JPH08500460A

JPH08500460A - ロボットで運ばれるセンサーや道具のような可動物体の３次元における位置を特定する方法及び装置

Info

Publication number: JPH08500460A
Application number: JP7501420A
Authority: JP
Inventors: マークアビトボル; ジーン−ラクマイラート
Original assignee: Sollac SA
Current assignee: Sollac SA
Priority date: 1993-06-11
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1996-01-16
Also published as: WO1994029774A1; EP0655148B1; KR950703171A; FR2706345B1; DE69415780D1; FR2706345A1; EP0655148A1; US5784282A

Abstract

(57)【要約】決められた 3 次元領域内において移動可能な物体の位置を、その可動物体 (1 4 ) に設けられたビデオカメラ ( 2 0 ) などで特定するための方法及び装置であって、そのビデオカメラ( 2 0 ) は、可動物体 ( 1 4 ) の周りに配置された目標 ( 2 2 ) を観測するために旋回可能であり、可動物体の位置を方位を三角測量で正確に決定することができる。この発明は、主として、ロボットに設けられたセンサーや道具の位置と方位を正確に決定するために適用される。

Description

【発明の詳細な説明】ロボットで運ばれるセンサーや道具のような可動物体の 3 次元における位置を特定する方法及び装置この発明は、与えられた 3 次元の位置あるいは領域に移動可能な、例えばロボットで運ばれるセンサーや道具のような可動物体の 3 次元における位置を特定する方法及び装置に関する。ロボットに積まれたセンサーや道具の位置と方位を正確に知りたい場合、ロボットの位置と方位、あるいはその移動位置は、センサーや道具の位置と方位を計算して演鐸できるほど十分な正確性が確立しておらず、その目的のためには、比較的複雑で非常に費用のかかる手段を使用する必要かある。例えば、ロボットの移動領域のあたりに、ロボットに備えた参照マークや目標を観測する少なくとも 2 つの系を配置する必要がある。高い正確性を必要とする場合には、セオドライトが使用されるが、これは非常に高価で操作の難しい装置である。この発明の主たる目的は、従来技術のこれらの欠点を避けることである。この発明は、三角測量により可動物体の位置を特定する方法及び装置を提供するものであり、高度の正確性を得ることができ、セオドライドを用いて得られる正確性に匹敵し、しかし、唯一の安価な観測システム(sighting system)を必要とするのみである。このため、この発明は、例えばロボットで運ばれるセンサーや道具のような可動物体の 3 次元における位置を特定する方法を提供する。この方法は、可動物体に対して少なくとも 1 つの軸で旋回できるように、可動物体に例えばＣＣＤタイプのビデオカメラのような感光性検出器を旋回可能に載置し、その感光性検出器を用いて、可動物体の移動領域に対して所定の位置にに配置された目標を観測し、観測した目標に対応する感光性検出器の光軸の位置を決定し、可動物体の正確な位置と方位を三角測量によって演鐸することからなることを特徴としている。したがって、この発明は、以下の点において従来技術と本質的に異なっている。すなわち、この発明においては、信頼性が高く確実に安価な装置である、例えば白黒カメラのようなＣＣＤビデオカメラから構成されるか、あるいはその代わりに四分儀検出器で構成することが可能な観測システムが、可動物体に搭載されている。感光性検出器は、上記の特定軸（単一又は各々）に対して段階的に回転可能であり、各位置が高度な反復能力で規定された所定の角度位置を占めることが好ましい。さらに、事前の較正操作により、各所定の角度位置における感光性検出器の光軸の方向を正確に規定することができる。また、他の較正操作により、感光性検出器を旋回させる手段に対し、特定のパラメータを正確に決定することができる。また、この発明は、可動物体で運ばれ、その可動物体上で少なくとも 1 つの軸に対して旋回可能な、例えはＣＣＤタイプのビデオカメラのような感光性検出器と、その感光性検出器の旋回軸に対して感光性検出器の角度位置を決定する手段と、可動物体の移動領域に対して所定の位置に設置された目標と、上記感光性検出器に接続され、感光性検出器によって観測された目標に対応する信号を受けるとともに、その信号から三角測量により可動物体の正確な位置と方位を演鐸するデータ処理手段とからなることを特徴とする、ロボットで運ばれるセンサーや道具のような可動物体の 3 次元における位置を特定する装置を提供するものである。上記装置は、高度な反復能力で規定された角度位置内で感光性検出器を移動させることが可能な、感光性検出器のステップ的回転のためのモータ具備手段を有するのが有利である。目標は、可動物体の移動領域の外側、例えばその領域の周りに配置されていることが好ましく、互いに所定の間隔を置いて形成され、一連の参照マークを有するパネルから構成されていることが好ましい。各目標は、少なくとも 2 つのタイプの参照マークからなり、そのマークは、異なる容量の光反射または拡散を有する材料から作られたボールまたは球体で構成するのが有利である。一般に、この発明は、与えられた 3 次元の領域内で移動可能な物体の位置を正確に特定することができ、ロボットで運ばれるセンサーや道具の位置及び／又は方位の微細な訂正や、ロボットで運ばれる可動センサーによって連続的に提供されるデータの相互の較正に等しく利用できる。この発明は、実施例により、かつ添付図面を参照した次の記述を読むことにより、より良く理解され、また、他の特徴、詳部や利点がより明確になるであろう。図 1 はこの発明の装置の全体図である。図 2 はこの発明の原理を示する斜視図である。図 3 はこの発明の装置に用いるビデオカメラによる手段の拡大斜視図である。まず、この発明の適用例を示す図 1 を参照して説明する。この発明は、参照面 1 2 上に置かれた測定物 1 0 の 3 次元形状を、接触することなく光学的に測定するものであり、この発明の装置は、 3 つの直交軸Ｘ，Ｙ，Ｚに沿って測定物 1 0上で位置を変えることができる光学的センサー ( 3 次元センサー） 1 4 からなり、その光学的センサーは、例えば、構台 1 8 に沿って移動可能で、かつ直交軸Ｘ，Ｙ，Ｚに沿って光学的センサー 1 4 を移動させるためのモータ具備手段を含む移動体 1 6 によって運ばれる。光学的センサー 1 4 で連続的に与えられる、測定物 1 0 の表面の測定値は、測定物 1 0 の全体の可視表面についての正確な情報を得ることか要求される場合には、互いに再較正されるか、あるいは高い精度で位置付けする必要がある。この再較正は、固定の参照フレームに対する光学的センサー 1 4 の位置と方位が既知であるときのみ可能である。従来技術においては、これは、参照面 1 2 の周りに配置され、光学的センサー 1 4 のハウジングに形成された参照マークを観測するためのセオドライトにより達成されていた。すでに述べたように、このようなセオドライトは非常に高価で比較的使用が不便である。この発明は、光学的センサー 1 4 のハウジングに少なくとも1 つの軸に関して旋回可能に設けられたビデオカメラ 2 0 のような感光性検出器と、光学的センサー 1 4 の移動領域に対して所定の位置に配置され、例えば参照面 1 2 の少なくとも 1 部に分布できる目標 2 2 により、セオドライトと類似または等価の結果を得ることを可能とするものである。ビデオカメラ 2 0 を用いて、3 つの目標 2 2 を連続的に観測し、各場合に、ビデオカメラの光軸とそれに対応する目標 2 2との交点を測定することにより、 3次元センサー 1 4 の位置と方位を三角測量により決定することができる。このビデオカメラを四分儀検出器に代えても、同じ結果を達成することができる。何れの場合も、目標 2 2 の位置と方位を高い正確度で知ることが必須である。図 2 の例に示すように、目標 2 2 は、スタンド 2 8 で地面に固定された堅質支柱 2 6 で保持された平面パネル 2 4 で構成することができ、堅質支柱 2 6 の震動とパネル 2 4 の震動をできるだけ防止あるいは制限する各種の手段を
具備している。本例においては、各パネル 2 4 は、パネル 2 4 の面に、水平な列と垂直な行で配置され、互に所定間隔で離れたボール又は球体 3 0 で構成された一連の参照マークを有している。ボール又は球体 3 0 は、全方向に均一に光を拡散する研磨したセラミックのような拡散材料で作製されるのが好ましく、それによって、ビデオカメラ 2 0 のセンサーアレイ上における、ボールの画像で形成された光点の中心が、ボールの中心と一致する。ボール又は球体 3 0 のいくつか、例えばパネル 2 4 の四隅に位置するものを、異なる材料、例えば反射材で作ることにより、ビデオカメラ 2 0 に向けて伝達する光束に基づいて、それらを特定することができる。ハロゲンランプのような目標 2 2 の照射手段は、所定の場所に固定して備えてもよいが、ビデオカメラ 2 0 の動きに追従できるように、ビデオカメラ 2 0 のハウジングに設けることが好ましい。また、光学的センサー 1 4 のハウジングに対するビデオカメラ 2 0 の光軸の位置と方位をきわめて正確に測定することか必要である。このためには、不連続又はステップ的な回転を与える動力支持体 3 2 を介して、光学的センサー 1 4 のハウジングにビデオカメラ 2 0 を設置し、それによって、ビデオカメラ 2 0 を高度な反復能力で所定の角度位置内で移動させるのが有利である。このような動力支持体、例えば刻み回転型で、かつ 2 つの垂直軸に関してビデオカメラ 2 0 を旋回させることが可能なものは、市場で入手可能である（例えば± 5 μラジアン以内の反復的正確度で規定された 7 2 0 の割り出し可能(indexable)位置を有するRenishaw社販売の 2 軸支持具）。実際上、図 3 で図式的に示すように、ビデオカメラ 2 0 の 2 つの回転軸とその光軸は、ぴったりと垂直を示すものではなく、また、ぴったりと一致するものでもない。図 3 において、参照記号Ｚと参照記号Ｘはビデオカメラ 2 0 の 2 つの回転軸を示し、参照記号 3 4 はビデオカメラの光軸を示し、参照記号ｄ₁は回転軸Ｚと回転軸Ｘとの間の距離を示し、参照記号ｄ₂は回転軸Ｘとビデオカメラの光軸 3 4 との間の距離を示し、参照記号ｄ₃は距離ｄ₁と距離ｄ₂の伝達区間の回転軸Ｘにおける交点間の距離を示し、参照記号αは回転軸Ｘと回転軸Ｚ間の直交誤差を示し、参照記号βは光軸 3 4 と回転軸Ｘ間の直交誤差を示している。回転軸Ｘと回転軸Ｚの本来の誤差のない状態(true normals)は破線で示す。これらのパラメータｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，α，βの値を知ることにより、ビデオカメラ 2 0 が目標 2 2 を観測したときの測定値を補正することができる。これらのパラメータの値を測定するには、上記の目標 2 2 と同じタイプの目標、すなわち参照マークを構成するボールの行と列とを有する平面パネルを用いることが可能であり、以下のように処理を行う。光学的センサー 1 4 のハウジングは、任意の位置と方位にあり、パネルはビデオカメラの前面に配置され、ビデオカメラはボールパネルの複数の領域を観測するために用いられ、そして、その場合、ビデオカメラの光軸とパネルとの交点の座標が測定される。その後、光学的センサー 1 4 が新しい位置になるように移動され、再びパネル上の複数の異なる点がビデオカメラ 2 0 で観測され、これが続けられる。理論的に、光学的センサー1 4 の何れか 1 つの与えられた位置で、ビデオカメラ 2 0 によって、異なるパネルを 6 回観測することにより、光学的センサー 1 4 の位置と方位と、パラメータｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，α，βの値を完全に明確にすることができる。ビデオカメラ 2 0 のハウジングの位置は、3 つのパラメータで明確にされ、その方位は、 3 つ以上のパラメータで明確にされ、そして、ビデオカメラ 2 0 の旋回系の構造に関するパラメータは 5 つである（あるいは 6 つでもよい）。ビデオカメラ 2 0 による各観測で 2 つの値が得られ、そのため、光学的センサー 1 4 の与えられた位置での 6 回の観測は、求めたパラメータの全てを明確にするのに十分である。精度を増すには、異なる位置を占める光学的センサーで多数の測定を行う。あらかじめ、ビデオカメラの支持体 3 2 に対する特定のパラメータの値を正確に定義しておき、さらに、ビデオカメラ 2 0 の光軸 3 4 の関係位置を、取りうる角度位置の全てにおいて測定しておくことが必要である。この較正は、ビデオカメラ 2 0 の位置を全ての可能な角度方位において““感知する(feeling） ”ための三次元測定機（例えば“Ｍ．Ｍ．Ｔ． ”）によって行われる。このような機械的測定は、± 5 μラジアンの角度精度で先導ベクトルを定義づけるように、例えばカメラの 2 点で実行される。また、同様の方法で目標の位置を明確にすることができる。例えば、ビデオカメラの旋回支持体に対する特定のパラメータを測定するために用いられる参照マークを有する平面パネルを目標の間に置き、光学的センサー 1 4 をその平面パネルに対面させ、平面パネルの少なくとも 3 つの異なる領域をビデオカメラ 2 0 で観測し、その観測結果を記録する。それによって、できるだけ多くの目標 2 2 がビデオカメラ 2 0 で観測されるので、光学的センサー 1 4 の相対的位置と方位を明確にすることができる。その後、光学的センサー 1 4 の位置が移動され、上記特定操作の全てが繰り返される。いったん、各目標 2 2 が、ビデオカメラ 2 0 でこのようにして 3 回観測されると、その 6 つの位置と方位座標を完全に明確化することができる。変形例においては、光学的センサ− 1 4 を、目標 2 2 に対して適切な位置に配置し、ビデオカメラ 2 0 を用いて、できるだけ多くの目標 2 2 を観測し、光学的センサー 1 4 の位置を移動させ、ビデオカメラ 2 0 で再び目標 2 2 を観測することが可能であり、少なくとも未知数と同じだけの方程式(equation)が得られるまで、それを続ける。この変形例においては、平面な参照パネルを使用する必要はなく、それにより、操作速度を上げ、自動化の可能性を促進する。ビデオカメラの旋回支持体の特定パラメータを決定するために用いられる参照マークを有するパネルは、光学的センサー 1 4 の較正にも使用することかできる。この目的のためには、パネルは参照面 1 2 上に置かれ、光学的センサー 1 4 はそのパネルに向けられ、光学的センサーは、その較正に必要な測定を行うために用いられる。同時に、また、光学的センサー 1 4 に結ばれた参照フレームとビデオカメラ 2 0 に結ばれた参照フレームとの間の 1 対 1 の関係を確立させるように、ビデオカメラでパネルを観測することができる。上記の較正操作が全て行われれば、光学的センサー 1 4 で 3 次元形状を測定しようとする任意の測定物 1 0 を参照面 1 2 上に置くことができる。光学的センサー 1 4 を測定物 1 0 の上に段階的に移動させて、光学的センサー 1 4 で見れる限りの測定物の全表面に関する情報を得る。光学的センサーの各位置においては、ビデオカメラ 2 0 は少なくとも 3 つの異なる目標 2 2 を観測するために用いられ、それにより光学的センサー 1 4 の位置と方位を三角測量で決定することが可能となる。光学的センサーとビデオカメラ 2 0 で得られた全情報は、図1 において参照番号 3 6 で示したデータ処理システムに送られる。このデータ処理システムは、測定物 1 0 上の光学的センサー 1 4 の移動をコントロールするためにも用いられる。光学的センサー 1 4 の位置と方位は、三角測量で以下のように決定される。ビデオカメラ 2 0 で撮影された目標 2 2 の各画像は、デジタル形式でデータ処理システム 3 6 に送られ、そこでボール 3 0 の画像の中心に基づいて、目標 2 2 における画像の中心を正確に決定する。これらの中心は、重心技術の適用により、画素精度よりも良好な正確さでおのずと決定される。直線補間法(linea r interpolation)は、画像の中心位置を、画素ピッチよりもかなり良好な正確さで得ることができる。これは、ビデオカメラ 2 0 の光軸と目標 2 2 との交点の座標を決定することを可能にする。また、その各回転角についてのビデオカメラの角度位置は既知である。したがって、 3 つの異なる目標 2 2 を観測することにより、各情報−獲得位置における光学的センサー 1 4 の 6 つの位置と方位の座標を完全に規定することができる。実施例では、目標 2 2 は、それぞれ約2 0 0 cm²の面積でビデオカメラ 2 0 から 1 〜 3 ｍの距離に置き、各目標 2 2 としては、直径 3 mmの約 1 0 0 個のボールを、約 1 0 mmの間隔で互に離して配置している。このような条件下で、 7 6 8 × 5 7 2 画素を有し、焦点距離 8 0 mmのレンズで装備したＣＣＤタイプのビデオカメラ 2 0 を用いた場合、 4 0 μｍと 2 0 μラジアンのオーダの正確さで、光学的センサー 1 4 で決定された位置と方位の座標が得られる。これらの座標は、データ処理システム 3 6 により、リアルタイムに計算することができ、この計算に要する時間は、ＩＢＭのＰＣ−タイプのマイクロコンピュータを用いた場合、 1 秒以下である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マイラートジーン−ラクフランス国、エフ―13320 ボウク―ベル ―エア、ボウレバードモンテスクイエ、ドマインデラサレ、601

Claims

【特許請求の範囲】１．可動物体 ( 1 4 ) 上に、その可動物体上で少なくとも 1 つの軸に関して旋回可能なように、ＣＣＤタイプのビデオカメラ( 2 0 ) のような感光性検出器を旋回可能に設け、その感光性検出器を用いて、可動物体 ( 1 4 ) の移動領域に関して所定の位置に配置された目標 ( 2 2 ) を観測し、感光性検出器の光軸 ( 3 4 ) の、観測された目標に対応する位置を決定し、それにより、前記可動物体の正確な位置と方位を三角測量により演繹することからなることを特徴とするロボットで運ばれるセンサーや道具のような可動物体の 3 次元における位置を特定する方法。２．感光性検出器の光軸 ( 3 4 ) と観測された目標 ( 2 2 ) の表面との交点の位置を正確に決定し、その交点の位置と可動物体 ( 1 4 ) に対する感光性検出器の対応角度位置に基づいて、感光性検出器の光軸の 3 次元における対応位置を完全に決定することからなることを特徴とする請求項 1 記載の方法。３．感光性検出器 ( 2 0 ) を旋回させる手段 ( 3 2 ) に対する特定のパラメータの値を考慮して、その光軸の 3 次元における位置を決定することからなることを特徴とする請求項 1 又は 2 記載の方法。４．段階的に回転可能で、高度な反復能力で規定された角度位置を占める感光性検出器 ( 2 0 ) のための事前の較正操作を含み、その事前の較正操作の間に、感光性検出器の光軸 ( 3 4 )の関連する位置を、可能な全ての角度位置のために正確に決定することを特徴とする請求項 1 から 3 のいずれか 1 つに記載の方法。５．事前の較正操作を含み、その事前の較正操作の間に、感光性検出器 ( 2 0 ) を旋回させる手段 ( 3 2 ) に対する特定のパラメータを正確に決定すること
を特徴とする請求項 1 から 4 のいずれか 1 つに記載の方法。６．事前の較正操作を含み、その事前の較正操作の間に、各目標 ( 2 2 ) を、可動物体 ( 1 4 ) の異なる既知の位置のために感光性検出器 ( 2 0 ) で少なくとも 3 回観測することにより、目標 ( 2 2 ) の位置と方位を正確に決定することを特徴とする請求項 1 から 5 のいずれか 1 つに記載の方法。７．可動物体 ( 1 4 ) によって移動され、その可動物体上で少なくとも 1 つの軸に関して旋回可能なＣＣＤタイプのビデオカメラ ( 2 0 ) のような感光性検出器と、前記軸に関して感光性検出器 ( 2 0 ) の角度位置を決定する手段と、可動物体 ( 1 4 ) の移動領域に関して所定の位置に配置された目標 ( 2 2 ) と、感光性検出器 ( 2 0 ) に接続され、感光性検出器で観測された目標 ( 2 2 ) に対応する信号を受け取り、それにより、前記可動物体の正確な位置と方位を三角測量により演鐸するデータ処理手段 ( 3 6 ) とからなることを特徴とするロボットで運ばれるセンサーや道具のような可動物体の 3 次元における位置を特定する装置。８．感光性検出器 ( 2 0 ) が、 2 つの直交する軸に対して回転により移動可能である請求項 7 記載の装置。９．感光性検出器 ( 2 0 ) が、段階的回転により移動可能であり、前記軸に関して、あらかじめ決定され、高度な反復能力で規定された所定の角度位置を占めることを特徴とする請求項 7 又は 8 記載の装置。１０．目標 ( 2 2 ) か、可動物体 ( 1 4 ) の移動領域よりも外側に位置することを特徴とする請求項 7 から 9 のいずれか 1 つに記載の装置。１１．目標 ( 2 2 ) が、互いに関連して所定の間隔で形成された一連の参照マーク ( 3 0 ) を有するパネル ( 2 4 ) からなることを特徴とする請求項 7 から 1 0 のいずれか 1 つに記載の装置。１２．各目標 ( 2 2 ) が、 2 つのタイプの参照マーク ( 3 0 )を含むことを特徴とする請求項 1 1 記載の装置。１３．参照マークが、光を反射又は拡散するための決められた容量を有する材料で作製されたボールまたは球体 ( 3 0 ) であることを特徴とする請求項 1 1 又は 1 2 記載の装置。１４．目標 ( 2 2 ) が、震動を吸収する手段を含む堅固な支持体 ( 2 6, 2 8 ) 上に固定されて設けられていることを特徴とする請求項 7 から 1 3 のいずれか 1 つに記載の装置。