複雑な演算プログラムを必要とすることなく、オペレータが簡便な工程で、異なる座標系で取得した三次元計測データを統合することができる。
１、１００、２００、３００…ロボットシステム
２…ロボット
　２０…動作点
　２１…アーム部
　２２a～２２c…直動機構
　２３a～２３c…回転機構
３…コントローラ
　３１…動作空間座標系設定部
４…三次元センサ
　４１…スリット光照射部
　４２…エリアセンサ
　４３…制御・処理部
　　４３１…記憶部
　　４３２…投映線取得部
　　４３３…計測器姿勢算出部
　４４…通信インターフェース
　４５…入力部
　４６…表示部
５…治具
　５１…板状部材
　５２…ブロック
６、７…制御・処理装置
　６１…記憶部
　６２…三次元計測データ処理用プログラム
　　６２１…変位取得部
　　６２２…変換行列作成部
　　６２３…三次元計測データ取得部
　　６２４…三次元計測データ統合部　４５…入力部
　６５…入力部
　６６…表示部

Claims (14)

  1. 　動作点を三次元的に移動するためのロボットの座標系であるロボット座標系と、光切断法を実行可能であり前記動作点に対する位置及び姿勢が不変である三次元計測器の座標系である計測器座標系をアライメントする方法であって、
    　前記動作点の動作空間の座標系である動作空間座標系における原点に位置する第１基準点、該第１基準点で直交する2つの直線上にそれぞれ位置する第２基準点及び第３基準点に前記動作点を移動させて各基準点の位置をティーチングすることにより、前記動作空間座標系と前記ロボット座標系の関係を決定し、
    　前記動作空間座標系を規定する直交三軸のうちの二軸が載る平面に対して平行に配置された板状部材の表面に、該直交三軸のそれぞれに対して各辺が平行になるように固定された直方体状の参照物体に対し、前記三次元計測器からシート状のスリット光を照射して、該スリット光による前記参照物体への投映線を取得し、
    　前記投映線のプロファイルに基づいて、前記参照物体に対する前記三次元計測器の姿勢を求め、
    　前記三次元計測器の姿勢が所定の基準姿勢範囲内に入るように前記三次元計測器を移動させる
    　工程を有することを特徴とするロボット用の座標系アライメント方法。
  2. 　前記三次元計測器の姿勢が所定の基準姿勢範囲内に入るように前記三次元計測器を移動させたあと、さらに、
    　前記参照物体の所定位置の、前記動作空間座標系における座標と、前記計測器座標系における座標を比較して差分を求め、
    　前記計測器座標系を前記差分だけシフトさせる
    　工程を有することを特徴とする請求項１に記載のロボット用の座標系アライメント方法。
  3. 　前記動作空間座標系において、前記第１基準点が原点であり、前記第２基準点及び前記第３基準点が該座標系の軸上の点である
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット用の座標系アライメント方法。
  4. 　前記参照物体の三辺が前記動作空間座標系の三軸に平行になるように該参照物体が配置されている
    　ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のロボット用の座標系アライメント方法。
  5. 　前記スリット光が、前記計測器座標系の一軸方向に幅を有し、該計測器座標系の別の一軸方向に発せられる光である
    　ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のロボット用の座標系アライメント方法。
  6. 　前記動作空間座標系として、基準動作空間座標系と参照動作空間座標系を設定し、
    　前記動作点を、前記基準動作空間座標系の原点と前記参照動作空間座標系の原点の間で移動させて並進変位及び回転変位を取得し、
    　前記並進変位及び回転変位に基づいて、前記参照動作空間座標系を前記基準動作空間座標系に変換する変換行列を求め、
    　前記基準動作空間座標系と前記参照動作空間座標系のそれぞれにおいて、前記三次元計測器の姿勢が前記所定の基準姿勢範囲内に入るように該三次元計測器を移動させて対象物の三次元計測データを取得し、
    　前記参照動作空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データを、前記変換行列を用いて前記基準動作空間座標系の三次元計測データに変換して該基準空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データと統合する
    　ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のロボット用の座標系アライメント方法。
  7. 　複数のロボットのそれぞれについて、複数の前記動作空間座標系であって、そのうちの1つが少なくとも別の1つのロボットについて設定される動作空間座標系と共通である、複数の動作空間座標系を設定し、
    　前記複数のロボットに設定された全ての動作空間座標系のうちの1つを前記基準動作空間座標系、他を参照動作空間座標系とし、
    　前記複数のロボットに設定された座標系のうち、前記参照動作空間座標系を前記基準動作空間座標系に変換する変換行列を作成し、
    　前記複数のロボットのそれぞれについて設定された前記複数の動作空間座標系のそれぞれにおいて前記対象物の三次元計測データを取得し、
    　前記参照動作空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データを、前記基準動作空間座標系の三次元計測データに変換して統合する
    　ことを特徴とする請求項６に記載のロボット用の座標系アライメント方法。
  8. 　前記基準動作空間座標系が前記複数のロボットの全てに対して設定される
    　ことを特徴とする請求項７に記載のロボット用の座標系アライメントシステム。
  9. 　動作点を三次元的に移動するためのロボットの座標系であるロボット座標系と、光切断法を実行可能であり前記動作点に対する位置及び姿勢が不変である三次元計測器の座標系である計測器座標系をアライメントするシステムであって、
    　前記動作点の動作空間の座標系である動作空間座標系における原点に位置する第１基準点、該第１基準点を通り直交する2つの直線上にそれぞれ位置する第２基準点及び第３基準点に前記動作点を移動させて各基準点の位置をティーチングすることにより、前記動作空間座標系と前記ロボット座標系の関係を決定する動作空間座標系設定部と、
    　前記動作空間座標系を規定する直交三軸のうちの二軸が載る平面に対して平行に配置された板状部材の表面に、該直交三軸のそれぞれに対して各辺が平行になるように固定された直方体状の参照物体に対し、前記三次元計測器からシート状のスリット光を照射して、該スリット光による前記参照物体への投映線を取得する投映線取得部と、
    　前記投映線のプロファイルに基づいて、前記参照物体に対する前記三次元計測器の姿勢を求める計測器姿勢算出部と、
    　前記三次元計測器を移動させる計測器移動部と
    　を備えることを特徴とするロボット用の座標系アライメントシステム。
  10. 　前記動作空間座標系設定部が、前記動作空間座標系として、基準動作空間座標系と参照動作空間座標系を設定するものであり、
    　さらに、
    　前記動作点を、前記基準動作空間座標系の原点と前記参照動作空間座標系の原点の間で移動させて並進変位及び回転変位を取得する変位取得部と、
    　前記並進変位及び回転変位に基づいて、前記参照動作空間座標系を前記基準動作空間座標系に変換する変換行列を求める変換行列算出部と、
    　前記基準動作空間座標系と前記参照動作空間座標系のそれぞれにおいて、前記計測器移動部により前記三次元計測器の姿勢が前記所定の基準姿勢範囲内に入るように該三次元計測器を移動させ、対象物の三次元計測データを取得する三次元計測データ取得部と、
    　前記参照動作空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データを、前記変換行列を用いて前記基準動作空間座標系の三次元計測データに変換して該基準空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データと統合する三次元計測データ統合部と
    　を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のロボット用の座標系アライメントシステム。
  11. 　さらに、
    　複数のロボット
    　を備え、
    　前記動作空間座標系設定部が、前記複数のロボットのそれぞれについて、複数の前記動作空間座標系であって、そのうちの1つが少なくとも別の1つのロボットについて設定される動作空間座標系と共通である複数の動作空間座標系を設定するとともに、該複数のロボットに設定した動作空間座標系のうちの1つを前記基準動作空間座標系、他を参照動作空間座標系として設定し、
    　前記変換行列算出部が、前記複数のロボットに設定された座標系のうち、前記参照動作空間座標系を前記基準動作空間座標系に変換する変換行列を作成し、
    　前記三次元計測データ統合部が、前記複数のロボットのそれぞれについて設定された前記複数の動作空間座標系のそれぞれにおいて前記対象物の三次元計測データを取得し、
    　前記三次元計測データ統合部が、前記参照動作空間座標系で取得した前記対象物の三次元計測データを、前記基準動作空間座標系の三次元計測データに変換して統合する
    　ことを特徴とする請求項６に記載のロボット用の座標系アライメントシステム。
  12. 　動作点を三次元的に移動するためのロボットの座標系であるロボット座標系に予め対応付けられた前記動作点の動作空間の座標系である動作空間座標系と、光切断法を実行可能であり前記動作点に対する位置及び姿勢が不変である三次元計測器の座標系である計測器座標系をアライメントするために用いられる装置であって、
    　前記動作空間座標系を規定する直交三軸のうちの二軸が載る平面に対して平行に配置された板状部材の表面に、該直交三軸のそれぞれに対して各辺が平行になるように固定された直方体状の参照物体に対し、前記三次元計測器からシート状のスリット光を照射して、該スリット光による前記参照物体への投映線を取得する投映線取得部と、
    　前記投映線のプロファイルに基づいて、前記参照物体に対する前記三次元計測器の姿勢を求める計測器姿勢算出部と、
    　を備えることを特徴とするロボット用の座標系アライメント装置。
  13. 　さらに、
    　前記参照物体の所定位置の、前記動作空間座標系における座標と、前記計測器座標系における座標を比較して差分を求め、前記計測器座標系を前記差分だけシフトさせる座標系シフト部
    　を備えることを特徴とする請求項７に記載のロボット用の座標系アライメント装置。
  14. 　さらに、
    　前記計測器姿勢算出部によって前記三次元計測器の姿勢が求められる毎に、前記参照物体に対する前記三次元計測器の姿勢を表示する表示部
    　を備えることを特徴とする請求項７又は８に記載のロボット用の座標系アライメント装置。
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