JPH0961117A - 三次元位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザ光軸に対し全周方向に対象物の部材端部
を検出でき、レーザ光を走査する必要がなく、装置を小
型化でき、スキャナのような可動部がなくて済み信頼性
が高く、計測精度が高く、処理時間が短い三次元位置検
出装置を提供。 【解決手段】円錐状の拡がりを持つリング光１２を照射
するリングレーザ光源１と、この光源１の投影中心と自
己のレンズ中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向に光軸
を有するカメラ３と、カメラからの出力画像を記憶する
画像メモリ５と、リング光１２の画像を登録しておく登
録メモリ７と、画像メモリ５内の一走査線に沿って横方
向に移動しながら登録メモリ７の登録画像の少なくとも
一部を検出する相関演算器８と、相関演算器８により検
出された領域の画像上での座標を検出する画像座標検出
手段９と、この検出手段９により検出された座標から対
象物１３までの距離を計算する三次元座標計算手段１０
とを具備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、塗装ロボットや溶
接ロボットなどの産業用ロボットに装備され、塗装作業
や溶接作業などを行なう際の対象物までの距離計測や端
部検出等に用いられる三次元位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】塗装ロボットや溶接ロボットなどの産業
用ロボットに、目的とする作業をさせる場合、当該ロボ
ットにどのような作業を行なうべきかを指示する作業デ
ータを予め与えておく必要がある。最も簡単な作業デー
タの与え方として、所謂ティーチングプレイバック方式
がある。このティーチングプレイバック方式は、作業対
象物を設置した状態において、操作員が産業用ロボット
をマニュアル操作で動かし、このときの操作データを記
憶させ、この記憶させたデータを用いて以降の作業行な
わせるものである。

【０００３】しかしながら上記ティーチングプレイバッ
ク方式では、実際の作業時において対象物をデータ入力
時と全く同一の状態に設置しなければならないため、工
数の多い上、作業効率が低いなどの欠点がある。しか
も、産業用ロボット自身のたわみや、外乱に弱いといっ
た問題もある。

【０００４】そこで、産業用ロボットの手先、または他
の位置から対象物までの位置を計測し、産業用ロボット
との相対的な位置関係を求めて位置決めをする装置が必
要となる。なお、対象物の表面を産業用ロボット自身が
倣うことができれば、ティーチングプレイバック方式に
よるデータ入力の必要がなくなり、工数の削減、作業効
率の向上が期待できる。

【０００５】図４は、従来の三次元位置検出装置を示す
図であって、産業用ロボットの手先または他の位置に取
付けられ、対象物までの距離や形状を計測するものとな
っている。図４に示すように、この三次元位置検出装置
においては、スリットレーザ光源１４から出射されたス
リット光１５が、対象物１３に向かって照射される。ス
リットレーザ光源１４はレーザ管の前に円柱レンズ（不
図示）を設置したものであり、駆動回路２から電源を供
給されて駆動されると、レーザビーム光をスリット光１
５に変換して出力するものである。

【０００６】対象物１３に照射されたスリット光１５は
カメラ３により撮像される。カメラ３は、スリット光１
５の平面に対して垂直な方向に、スリットレーザ光源１
４から一定距離Ｄだけ離れた位置に設置されている。カ
メラ３の前面には光学バンドパスフィルタ４が装着され
ている。光学バンドパスフィルタ４は、その最大透過波
長を、スリットレーザ光源１４の発振波長に合わせてあ
り、透過波長幅を十分狭くしてある。こうすることによ
り、カメラ３が撮像する画像にはスリット光１５のみが
写ることにとなる。

【０００７】カメラ３から出力される画像は、画像メモ
リ５に記憶される。画像メモリ５に記憶された画像は、
上部の走査線から順次水平方向に読み出され、二値化回
路６に入力される。

【０００８】二値化回路６は、入力された画像の濃度を
予め設定された閾値と比較し、閾値以上の濃度であれば
Ｈ信号を出力し、閾値未満の濃度であればＬ信号を出力
するものとなっている。二値化回路６の出力は画像座標
検出手段９に入力する。

【０００９】画像座標検出手段９は、二値化回路６から
の画像転送開始時において「０」にリセットされて走査
線数を計数する第１のカウンタと、各走査線の最初にお
いて「０」にリセットされてデータ数を計数する第２の
カウンタとから構成されている。そして二値化回路６か
らＨ信号のデータが入力されると、その時の第１のカウ
ンタの値を画像上の縦座標（ｊ座標）とし、第２のカウ
ンタの値を横座標（ｉ座標）として出力する。座標検出
手段９から出力された座標値（ｉ，ｊ）は三次元座標計
算手段１０に入力される。

【００１０】カメラ３は、前述したように、スリット光
１５の平面に垂直な方向にスリットレーザ光源１４から
距離Ｄだけ離れた位置に設置されているため、カメラ３
から対象物１３までの距離Ｌ1 ，Ｌ2 により画像上に写
るスリット光１５の位置が異なる。

【００１１】図５の（ａ）は、カメラ３の左側にスリッ
トレーザ光源１４が位置している場合におけるスリット
光像の位置変化の様子を示している。図５の（ａ）の下
側にあるスリット光像は距離Ｌ1 の位置を示しており、
上側にあるスリット光像は距離Ｌ2 の位置を示してい
る。即ち、画像上でのスリット光１５のｉ座標が対象物
１３までの距離を示しており、図の左に行くほどカメラ
３に近いことになる。これは公知の三角測量の原理であ
る。

【００１２】図４に説明を戻す。三次元座標計算手段１
０では入力される座標値（ｉ，ｊ）のｉ座標に注目し
て、三角測量の原理により、対象物１３までの距離が求
められる。三次元座標計算手段１０で求められた対象物
１３までの距離は、表示器１１に表示される。また上記
の距離情報は、産業用ロボットに直接入力されて、産業
用ロボットの制御に使用される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の装置で
は、スリット光１５を用いているために、図５の（ａ）
に示すように、対象物１３の部材端部とスリット光１５
とが略直交しているときには、対象物１３の端部倣いが
行なえるが、図５の（ｂ）に示すように対象物１３の部
材端部とスリット光１５とがほぼ平行となっている時に
は、対象物１３の部材端部が不明となる。このため、ス
リット光１５をスキャナなどにより別途走査して検出す
る必要があり、装置が大型化する。また、スリット光１
５の形状が単純なため、画像上に何らかのノイズが入っ
たときに、真実のスリット光像とノイズとの区別がつか
ず、誤計測してしまうおそれがある。更に、スリット光
１５が画像上の全ての領域に撮像される可能性があり、
常に画像全体が処理対象となるため、長い処理時間を要
するといった問題があった。

【００１４】本発明の目的は下記効果を奏する三次元位
置検出装置を提供することにある。 (a) レーザ光軸に対して全周方向に対象物の部材端部を
検出することができ、レーザ光を走査する必要がなく、
装置を小型化でき、かつ、スキャナのような可動部がな
くて済むため信頼性が向上する。

【００１５】(b) 小さなノイズや、形の異なるノイズと
の区別を明確に行なえ、誤計測が極めて少なくなり、計
測精度の向上が図れる。 (c) 検出に当たっては画像メモリ上の一走査線上のみの
探索で済み、処理時間の短縮が図れる。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明においては以下に示す手段が用
いられている。本発明の三次元位置検出装置は、円錐状
の拡がりを持つリング光を照射するリングレーザ光源
と、このリングレーザ光源の投影中心と自己のレンズ中
心とを結ぶ直線に対して垂直な方向に光軸を有するカメ
ラと、このカメラから出力される画像を記憶するための
画像メモリと、前記リング光の画像を予め登録しておく
登録メモリと、前記画像メモリ内の一走査線に沿って横
方向に移動しながら前記登録メモリに登録されているリ
ング光の画像の少なくとも一部を検出するための相関演
算器と、この相関演算器により検出された領域の画像上
での座標を検出する画像座標検出手段と、この画像座標
検出手段により検出された座標から対象物までの距離を
計算する三次元座標計算手段とを備え、前記対象物に向
かって照射された前記リング光を前記カメラで撮像し、
撮像された画像中から予め登録されている画像の一部ま
たは全部を画像メモリ上の一走査線に沿って横方向に検
出することにより、対象物までの距離を計測するように
構成されている。

【００１７】上記三次元位置検出装置においては、リン
グレーザ光源から対象物に向かってリング光が照射され
る。一方、カメラはリングレーザ光源の投影中心と自己
のレンズ中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向に光軸を
有しており、カメラの光軸とリングレーザ光源の投影中
心とを含む平面と対象物平面との成す交線が、カメラ光
軸と直交するように対象物を撮像すると、画像上でのリ
ング光像は常に同じ大きさで、かつ、カメラと対象物の
距離に応じて画像上を横方向に移動するのみとなる。そ
こで、リング光の画像を予め登録メモリに記憶させてお
き、カメラから出力される画像は画像メモリに記憶させ
る。相関演算器には画像メモリからの画像を二値化した
画像と、登録メモリからの登録画像とが入力される。

【００１８】上述のようにリング光像は画像メモリ上を
横方向にしか移動しないため、相関演算器では、画像メ
モリ上の一定のｊ座標において、登録メモリ内の登録画
像の一部または全部と相関の高い領域、即ちよく一致す
る領域を、１個または複数個検出し、画像座標検出手段
に出力する。

【００１９】画像座標検出手段では、相関演算器からの
入力に基づいて登録画像の一部または全部から、その領
域を含むリング光像の中心の画像座標が検出される。画
像座標検出手段で検出されたリング光像の中心座標は、
三次元座標計算手段に入力され、対象物表面までの距離
が計算される。

【００２０】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図１は、本発明の第１実施形態に係る
三次元位置検出装置の構成を示す図である。図１に示す
ように、リングレーザ光源１から出射されたリング光１
２は、対象物１３に向けて照射される。リングレーザ光
源１は、レーザ管の前に円錐レンズ（不図示）を設置し
たものであり、駆動回路２から電源を供給されて駆動さ
れると、レーザビーム光をリング光１５に変換して出力
するものである。

【００２１】カメラ３はリングレーザ光源１の投影中心
と自己のレンズ中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向に
光軸を有しており、カメラ３の光軸とリングレーザ光源
１の投影中心を含む平面と、対象物１３の平面との成す
交線が、カメラ光軸と直交するように対象物を撮像す
る。

【００２２】カメラ３の前面には光学バンドパスフィル
タ４が装着されている。光学バンドパスフィルタ４は、
最大透過波長をリングレーザ光源１の発振波長と合わせ
てあり、透過波長幅を十分狭くしてある。こうすること
により、カメラ３が撮像する画像にはリング光１２のみ
が写ることになる。上記撮像系による位置検出の原理に
ついて、図２を用いて説明する。

【００２３】図２の（ａ）は本装置における撮像系にお
ける座標系を示す図である。カメラ３のレンズ中心に座
標系の原点を置き、カメラ３の光軸方向をＺ軸、原点か
らレーザの投影中心に向かう軸をＸ軸、このＸ軸とＺ軸
とを含むＸＺ平面に垂直な向きをＹ軸とする。

【００２４】リング光１２は、レーザ投影中心を頂点と
する円錐形の拡がりを持ち、その拡がり角をＺ軸に平行
な直線から見てそれぞれθ1 、θ2 とする。またカメラ
３はレンズの中心から焦点距離ｆだけ離れた位置に撮像
面を有し、対象物面に照射されたリング光１２の位置Ｐ
1 、Ｐ2 からの像の入射角をそれぞれω1 、ω2 とす
る。

【００２５】以上の状態で、まずリング光像の大きさに
ついて求めると、図２の（ａ）のｘがリング光の大きさ
を示すことになる。次に、カメラ３から距離Ｌだけ離れ
た位置にある対象物面上のリング光１２の位置Ｐ1 およ
びＰ2 は（１）式で表される。

【００２６】 Ｐ1 ＝（Ｌ，Ｄ＋ｔａｎθ1 ） Ｐ2 ＝（Ｌ，Ｄ＋ｔａｎθ2 ） …（１） 従って、位置Ｐ1 およびＰ2 からカメラ３の撮像面への
像の入射角は、次式で表される。

【００２７】 ω1 ＝ｔａｎ^-1｛（Ｄ＋Ｌｔａｎθ1 ）／Ｌ｝ ω2 ＝ｔａｎ^-1｛（Ｄ＋Ｌｔａｎθ2 ）／Ｌ｝ …（２） この結果、撮像面でのリング光像の大きさｘは、（３）
式となる。

【００２８】 ｘ＝ｆ（ｔａｎω2 −ｔａｎω1 ） ＝ｆ［｛（Ｄ＋Ｌｔａｎθ2 ）／Ｌ｝−｛（Ｄ＋Ｌｔａｎθ1 ）／Ｌ｝］ ＝ｆ（ｔａｎθ2 −ｔａｎθ1 ） …（３） （３）式から明らかなように、リング光像の大きさｘ
は、距離Ｌに依存していない。

【００２９】即ち距離Ｌが変化しても、リング光像の大
きさは一定である。上式を用いて、Ｘ軸周りの全ての平
面について同様の計算が行なえる。またレーザ投影中心
と、カメラ３のレンズ中心とがＸ軸上に並ぶように設置
されている為、図２の（ａ）の紙面に垂直な方向ではθ
1 ＝ω1 ，θ2 ＝ω2 となり、これも距離Ｌには無関係
に一定の大きさとなる。

【００３０】以上のことから、カメラ３にて撮像される
リング光１２の画像は、カメラ３と対象物１３の距離Ｌ
によらず全く同一の大きさ、形状であることが判る。次
に、リング光像の画像上での中心位置を求める。撮像面
上での中心位置ｘ₀は、（４）式で表される。

【００３１】 ｘ₀ ＝ｆ｛（Ｄ＋Ｌｔａｎθ）／Ｌ｝ ＝（ｆＤ／Ｌ）＋ｆｔａｎθ …（４） 即ち、カメラ３と対象物１３の距離Ｌに反比例して横方
向に移動する。縦方向には、レーザ投影中心とカメラ３
のレンズ中心とがＸ軸上に並ぶように設置されているた
め移動は生じない。

【００３２】以上のことをまとめると、図２の（ｂ）に
示すように、同じ大きさのリング光像が、距離Ｌが小か
ら大へと変化するのに伴って、画像上を左から右に向か
って移動することになる。このときのリング光像の中心
位置の直線軌跡を以下エピポーララインと呼ぶ。

【００３３】図１に説明を戻す。登録メモリ７には、予
め平板などにリング光１２を照射した結果得られる完全
な形のリング光像を記憶させておく。相関演算を簡単に
するため、登録画像は二値化しておく。

【００３４】カメラ３から出力される画像は、画像メモ
リ５に記憶される。画像メモリ５から出力される画像
は、二値化回路６に入力される。二値化回路６は、入力
された画像の濃度を予め設定された閾値と比較し、閾値
以上の濃度であればＨ信号を出力し、閾値未満の濃度で
あればＬ信号を出力する。

【００３５】図３の（ａ）は、図１のような段差を持つ
対象物１３を撮像したときに得られる二値化画像の一例
を示す図である。図３の（ａ）から明らかなように、対
象物１３の上段の平面で反射したリング光１２の一部分
は画面の左側に、また下段の平面で反射したリング光１
２の一部分は画面の右側に、それぞれ分れて撮像され
る。

【００３６】二値化回路６の出力および登録メモリ７の
出力は相関演算器８に入力される。相関演算器８は、論
理積回路とカウンタとで構成されており、入力される二
つの二値化画像の両方がＨ信号のときに相関値を計数す
るように動作する。

【００３７】図３の（ｂ）に示すように、登録メモリ７
には完全な形のリング光像の二値化画像が登録されてい
る。図３の（ｃ）に示すように、図３の（ａ）のような
入力画像に関しては、ｊ1 （＝ｊ2 ）座標がエピポーラ
ラインとなる。このエピポーララインは、カメラ３とリ
ングレーザ光源１を設置した時点で決定されるので、対
象物１３の計測時には既知の情報として扱える。

【００３８】相関演算器８は、入力画像の左端から順に
登録画像の中心位置を１画素づつずらしながら、エピポ
ーラライン上に沿って登録画像と入力画像との論理積を
求める。登録画像の中心が（ｉ1 ，ｊ1 ）座標に到達す
ると、入力画像中の対象物１３の上部での反射光像と登
録画像の左側部分とが一致する。そこで両者の論理積を
とると、上部での反射光像分の「Ｈ」の領域が得られ
る。従って、相関演算器８内のカウンタでは、リング光
像の約半分の数だけの相関値を計数することになる。

【００３９】同様に、登録画像の中心が（ｉ2 ，ｊ2 ）
座標に到達すると、入力画像中の対象物１３の下部での
反射光像と登録画像の右側部分とが一致する。そこで両
者の論理積をとると、下部での反射光像分の「Ｈ」の領
域が得られる。従って相関演算器８内のカウンタでは、
リング光像の約半分の数だけの相関値を計数することに
なる。その他のエピポーラライン上の位置では、ほとん
ど相関値が計数されることはない。

【００４０】再び図１に説明を戻す。相関演算器８の出
力は画像座標検出手段９に入力される。画像座標検出手
段９は、入力される相関値と閾値とを比較する比較回路
と、相関演算器８からの相関値入力開始時において
「０」にリセットされ、相関値が一つ入力される毎に１
づつ計数するカウンタとで構成されており、入力される
相関値が登録画像にある程度近いと判断される閾値、例
えば登録画像中のリング光像の画素数の約半分の値以上
の大きさであるとすると、その時のカウンタの値、即
ち、画像上でのｉ座標を出力する。また、ｊ座標はエピ
ポーララインの位置であるため、これは固定値（ｊ1 ）
を出力する。

【００４１】画像座標検出手段９から出力される座標
は、三次元座標計算手段１０に入力される。三次元座標
計算手段１０においては、入力された座標（ｉ1 ，ｊ1
）および（ｉ2 ，ｊ2 ）のｉ座標から、（４）式を用
いて対象物１３までの距離Ｌを計算する。ここでｉ座標
と（４）式のｘ₀ の関係は（５）式で表される。 ｘ₀ ＝αｉ …（５） ここで、αは一定の係数で（撮像素子の幅）／（画像メ
モリの横方向画素数）で求められる。

【００４２】三次元座標計算手段１０で求められた対象
物１３までの距離Ｌは、表示器１１に表示される。また
距離Ｌを示す情報は上記産業用ロボットに直接入力され
て、産業用ロボットの制御に使用される。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、次のような効果を奏す
る三次元位置検出装置を提供できる。 (a) ビーム形状が円形であるため、レーザ光軸に対して
全周方向に対象物の部材端部を検出することができ、レ
ーザ光を走査する必要がなく、装置を小型化でき、か
つ、スキャナのような可動部がなくて済むため信頼性が
向上する。

【００４４】(b) リング光の検出において、完全な形の
リング光との相関値を求めて、閾値との比較判定を行っ
ているため、小さなノイズや、形の異なるノイズとの区
別を明確に行なえ、誤計測が極めて少なくなり、計測精
度の向上が図れる。 (c) リング光がエピポーラライン上しか移動しないた
め、その検出に当たっては画像メモリ上の一走査線上の
みの探索で済み、処理時間の短縮が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る三次元位置検出装
置の構成を示す図。

【図２】本発明の第１実施形態に係る三次元位置検出装
置の撮像系による位置検出原理を説明するための図。

【図３】本発明の第１実施形態に係る三次元位置検出装
置の作用説明図。

【図４】従来例に係る三次元位置検出装置の構成を示す
図。

【図５】従来例に係る三次元位置検出装置による部材端
部の検出動作説明図。

【符号の説明】

１…リングレーザ光源 ２…レーザ光源駆動回路 ３…カメラ ４…光学バンドパスフィルタ ５…画像メモリ ６…二値化回路 ７…登録メモリ ８…相関演算器 ９…画像座標検出手段 １０…三次元座標計算手段 １１…表示器 １２…リングレーザ光 １３…対象物 １４…スリットレーザ光源 １５…スリット光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円錐状の拡がりを持つリング光を照射する
   リングレーザ光源と、 このリングレーザ光源の投影中心と自己のレンズ中心と
   を結ぶ直線に対して垂直な方向に光軸を有するカメラ
   と、 このカメラから出力される画像を記憶するための画像メ
   モリと、 前記リング光の画像を予め登録しておく登録メモリと、 前記画像メモリ内の一走査線に沿って横方向に移動しな
   がら前記登録メモリに登録されているリング光の画像の
   少なくとも一部を検出する相関演算器と、 この相関演算器により検出された領域の画像上での座標
   を検出する画像座標検出手段と、 この画像座標検出手段により検出された座標から対象物
   までの距離を計算する三次元座標計算手段とを有し、 前記対象物に向かって照射された前記リング光を前記カ
   メラで撮像し、撮像された画像中から予め登録されてい
   る画像の一部または全部を画像メモリ上の一走査線に沿
   って横方向に検出することにより、対象物までの距離を
   計測する事を特徴とする三次元位置検出装置。