JP6565367B2 - 位置補正システム - Google Patents

Description

本発明は、柱体形状を成すワークをマニピュレータで把持する際の位置ずれを補正する位置補正システムに関する。

マニピュレータ（Manipulator）にて柱体形状を成すワークを把持し、所望の部位に取り付ける作業を行う際には、ワークに設定されている三次元座標とマニピュレータに設定されている三次元座標に位置ずれが生じていると、ワークを所望の部位に正確に取り付けることができなくなる。

ワークの位置を正確に認識する位置認識装置として、特許文献１に開示されたものが知られている。該特許文献１では、ワークの三次元位置を計測するために、レーザーの測距センサを用いて、ワークの位置を検出することが開示されている。

特開平６−３０７８１５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、ワークが柱体形状をなす場合には、レーザーが照射されない部位が存在し、奥行き方向を計測することができず、正確な位置検出ができないという問題が生じる。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、柱体形状を成すワークの三次元座標とロボット（マニピュレータ）の三次元座標との間の位置ずれを高精度に補正することが可能な位置補正システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本願発明の一態様では、ロボットで把持したワークを、ワークの一方の底面側から撮像して第１底面画像を取得する第１撮像部、及び他方の底面側から撮像して第２底面画像を取得する第２撮像部を備える。更に、前記ワークを移動させた後において、第１撮像部は、ワークの一方の底面側から撮像して第１ａ底面画像を取得し、第２撮像部は、ワークの他方の底面側から撮像して第２ａ底面画像を取得する。各底面画像に基づいて、ワークのＸ軸、Ｙ軸と、ロボットのｘ軸、ｙ軸とのずれ量を演算し、且つ、ワークの底面に対して直交する方向のＺ軸に対する、ロボットのｚ軸の傾斜角度θを演算するずれ量演算部を有する。更に、ロボットの三次元座標がワークの三次元座標に合致するように補正する位置補正制御部を備える。更に、ワークの三次元座標のＺ軸と、ロボットの三次元座標のｚ軸の位置が一致するようにワークを移動させるワーク移動機構を備える。

本発明に係る位置補正システムでは、ワークの第１底面画像、第１ａ底面画像、及び第２底面画像、第２ａ底面画像を撮像し、各画像に基づいて、ワークの三次元座標とロボットの三次元座標の位置ずれを演算し、この位置ずれを補正するので、柱体形状を成すワークの三次元座標とロボット（マニピュレータ）の三次元座標との間の位置ずれを高精度に補正することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る位置補正システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態で採用するワークの構成を示す斜視図であり、（ａ）は円柱形状、（ｂ）は２段円柱形状、（ｃ）は角柱形状を示す。 本発明の第１実施形態に係る位置補正システムの、処理手順を示すフローチャートである。 第１実施形態の位置補正システムに係り、カメラとワークとの関係を示す説明図である。 第１実施形態の位置補正システムに係り、（ａ）は上部カメラで撮像した画像、（ｂ）は下部カメラで撮像した画像を示す。 第１実施形態の位置補正システムに係り、ワークを嵌合部に挿入する様子を示す説明図である。 ワークの三次元座標とマニピュレータの三次元座標との相違を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る位置補正システムの構成を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係る位置補正システムの構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の実施形態に係る位置補正システムの構成を示すブロック図である。位置補正システム１００は、マニピュレータ１４（ロボット）の三次元座標とワーク１１の三次元座標との位置ずれを補正するものである。以下では、ワーク１１に設定されている三次元座標を大文字のＸ、Ｙ、Ｚ軸で示し、マニピュレータ１４に設定されている三次元座標を小文字のｘ、ｙ、ｚ軸で示すことにする。

図１に示すように位置補正システム１００は、柱体形状を成すワーク１１を載置する上下可動式の載置台１２（ワーク移動機構）と、該載置台１２に連結されワーク１１の上下方向（後述するＺ軸方向）の位置を検出する位置センサ１３と、を備えている。

更に、載置台１２の側部近傍に設けられた上部カメラ１５（第１撮像部）と、該上部カメラ１５に対して対向配置された下部カメラ１６（第２撮像部）を備えている。そして、マニピュレータ１４の作動により上部カメラ１５と下部カメラ１６との間の所定位置にワーク１１が置かれた際に、このワーク１１の２つの底面（上面、下面）を撮像する。即ち、上部カメラ１５は、マニピュレータ１４で把持したワーク１１を、該ワーク１１の上面（一方の底面側）から撮像して第１底面画像を取得する第１撮像部としての機能を備えている。また、下部カメラ１６は、ワーク１１を、該ワーク１１の下面（他方の底面側）から撮像して第２底面画像を取得する第２撮像部としての機能を備えている。

更に、上部カメラ１５の近傍には、ワーク１１の上面に向けて照明光を照射する上部照明１７が設けられ、下部カメラ１６の近傍には、ワーク１１の下面に向けて光を照射する下部照明１８が設けられている。また、カメラ制御部１９、照明制御部２１、及び位置補正制御部２０を備えている。

ワーク１１は、例えば車両の部品として用いる「ブッシュ」の如くの柱体形状を成している。柱体形状とは、図２（ａ）に示す円柱形状、（ｂ）に示す二重円柱形状等、同心円状の円柱形状を含む。更には、図２（ｃ）に示すように角柱を含む概念である。従って、ワーク１１は２つの底面（第１底面、第２底面）、及び、側面を備えている。例えば、図２（ａ）の場合は、ｍ１、ｍ２が第１、第２底面であり、図２（ｂ）の場合は、ｍ３、ｍ４が第１底面、ｍ５、ｍ６が第２底面である。第１底面と第２底面は互いに平行である。

上部カメラ１５、及び下部カメラ１６は、それぞれカメラ制御部１９に接続され、該カメラ制御部１９の制御により撮像が制御され、更に、各カメラ１５、１６で撮像された第１底面画像及び第２底面画像は、カメラ制御部１９に出力される。

上部照明１７、及び下部照明１８は、それぞれ照明制御部２１に接続され、点灯、消灯が制御され、更に点灯時の照度が制御される。

位置補正制御部２０は、上部カメラ１５、及び下部カメラ１６で撮像された上面の画像（第１底面画像）、及び下面の画像（第２底面画像）に基づいて、ワーク１１に設定されている三次元座標とマニピュレータ１４に設定されている三次元画像の位置ずれを検出する。そして、この位置ずれから位置補正データを演算し、この位置補正データをロボット制御装置２２に出力する。なお、位置補正の詳細については後述する。

また、位置補正制御部２０は、照明制御部２１に上部照明１７、及び下部照明１８の点灯、消灯の指令信号、及び照度の指令信号を出力する。従って、ワーク１１の上面及び下面を所望の照度で明灯することができる。更に、位置補正制御部２０は、位置センサ１３にて検出されるワーク１１の位置情報を取得し、載置台１２の高さを調整するための高さ設定信号を出力する。

即ち、位置補正制御部２０は、第１底面画像、及び第２底面画像に基づいて、ワーク１１で定義されるＸ軸、Ｙ軸と、マニピュレータ１４（ロボット）で定義されるｘ軸、ｙ軸とのずれ量を演算し、且つ、ワーク１１の底面に対して直交する方向のＺ軸に対する、マニピュレータ１４で定義されるｚ軸の傾斜角度θを演算するずれ量演算部としての機能を備えている。更に、この演算結果に基づいて、マニピュレータ１４の三次元座標がワーク１１の三次元座標に合致するように補正する機能を備えている。

ロボット制御装置２２は、位置補正制御部２０より出力される位置補正データに基づいて、マニピュレータ１４に設定されている三次元座標が、ワーク１１に設定されている三次元座標と一致するように補正する。そして、補正後の三次元座標に基づいて、ワーク１１を所望の位置に移動する作業を実行する。

なお、上述したカメラ制御部１９、位置補正制御部２０、照明制御部２１、及びロボット制御装置２２は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。

次に、第１実施形態に係る位置補正システムの作用について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。図３は、ロボット制御装置２２、及び位置補正制御部２０の処理手順を示している。

初めに、ステップＳ１１において、位置補正制御部２０は、ワーク１１の加工処理のプログラムを起動させる。

ステップＳ１２において、ロボット制御装置２２は、マニピュレータ１４の作動を開始させ、該マニピュレータ１４をｚ軸方向の所望位置へ移動させる。

ステップＳ１３において、ロボット制御装置２２は、位置補正制御部２０に高さ計測トリガを出力する。この高さ計測トリガは位置センサ１３に出力される。

ステップＳ１４において、位置センサ１３は、載置台１２の高さを示すデータを送信する。ステップＳ１５において、位置補正制御部２０は、載置台１２の高さ、及びワーク１１のサイズ（既知の数値）に基づいてワーク１１の基準点（例えば、上側の底面の中心点）のＺ軸座標を測定し、マニピュレータ１４のｚ軸座標と対比して、ワーク１１の高さ補正量であるＺ軸補正データを演算する。

ステップＳ１６において、位置補正制御部２０は、Ｚ軸補正データをロボット制御装置２２に送信する。

ステップＳ１７において、ロボット制御装置２２は、Ｚ軸補正データを取得した旨のデータを位置補正制御部２０に送信する。これにより、位置補正制御部２０は、載置台１２に高さの制御信号を出力して、ワーク１１のＺ軸方向の位置を補正する。即ち、図７（ａ）に示すようにＺ軸方向に位置ずれが生じている状態から図７（ｂ）に示すように双方の座標系のＺ軸方向の座標が一致することになる。このときの位置ずれ量をΔＺ１として記憶する。

ステップＳ１８において、位置補正制御部２０は、ワークのＺ軸方向の位置を補正したことを示す旨のデータをロボット制御装置２２に送信する。

ステップＳ１９において、ロボット制御装置２２は、マニピュレータ１４を制御して、ワーク１１が上部カメラ１５と下部カメラ１６による撮影位置に来るように移動させる。更に、ステップＳ２０において、ロボット制御装置２２は、位置補正制御部２０にカメラによる測定指令を出力する。

ステップＳ２１において、位置補正制御部２０は、カメラ制御部１９にシーン切替信号、及び撮影トリガを出力する。更に、照明制御部２１に上部照明１７、及び下部照明１８の点灯指令を出力する。その結果、各カメラ１５、１６による撮影位置に置かれたワーク１１の上面、及び下面に対して、照明１７、１８による照明光が照射される。更に、各カメラ１５、１６により、ワーク１１の上面、下面を撮像する。この際、マニピュレータ１４に設定されている三次元座標に基づいて、ワーク１１が撮影位置にきたときの画像（移動前の画像）と、ワーク１１を移動させた際の画像（移動後の画像）の双方の画像を撮像する。

ステップＳ２２において、カメラ制御部１９は、ワーク１１の上面、下面を撮像した移動前の画像データ、及び移動後の画像データを位置補正制御部２０に送信する。

ステップＳ２３において、位置補正制御部２０は、移動前の画像データ、及び移動後の画像データに基づいて、マニピュレータ１４の三次元座標の補正量を演算し、補正データとする。そして、ステップＳ２４において、演算した補正データをロボット制御装置２２に送信する。なお、補正データの演算方法については後述する。

ステップＳ２５において、ロボット制御装置２２は、補正データを取得し、この補正データに基づいてマニピュレータ１４に設定されている三次元座標を校正する。そして、校正後の三次元座標に基づいて、ワーク１１の締結、位置決め等の処理を実行する。従って、ワーク１１の三次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に対して、マニピュレータ１４の三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）に位置ずれが生じている場合でも、この位置ずれを補正してマニピュレータ１４の三次元座標を設定できるので、マニピュレータ１４による作業を確実に実行することが可能となる。

ステップＳ２６において、ロボット制御装置２２は、補正データを取得したことを示す旨のデータを位置補正制御部２０に出力する。この補正データは、位置補正制御部２０が有するメモリ等の記憶部（図示省略）に記憶し、次回マニピュレータ１４を用いて作業を実行する際の補正データとして使用する。

ステップＳ２７において、位置補正制御部２０は、位置決めが完了したことを示すデータをロボット制御装置２２に出力する。こうして、柱体形状を有するワーク１１に対して、該ワーク１１に設定されている三次元座標と、マニピュレータ１４に設定されている三次元データを合致させることができるのである。

次に、上述したステップＳ２３の処理で実行される補正データの演算方法を、図４、図５を参照して説明する。なお、図４において、上下方向がＺ軸方向であり、左右方向がＹ軸方向であり、紙面に直交する方向がＸ軸方向である。

そして、上述したように載置台１２にワーク１１が載置されると、ワーク１１が所望の高さになるように調整される。即ち、図７（ａ）に示すように、Ｚ軸方向に位置ずれしている状態から、図７（ｂ）に示すようにＺ軸が一致するように補正される。そして、ワーク１１に設定されているＺ軸座標とマニピュレータ１４に設定されているｚ軸座標との位置ずれΔＺ１が求められる。

マニピュレータ１４によりワーク１１が把持され、上部カメラ１５と下部カメラ１６との間の撮像位置に置かれると、上部カメラ１５、及び下部カメラ１６により、ワーク１１の上面、及び下面を撮像する。その結果、移動前の上面画像（第１底面画像）及び下面画像（第２底面画像）が得られる。更に、ワーク１１と各カメラ１５、１６との間の距離が適正な距離になるように、ワーク１１を移動させて上面、及び下面を撮像する。その結果、移動後の上面画像及び下面画像が得られる。

図５（ａ）は、上面画像を示し、Ｄ１はワーク１１の移動前の画像、Ｄ２はワーク１１の移動後の画像を示している。また、図５（ｂ）は、下面画像を示し、Ｄ３はワーク１１の移動前の画像、Ｄ４はワーク１１の移動後の画像を示している。

上部カメラ１５で撮像された上面画像Ｄ１、Ｄ２において、移動前のワーク１１の上面の中心点の座標を（Ｘ１’，Ｙ１’）とし、移動後の中心点の座標を（Ｘ１”，Ｙ１”）とする。また、下部カメラ１６で撮像された下面画像Ｄ３、Ｄ４において、移動前のワーク１１の下面の中心点の座標を（Ｘ２’，Ｙ２’）とし、移動後の中心点の座標を（Ｘ２”，Ｙ２”）とする。また、Ｚ軸方向の座標がＺ’からＺ”に移動したものとする。

すると、上部カメラ１５の座標平面を基準とした場合、Ｘ軸方向の補正量ΔＸ、Ｙ軸方向の補正量ΔＹ、Ｚ軸方向の補正量ΔＺ、Ｘ軸方向の傾斜角度ωＸ、及び、Ｙ軸方向の傾斜角度ωＹは、下記の（１）〜（５）式で演算することができる。
ΔＸ１＝Ｘ１”−Ｘ１’ …（１）
ΔＹ１＝Ｙ１”−Ｙ１’ …（２）
ΔＺ１＝Ｚ１”−Ｚ１’ …（３）
ΔωＸ＝tan^−１｛（ΔＹ２−ΔＹ１）／Ｌ｝ …（４）
但し、ΔＹ２＝Ｙ２”−Ｙ２’
ΔωＹ＝tan^−１｛（ΔＸ２−ΔＸ１）／Ｌ｝ …（５）
但し、ΔＸ２＝Ｘ２”−Ｘ２’

そして、上記（３）式により、Ｚ軸方向の位置ずれ量ΔＺ１が得られるので、図７（ａ）に示す三次元座標から図７（ｂ）に示す三次元座標に補正できる。また、上記（１）、（２）式により、Ｘ軸、Ｙ軸方向の位置ずれ量ΔＸ１、ΔＹ１が得られるので、図７（ｂ）に示す三次元座標から、図７（ｃ）に示す三次元座標に補正できる。

更に、上記（４）、（５）式により、Ｚ軸の、Ｘ軸方向の傾斜角度ΔωＸ、及びＹ軸方向の傾斜角度ΔωＹが得られるので、これらのデータから、ワーク１１に設定された三次元座標のＺ軸に対する、マニピュレータ１４に設定された三次元座標のｚ軸の傾斜角度θを求めることができる。従って、傾斜角度θを補正すすることにより、図７（ｃ）に示す三次元座標から、図７（ｄ）に示す三次元座標に補正することができる。その結果、双方の三次元座標、即ち、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の座標と（ｘ、ｙ、ｚ）の座標が一致するように校正される。

その後、図７（ｅ）に示すように、校正後の三次元座標に基づいてマニピュレータ１４によりワーク１１を把持し、該ワーク１１を所望部位に取り付ける等の処理を高精度に実行することが可能となる。

このようにして、第１実施形態に係る位置補正システム１００では、柱体形状を成すワーク１１の上面（第１底面）、及び下面（第２底面）を上部カメラ１５、及び下部カメラ１６の２台のカメラで撮像し、得られた画像に基づいて、ワーク１１の３次元方向の位置ずれ量を検出する。そして、検出された位置ずれ量に基づいて、ワーク１１に設定されている三次元座標と、マニピュレータ１４に設定されている三次元座標軸が一致するように補正する。従って、マニピュレータ１４を用いてワーク１１を把持して作業を実行する場合には、ワーク１１を確実に所望部位に移動させることが可能となる。

その結果、例えば、図６に示すようにワーク１１が、その嵌合部３１に対して位置ずれが生じている場合でも、双方の座標軸を一致させることにより、確実にワーク１１を嵌合部３１に嵌合させることが可能となる。

また、載置台１２を作動させてワークの三次元座標のＺ軸と、マニピュレータ１４の三次元座標のｚ軸の位置が一致するようにワーク１１を移動させるので、簡単な操作でＺ軸方向の位置ずれを求めることができる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態に係る位置補正システムに係る上部カメラ１５、下部カメラ１６、及びその周辺機器を模式的に示す説明図である。図８に示すように、第２実施形態では、上部カメラ１５の撮像面を上下方向（軸方向）に移動可能な上部移動機構３２（撮像部移動機構；例えば、シリンダ）を備え、更に、下部カメラ１６の撮像面を上下方向（軸方向）に移動可能な下部移動機構３３（撮像部移動機構；例えば、シリンダ）を備えている。

こうすることにより、ワーク１１のＺ軸方向の長さの大小に応じて各カメラ１５、１６の位置を適切な位置（所望の距離）に合わせることが可能となる。従って、ワーク１１の大きさが変化する場合でも、該ワーク１１の上面、及び下面の画像を高精度に撮像することができ、ワーク１１に設定された三次元座標と、マニピュレータ１４に設定された三次元座標を確実に一致させることができるようになる。

［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図９は、第３実施形態に係る位置補正システムに係る載置台１２、及びその周辺機器を模式的に示す説明図である。

図９に示すように、第３実施形態に係る位置補正システムでは、ワーク１１を載置するための載置台１２を上下に移動させる上下移動機構３４、及び載置台１２を左右に移動させる左右移動機構３５を備えている点で前述した第１実施形態と相違する。

そして、このような構成とすることにより、載置台１２を上下方向（Ｚ軸方向）に移動させるのみならず、水平方向へ移動させることができるので、該載置台１２に載置したワーク１１を各カメラ１５、１６の間の撮影領域へ移動させることができる。その結果、ワークが撮影領域に移動した状態でマニピュレータ１４によりワーク１１を把持して、座標を補正することができるので、作業効率を向上させることが可能となる。

以上、本発明の位置補正システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

１１ ワーク
１２ 載置台
１３ 位置センサ
１４ マニピュレータ（ロボット）
１５ 上部カメラ（第１撮像部）
１６ 下部カメラ（第２撮像部）
１７ 上部照明
１８ 下部照明
１９ カメラ制御部
２０ 位置補正制御部
２１ 照明制御部
２２ ロボット制御装置
３１ 嵌合部
３２ 上部移動機構（撮像部移動機構）
３３ 下部移動機構（撮像部移動機構）
３４ 上下移動機構
３５ 左右移動機構
１００ 位置補正システム

Claims (3)

1. 柱体形状を成すワークをロボットで把持する際の、前記ワークの三次元座標と、前記ロボットの三次元座標の位置ずれを補正する位置補正システムにおいて、
   前記ロボットで把持したワークを、前記ワークの一方の底面側から撮像して第１底面画像を取得する第１撮像部、及び他方の底面側から撮像して第２底面画像を取得する第２撮像部を有し、
   更に、前記ワークを移動させた後において、
   前記第１撮像部は、前記ワークの前記一方の底面側から撮像して第１ａ底面画像を取得し、前記第２撮像部は、前記ワークの前記他方の底面側から撮像して第２ａ底面画像を取得し、
   更に、
   前記第１底面画像、前記第１ａ底面画像、及び前記第２底面画像、前記第２ａ底面画像に基づいて、前記ワークで定義されるＸ軸、Ｙ軸と、前記ロボットで定義されるｘ軸、ｙ軸とのずれ量を演算し、且つ、前記ワークの底面に対して直交する方向のＺ軸に対する、前記ロボットで定義されるｚ軸の傾斜角度θを演算するずれ量演算部と、
   前記ずれ量演算部での演算結果に基づいて、前記ロボットの三次元座標が前記ワークの三次元座標に合致するように補正する位置補正制御部と、
   前記ワークの三次元座標のＺ軸と、前記ロボットの三次元座標のｚ軸の位置が一致するように前記ワークを移動させるワーク移動機構と、
   を備えたことを特徴とする位置補正システム。
2. 前記ワーク移動機構に搭載されて前記ワークを載置する載置台を備え、更に、前記載置台を前記第１撮像部と第２撮像部との間の領域に移動させる左右移動機構を備えたこと
   を特徴とする請求項１に記載の位置補正システム。
3. 前記第１撮像部、及び第２撮像部のうち少なくとも一方は、撮像面を軸方向に移動させる撮像部移動機構を更に備え、
   該撮像部移動機構は、前記第１撮像部と前記ワークとの距離、及び前記第２撮像部と前記ワークとの距離を所望の距離とすること
   を特徴とする請求項１または２に記載の位置補正システム。

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