JPH09323280A - Manipulator control method and system - Google Patents

Manipulator control method and system

Info

Publication number
JPH09323280A
JPH09323280A JP14201496A JP14201496A JPH09323280A JP H09323280 A JPH09323280 A JP H09323280A JP 14201496 A JP14201496 A JP 14201496A JP 14201496 A JP14201496 A JP 14201496A JP H09323280 A JPH09323280 A JP H09323280A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
manipulator
marker
coordinate system
target object
image
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP14201496A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koichi Yoshida
耕一 吉田
Masahiko Mikawa
正彦 三河
Takenori Morimitsu
武則 森光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP14201496A priority Critical patent/JPH09323280A/en
Publication of JPH09323280A publication Critical patent/JPH09323280A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Numerical Control (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】オペレータが先端効果器を遠隔対象物体に対し
て目測や経験に頼らず適切に操作して位置決めを行うこ
とができるマニピュレータの制御方法及びこれを実施す
るための制御システムを提供する。 【解決手段】対象物体Oに対するマニピュレータの位置
・姿勢を操作するに当り、予め3Dマーカー3が装備さ
れた先端効果器2をアーム1の先端に設置するととも
に、ステレオカメラ4を用意して置き、3Dマーカー3
と対象物体Oとを同時にステレオカメラ4で撮影し、コ
ントローラ5にて対象物体Oの特徴点と3Dマーカー3
の参照パターンの画面上の位置とを追跡し、先端効果器
2上に任意に選んだ参照座標系Σf が対象物体O上の特
徴点から定義される基準座標系ΣBに一致するようにマ
ニピュレータのアーム1の位置決め制御をする。
(57) [Abstract] [PROBLEMS] Control method of manipulator for enabling operator to appropriately operate and position a tip effector with respect to a remote target object without relying on visual observation or experience, and control for implementing the same. Provide the system. When manipulating the position / orientation of a manipulator with respect to a target object O, a tip effector 2 equipped with a 3D marker 3 in advance is installed at the tip of an arm 1, and a stereo camera 4 is prepared and placed. 3D marker 3
And the target object O are photographed by the stereo camera 4 at the same time, and the controller 5 uses the feature points of the target object O and the 3D marker 3
Of the manipulator so that the reference coordinate system Σf arbitrarily selected on the tip effector 2 matches the reference coordinate system ΣB defined by the feature points on the target object O. Positioning control of the arm 1 is performed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ステレオカメラを
用いてロボットアーム等の先端効果器を遠隔対象物体に
対して所望の相対位置・姿勢に操作する際の位置決め制
御を可能にするマニピュレータの制御方法及びこれを実
施するための制御システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to control of a manipulator which enables positioning control when a tip effector such as a robot arm is operated to a desired relative position / posture with respect to a remote object using a stereo camera. It relates to a method and a control system for implementing this.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、大型クレーンや消防車の梯子等
(マニピュレータ)を遠隔操作して先端部(先端効果
器)を適切に位置決めするには、オペレータの目測に基
づく経験に頼るところが大きかった。よって、マニピュ
レータを自在に操作するには、高い熟練度が必要とな
り、初心者に困難な作業であった。そこで、マニピュレ
ータのアームの位置決めを容易にするために、カメラで
対象物体とアームの先端効果器とを同時にとらえて、こ
れらの特徴点を追跡し、両者を画像面上で一致させるサ
ーボ制御系を利用したマニピュレータの制御システムが
提案されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to remotely operate a large crane or a ladder of a fire engine (manipulator) to appropriately position a tip (tip effector), it has been largely dependent on experience based on visual observation by an operator. Therefore, a high degree of skill is required to freely operate the manipulator, which is a difficult task for beginners. Therefore, in order to facilitate the positioning of the manipulator arm, a servo control system that simultaneously captures the target object and the tip effector of the arm with a camera, tracks these characteristic points, and matches them on the image plane. The control system of the manipulator which utilized it is proposed.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記マ
ニピュレータの制御システムでは、カメラで撮影された
画像から対象物体と先端効果器との両特徴点を認識する
必要があるので、その処理に多大な時間を要し、実用化
に至っていないのが現状である。
However, in the control system of the manipulator, it is necessary to recognize both the feature points of the target object and the tip effector from the image taken by the camera, so that the processing takes a lot of time. However, the current situation is that it has not been put to practical use.

【0004】ここにおいて本発明の解決すべき主要な目
的は、次の通りである。本発明の第1の目的は、オペレ
ータが先端効果器を遠隔対象物体に対して目測や経験に
頼らず適切に操作して位置決めを行うことができるマニ
ピュレータの制御方法及びこれを実施するための制御シ
ステムを提供せんとするものである。
The main objects to be solved by the present invention are as follows. A first object of the present invention is to provide a control method for a manipulator which enables an operator to appropriately operate a tip effector with respect to a remote target object without relying on visual observation or experience to perform positioning, and control for implementing the same. It is intended to provide a system.

【0005】本発明の第2の目的は、対象物体上に定義
された基準座標系に対して先端効果器の位置・姿勢を立
体的に容易に把握して相対的に並進・回転運動させるこ
とができ、柔軟性の高い位置決め作業を効率的に行うこ
とができるマニピュレータの制御方法及びこれを実施す
るための制御システムを提供せんとするものである。
A second object of the present invention is to easily grasp the position / orientation of the tip effector three-dimensionally with respect to a reference coordinate system defined on the target object, and to perform relative translation / rotational movement. It is intended to provide a manipulator control method capable of efficiently performing a highly flexible positioning operation and a control system for implementing the same.

【0006】本発明のその他の目的は、明細書、図面、
特に特許請求の範囲の各請求項の記載から自ずと明らか
となろう。
Other objects of the present invention include the specification, drawings,
Especially, it will be apparent from the description of each claim.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、オペレータが
先端効果器を所望の相対位置・姿勢に操作する際、ステ
レオカメラでとらえた対象物体に対して先端効果器の位
置・姿勢を画像認識し易い3Dマーカーにて立体的にと
らえて誤差修正のフィードバック制御をすることを特徴
とする。これにより、オペレータが先端効果器を遠隔対
象物体に対して目測や経験に頼らず適切に操作して位置
決めを行うことができる。さらに、具体的詳細に述べる
と、当該課題の解決は、本発明が次に列挙するそれぞれ
の新規な特徴的構成手法及び手段を採用することにより
前記目的を達成する。
According to the present invention, when an operator operates a tip effector at a desired relative position / orientation, the position / orientation of the tip effector is image-recognized with respect to a target object captured by a stereo camera. The feature is that feedback control for error correction is performed by stereoscopically capturing with a 3D marker that is easy to perform. As a result, the operator can appropriately operate the tip effector with respect to the remote target object without relying on visual observation or experience to perform positioning. More specifically, in order to solve the problem, the above object is achieved by adopting each novel characteristic construction method and means listed in the following by the present invention.

【0008】すなわち、本発明方法の第1の特徴は、対
象物体に対するマニピュレータの位置・姿勢を操作する
に当り、アーム先端の先端効果器を当該対象物体との相
対関係で適正な位置・姿勢に位置決め制御する際、当該
相対関係の位置・姿勢の撮影と射影幾何等解析を容易に
するため前記先端効果器に一体取付けた3Dマーカーの
位置・姿勢の撮影と射影幾何等解析を通して当該先端効
果器の位置・姿勢を間接的に算出処理してなるマニピュ
レータの制御方法にある。
That is, the first feature of the method of the present invention is that when the position / orientation of the manipulator with respect to the target object is manipulated, the tip effector at the end of the arm is adjusted to the proper position / orientation in relation to the target object. When performing positioning control, in order to facilitate photographing of the position / orientation of the relative relationship and analysis of projective geometry, etc., the tip effector is obtained through imaging of the position / orientation of the 3D marker integrally attached to the tip effector and analysis of projective geometry, etc. Is a method of controlling a manipulator that indirectly calculates the position and orientation of the.

【0009】本発明方法の第2の特徴は、前記本発明方
法の第1の特徴における前記対象物体と前記先端効果器
との相対関係の撮影が、ステレオカメラにて実行してな
るマニピュレータの制御方法にある。
A second feature of the method of the present invention is the control of a manipulator in which a stereo camera captures the relative relationship between the target object and the tip effector in the first feature of the method of the present invention. On the way.

【0010】本発明方法の第3の特徴は、前記本発明方
法の第1又は第2の特徴における前記対象物体と前記先
端効果器との相対関係の射影幾何等解析が、前記ステレ
オカメラの画像の前記対象物体の特徴点及び前記3Dマ
ーカーの参照パターンの座標位置を数値的に割出し所定
関係式を通し算出処理してなるマニピュレータの制御方
法にある。
A third feature of the method of the present invention is that the projective geometric analysis of the relative relationship between the target object and the tip effector in the first or second feature of the method of the present invention is performed by the image of the stereo camera. In the control method of the manipulator, the characteristic points of the target object and the coordinate position of the reference pattern of the 3D marker are numerically indexed and calculated through a predetermined relational expression.

【0011】本発明方法の第4の特徴は、対象物体に対
するマニピュレータの位置・姿勢を操作するに当り、予
め3Dマーカーが装備された先端効果器を前記マニピュ
レータのアーム先端に設置するとともに、ステレオカメ
ラを用意して置き、当該ステレオカメラで前記3Dマー
カーと前記対象物体とを同時に撮影して、前記対象物体
の特徴点と前記3Dマーカーの参照パターンの画面上の
位置とを追跡し、前記マニピュレータの先端効果器上に
任意に選んだ参照座標系が前記対象物体上の特徴点から
定義される基準座標系に一致するように前記マニピュレ
ータのアームの位置決めを制御するマニピュレータの制
御方法にある。
A fourth feature of the method of the present invention is that, when operating the position / orientation of the manipulator with respect to a target object, a tip effector equipped with a 3D marker in advance is installed at the tip of the arm of the manipulator, and a stereo camera is used. Is prepared and placed, the 3D marker and the target object are simultaneously photographed by the stereo camera, the feature points of the target object and the position of the reference pattern of the 3D marker on the screen are tracked, and the manipulator's The control method of the manipulator controls the positioning of the arm of the manipulator such that a reference coordinate system arbitrarily selected on the tip effector matches a reference coordinate system defined from the feature points on the target object.

【0012】本発明方法の第5の特徴は、対象物体に対
するマニピュレータの位置・姿勢を操作するに当り、予
め3Dマーカーが装備された先端効果器をマニピュレー
タのアーム先端に設置するとともに、当該3Dマーカー
と前記対象物体とを同時に撮影するステレオカメラを用
意して置き、先ず、前記ステレオカメラの画像面上にお
ける前記対象物体の複数の特徴点から基準座標系を定義
し、かつ前記先端効果器上の参照座標系の位置・姿勢を
指定し、次に前記対象物体の特徴点と前記3Dマーカー
の参照パターンの画面上の位置とを追跡し、前記ステレ
オカメラによる左右両画面上の前記3Dマーカーの参照
パターンの位置をカメラ座標系にて求めた後、前記カメ
ラ座標系に対する3Dマーカー座標系の相対位置・姿勢
を算出する一方、前記3Dマーカー座標系の相対位置・
姿勢に基づいて前記先端効果器上の参照座標系の射影を
算出し、当該算出した前記参照座標系の射影を前記ステ
レオカメラの左右両画面上にかき込み、続いて、前記先
端効果器上の参照座標系の射影画像を6次元のアーム特
徴量ベクトルに写像する一方、前記対象物体の基準座標
系の射影画像を6次元の対象物特徴量ベクトルに写像し
てアーム特徴量ベクトル及び対象物特徴量ベクトルを求
めた後、両ベクトルが一致するようにマニピュレータを
制御するマニピュレータの制御方法にある。
A fifth feature of the method of the present invention is that, when operating the position / orientation of the manipulator with respect to the target object, a tip effector equipped with a 3D marker in advance is installed at the tip of the arm of the manipulator, and the 3D marker is used. A stereo camera that simultaneously captures the target object and the target object is prepared and placed. First, a reference coordinate system is defined from a plurality of feature points of the target object on the image plane of the stereo camera, and on the tip effector. The position / orientation of the reference coordinate system is designated, and then the feature points of the target object and the positions of the reference patterns of the 3D markers on the screen are tracked to refer to the 3D markers on the left and right screens by the stereo camera. After obtaining the position of the pattern in the camera coordinate system, while calculating the relative position / orientation of the 3D marker coordinate system with respect to the camera coordinate system, The relative position of the serial 3D marker coordinate system,
The projection of the reference coordinate system on the tip effector is calculated based on the posture, the calculated projection of the reference coordinate system is squeezed on both left and right screens of the stereo camera, and then the reference on the tip effector is calculated. The projection image of the coordinate system is mapped to a 6-dimensional arm feature amount vector, while the projection image of the reference coordinate system of the target object is mapped to a 6-dimensional object feature amount vector to generate an arm feature amount vector and an object feature amount. This is a control method of a manipulator that controls the manipulator so that the two vectors match after obtaining the vector.

【0013】本発明方法の第6の特徴は、前記本発明方
法の第1、第2、第3、第4又は第5の特徴における前
記3Dマーカーが、斜方6面体あるいは直方体の同一平
面上にない4つ以上の頂点に参照パターンが配置されて
なるマニピュレータの制御方法にある。
A sixth feature of the method of the present invention is that the 3D marker in the first, second, third, fourth or fifth feature of the method of the present invention is on the same plane of an oblique hexahedron or a rectangular parallelepiped. In the control method of the manipulator, reference patterns are arranged at four or more vertices not found in.

【0014】本発明方法の第7の特徴は、前記本発明方
法の第3、第4、第5又は第6の特徴における前記3D
マーカーの参照パターンの画面上の位置が、予め3Dマ
ーカーに取り付けられている参照パターンの画像を比較
用イメージとして記憶させておき、前記ステレオカメラ
で撮影した画像と相関をとることにより算出されるマニ
ピュレータの制御方法にある。
The seventh feature of the method of the present invention is that the 3D in the third, fourth, fifth or sixth feature of the method of the present invention.
The position of the reference pattern of the marker on the screen is calculated by storing the image of the reference pattern previously attached to the 3D marker as a comparison image and correlating it with the image captured by the stereo camera. Control method.

【0015】本発明方法の第8の特徴は、前記本発明方
法の第1、第2、第3、第4、第5、第6又は第7の特
徴における前記マニピュレータが、産業用ロボットのア
ーム、クレーン又は消防車の梯子であるマニピュレータ
の制御方法にある。
The eighth feature of the method of the present invention is that the manipulator in the first, second, third, fourth, fifth, sixth or seventh feature of the method of the present invention is an arm of an industrial robot. , A control method for manipulators such as cranes or ladders of fire trucks.

【0016】本発明方法の第9の特徴は、前記本発明方
法の第3、第4、第5、第6、第7又は第8の特徴にお
ける前記3Dマーカーの参照パターンが、模様が描かれ
たパターン板と、当該パターン板を明るくする光源とを
備えたマニピュレータの制御方法にある。
A ninth feature of the method of the present invention is that the reference pattern of the 3D marker in the third, fourth, fifth, sixth, seventh or eighth feature of the method of the present invention is patterned. And a light source that brightens the pattern plate.

【0017】本発明装置の第1の特徴は、アーム先端に
先端効果器が設けられたマニピュレータの制御システム
において、前記先端効果器に装備された3Dマーカー
と、対象物体と前記3Dマーカーとを同時に撮影するス
テレオカメラと、マニピュレータの操作時に前記対象物
体の特徴点と前記3Dマーカーの参照パターンの画面上
の位置とを追跡し、かつ前記マニピュレータの先端効果
器上に任意に選んだ参照座標系が前記対象物体上の特徴
点から定義される基準座標系に一致するように前記マニ
ピュレータを制御するコントローラと、を有するマニピ
ュレータの制御システムにある。
The first feature of the device of the present invention is, in a manipulator control system in which a tip effector is provided at the tip of an arm, a 3D marker equipped on the tip effector, a target object and the 3D marker are simultaneously provided. A stereo camera for photographing, tracking the characteristic points of the target object and the position on the screen of the reference pattern of the 3D marker when operating the manipulator, and a reference coordinate system arbitrarily selected on the tip effector of the manipulator is used. A controller for controlling the manipulator so as to match a reference coordinate system defined by the characteristic points on the target object, and a control system for the manipulator.

【0018】本発明装置の第2の特徴は、アーム先端に
先端効果器が設けられたマニピュレータの制御システム
において、前記先端効果器に装備された3Dマーカー
と、対象物体と前記3Dマーカーとを同時に撮影するス
テレオカメラと、コントローラとを備え、前記コントロ
ーラは、前記マニピュレータの操作時に前記ステレオカ
メラからの画像情報を読み取って前記対象物体の特徴点
と前記3Dマーカーの参照パターンの画像面上の位置を
追尾する画像追跡器と、前記画像追跡器からの追尾情報
をもとにカメラ座標系に対する3Dマーカー座標系の相
対位置・姿勢を算出する3Dマーカー位置・姿勢推定器
と、前記3Dマーカー座標系の相対位置・姿勢に基づい
て前記先端効果器上の参照座標系の射影を算出し、当該
参照座標系の射影を前記ステレオカメラの左右両画面上
にかき込む参照座標描画器と、前記先端効果器上の参照
座標系の射影を前記先端効果器のカメラ座標系に対する
位置・姿勢と一対一の対応を有する特徴量ベクトルに変
換するアーム特徴量算出部と、前記画像追跡器から出力
された前記対象物体の特徴点を当該対象物体のカメラ座
標に対する位置・姿勢と一対一の対応を有する対象物特
徴量ベクトルに変換する対象物特徴量算出部と、前記ア
ーム特徴量算出部と前記対象物特徴量算出部からの出力
の差をもとにマニピュレータの先端部の速度・角速度指
令を算出するフィードバック制御器とからなるマニピュ
レータの制御システムにある。
The second feature of the device of the present invention is, in a manipulator control system in which a tip effector is provided at the tip of an arm, a 3D marker equipped on the tip effector, a target object and the 3D marker are simultaneously provided. A stereo camera for photographing and a controller are provided, and the controller reads the image information from the stereo camera at the time of operating the manipulator to determine the feature points of the target object and the position of the reference pattern of the 3D marker on the image surface. An image tracker for tracking, a 3D marker position / orientation estimator for calculating the relative position / orientation of the 3D marker coordinate system with respect to the camera coordinate system based on the tracking information from the image tracker, and a 3D marker coordinate system The projection of the reference coordinate system on the tip effector is calculated based on the relative position and orientation, and the projection of the reference coordinate system is calculated. A reference coordinate drawing device which is scratched on both left and right screens of the stereo camera, and a feature amount vector having a one-to-one correspondence between the projection of the reference coordinate system on the tip effector and the position / orientation of the tip effector with respect to the camera coordinate system. And an arm feature amount calculation unit for converting the feature point of the target object output from the image tracker into a target feature amount vector having a one-to-one correspondence with the position / orientation of the target object with respect to camera coordinates. A manipulator including an object feature amount calculation unit, and a feedback controller that calculates a velocity / angular velocity command of a tip portion of the manipulator based on a difference between outputs from the arm feature amount calculation unit and the object feature amount calculation unit. Control system.

【0019】本発明装置の第3の特徴は、前記本発明装
置の第2の特徴における前記コントローラの画像追跡器
及び3Dマーカー位置・姿勢推定器の代わりに、前記ス
テレオカメラの画像を入力として前記3Dマーカーの参
照パターンの画像面上の位置を予め用意しておいた比較
用パターンと相関をとりつつ追尾する画像追跡器と、前
記画像追跡器からの出力をもとにカメラ座標系に対する
3Dマーカー座標系の相対位置・姿勢を推定する3Dマ
ーカー位置・姿勢推定器と、を有するマニピュレータの
制御システムにある。
A third feature of the device of the present invention is that the image of the stereo camera is used as an input instead of the image tracker and the 3D marker position / orientation estimator of the controller in the second feature of the device of the present invention. An image tracker that tracks the position of the reference pattern of the 3D marker on the image plane while correlating it with a comparison pattern, and a 3D marker for the camera coordinate system based on the output from the image tracker. A control system for a manipulator having a 3D marker position / orientation estimator for estimating the relative position / orientation of a coordinate system.

【0020】本発明装置の第4の特徴は、前記本発明装
置の第1、第2又は第3の特徴における前記3Dマーカ
ーが、斜方6面体あるいは直方体の同一平面上にない4
つ以上の頂点に参照パターンが配置されてなるマニピュ
レータの制御システムにある。
A fourth feature of the device of the present invention is that the 3D marker in the first, second or third feature of the device of the present invention is not on the same plane of an oblique hexahedron or a rectangular parallelepiped.
This is a control system of a manipulator in which reference patterns are arranged at one or more vertices.

【0021】本発明装置の第5の特徴は、前記本発明装
置の第1、第2、第3又は第4の特徴における前記マニ
ピュレータが、産業用ロボットのアーム、クレーン又は
消防車の梯子であるマニピュレータの制御システムにあ
る。
A fifth feature of the device of the present invention is that the manipulator in the first, second, third or fourth feature of the device of the present invention is an arm of an industrial robot, a crane or a ladder of a fire engine. It is in the control system of the manipulator.

【0022】本発明装置の第6の特徴は、前記本発明装
置の第1、第2、第3、第4又は第5の特徴における前
記3Dマーカーの参照パターンが、模様が描かれたパタ
ーン板と、当該パターン板を明るくする光源とを備えた
マニピュレータの制御システムにある。
A sixth feature of the device of the present invention is a pattern plate in which the reference pattern of the 3D marker in the first, second, third, fourth or fifth feature of the device of the present invention is drawn. And a light source that brightens the pattern board.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、そ
の装置例、方法例及び応用例に基づいて説明する。 (装置例)図1は本装置例のマニピュレータの制御シス
テムαの構成を示し、図2は本装置例で使用される3D
マーカーの構成を示す。なお、以下に述べる対象物体O
の位置・姿勢は3次元空間上での対象物体Oの位置(3
次元)と方向(3次元)を表す。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below based on apparatus examples, method examples, and application examples. (Device Example) FIG. 1 shows a configuration of a control system α of the manipulator of this device example, and FIG. 2 is a 3D used in this device example.
The structure of a marker is shown. Note that the target object O described below
Of the target object O in the three-dimensional space (3
Dimension) and direction (3D).

【0024】本装置例で使用されるマニピュレータは、
アーム1の先端に先端効果器2が設けられている。本装
置例のマニピュレータの制御システムαは、図1に示す
ように、3Dマーカー3と、ステレオカメラ4と、コン
トローラ5とからなる。なお、マニピュレータは、産業
用ロボットのアームの他、クレーンや消防車の梯子等で
良く、本発明は遠隔操作するアームを備えているシステ
ムに適用することができる。
The manipulator used in this device example is
A tip effector 2 is provided at the tip of the arm 1. As shown in FIG. 1, the control system α of the manipulator of this device example includes a 3D marker 3, a stereo camera 4, and a controller 5. The manipulator may be a crane, a ladder of a fire engine, or the like, as well as an arm of an industrial robot, and the present invention can be applied to a system equipped with an arm for remote control.

【0025】3Dマーカー3は、先端効果器2に装備さ
れている。その構成は、図2に示すように、互いに直交
する長さLmの3本の腕6a、6b、6cの先端と原点
にステレオカメラ4により追跡されるべき参照パターン
7を合計4つ設けてなる。すなわち、参照パターン7は
立方体の同一平面上にない4つの頂点(原点、x軸、y
軸、z軸)に配置される。
The 3D marker 3 is mounted on the tip effector 2. As shown in FIG. 2, the configuration is such that a total of four reference patterns 7 to be tracked by the stereo camera 4 are provided at the tips and origins of the three arms 6a, 6b, 6c having lengths Lm orthogonal to each other. . That is, the reference pattern 7 has four vertices (origin, x axis, y) that are not on the same plane of the cube.
Axis, z-axis).

【0026】なお、3Dマーカー3は、直方体あるいは
斜方6面体上の頂点に参照パターン7を配置した構造に
しても良いが、カメラ座標系に対する3Dマーカー3の
位置・姿勢を求めるためには4つ以上の参照パターン7
を必要とする。本装置例の3Dマーカー3の参照パター
ン7は、市松模様のパターン板7aと、パターン板7a
を明るくする発光ダイオード7bとを備えている。
The 3D marker 3 may have a structure in which the reference pattern 7 is arranged at the apex of a rectangular parallelepiped or an oblique hexahedron. However, in order to obtain the position / orientation of the 3D marker 3 with respect to the camera coordinate system, 4 is used. More than one reference pattern 7
Need. The reference pattern 7 of the 3D marker 3 of this device example is a checkerboard pattern plate 7a and a pattern plate 7a.
And a light emitting diode 7b for illuminating.

【0027】ステレオカメラ4は、対象物体Oと3Dマ
ーカー3を同時に撮影する。コントローラ5は、画像追
跡器8、3Dマーカー位置・姿勢推定器9、参照座標描
画器10、アーム特徴量算出器11、対象物特徴量算出
器12、及びフィードバック制御器13からなる。
The stereo camera 4 photographs the target object O and the 3D marker 3 at the same time. The controller 5 includes an image tracker 8, a 3D marker position / orientation estimator 9, a reference coordinate drawing device 10, an arm feature amount calculator 11, an object feature amount calculator 12, and a feedback controller 13.

【0028】画像追跡器8は、マニピュレータの操作時
にステレオカメラ4からの画像情報を読み取って左右両
画面上の対象物体Oの特徴点と3Dマーカー3の参照パ
ターン7の画像面上の位置を追尾する。3Dマーカー位
置・姿勢推定器9は、画像追跡器8からの追尾情報をも
とにカメラ座標系に対する3Dマーカー座標系の相対位
置・姿勢を推定する。
The image tracker 8 reads the image information from the stereo camera 4 when the manipulator is operated, and tracks the characteristic points of the target object O on the left and right screens and the position of the reference pattern 7 of the 3D marker 3 on the image plane. To do. The 3D marker position / orientation estimator 9 estimates the relative position / orientation of the 3D marker coordinate system with respect to the camera coordinate system based on the tracking information from the image tracker 8.

【0029】参照座標描画器10は、予め設定された3
Dマーカー座標系の相対位置・姿勢情報、画像追跡器8
の出力情報、及び3Dマーカー位置・姿勢推定器9の出
力情報を得て先端効果器2上の参照座標系の射影を算出
し、かつ参照座標系の射影をステレオカメラ4から得ら
れた画像の左右両画面上にかき込む。アーム特徴量算出
器11は、先端効果器2上の参照座標系の射影を先端効
果器2のカメラ座標系に対する位置・姿勢と一対一の対
応を有する特徴量ベクトルに変換する。
The reference coordinate drawing unit 10 has three preset coordinates.
Relative position / orientation information of D marker coordinate system, image tracker 8
Output information of the 3D marker position / orientation estimator 9 to obtain the projection of the reference coordinate system on the tip effector 2, and the projection of the reference coordinate system of the image obtained from the stereo camera 4. Scratch on both left and right screens. The arm feature quantity calculator 11 converts the projection of the reference coordinate system on the tip effector 2 into a feature quantity vector having a one-to-one correspondence with the position / orientation of the tip effector 2 with respect to the camera coordinate system.

【0030】対象物特徴量算出器12は、画像追跡器8
から出力された対象物体Oの特徴点を対象物体Oのカメ
ラ座標に対する位置・姿勢と一対一の対応を有する対象
物特徴量ベクトルに変換する。フィードバック制御器1
3は、アーム特徴量算出部11と対象物特徴量算出部1
2からの出力の差をもとにマニピュレータのアーム1の
先端部の速度・角速度指令を算出する。
The object feature quantity calculator 12 is an image tracker 8
The feature points of the target object O output from the target object O are converted into a target feature amount vector having a one-to-one correspondence with the position / orientation of the target object O with respect to the camera coordinates. Feedback controller 1
3 is an arm feature amount calculation unit 11 and an object feature amount calculation unit 1
The velocity / angular velocity command of the tip portion of the arm 1 of the manipulator is calculated based on the difference between the outputs from 2.

【0031】以上説明した本装置例のマニピュレータの
制御システムαによれば、図4に示すように、対象物体
Oと3Dマーカー3を同時にとらえたステレオ画像を利
用して、先端効果器2上に任意に選んだ参照座標系Σf
が対象物体O上の特徴点f1、f2、f3から定義される基準
座標系ΣB に一致するようにマニピュレータのアーム1
を制御する。ここで、図4はステレオカメラ4にてとら
えられた3Dマーカー3と対象物体Oを表す。
According to the manipulator control system α of the present apparatus example described above, as shown in FIG. 4, a stereo image obtained by simultaneously capturing the target object O and the 3D marker 3 is used to display on the tip effector 2. An arbitrarily selected reference coordinate system Σf
Arm 1 of the manipulator so that is aligned with the reference coordinate system ΣB defined by the feature points f1, f2, f3 on the target object O.
Control. Here, FIG. 4 shows the 3D marker 3 and the target object O captured by the stereo camera 4.

【0032】(方法例)次に前記装置例を使用したマニ
ピュレータの制御方法の方法例について具体的に説明す
る。 (1)先ず、マニピュレータを操作する際にステレオカ
メラ4により撮影された左右の画像平面Imを、モニタ
画面に表示し、オペレータはモニタ画面を参照しながら
対象物体Oの特徴点を選択する。そして、画像平面Im
上における対象物体Oの複数の特徴点から基準座標系Σ
B を定義し、先端効果器2上の参照座標系Σf の位置・
姿勢を指定し、参照座標系Σf の位置・姿勢情報を参照
座標描画器10へ入力する。
(Example of Method) Next, an example of the method of controlling the manipulator using the above-mentioned apparatus example will be specifically described. (1) First, the left and right image planes Im photographed by the stereo camera 4 when operating the manipulator are displayed on the monitor screen, and the operator selects feature points of the target object O while referring to the monitor screen. Then, the image plane Im
From the plurality of feature points of the target object O on the reference coordinate system Σ
B is defined, and the position of the reference coordinate system Σf on the tip effector 2
The posture is specified, and the position / posture information of the reference coordinate system Σf is input to the reference coordinate drawing device 10.

【0033】(2)次に、画像追跡器8にて、対象物体
Oの特徴点と3Dマーカー3の参照パターン7の画面上
の位置とを追跡する。このとき、例えば、図2に示す3
Dマーカー3に取り付けられている参照パターン7の画
像を比較用イメージとしてメモリしておき、入力画像と
相関をとることにより画像面上の位置を計算する。な
お、参照パターン7に含まれる2本の直交直径線を検出
しその交点として面像面上の位置を計算してもよい。
(2) Next, the image tracker 8 tracks the feature points of the target object O and the position of the reference pattern 7 of the 3D marker 3 on the screen. At this time, for example, 3 shown in FIG.
The image of the reference pattern 7 attached to the D marker 3 is stored in memory as a comparison image, and the position on the image surface is calculated by correlating with the input image. It should be noted that two orthogonal diameter lines included in the reference pattern 7 may be detected and the position on the surface image plane may be calculated as the intersection thereof.

【0034】(3)続いて、3Dマーカー位置・姿勢推
定器9において、画像追跡器8の出力情報をもとにカメ
ラ座標系に対する3Dマーカー座標系の相対位置・姿勢
を算出(推定)する。3Dマーカー位置・姿勢推定器9
で行われる処理は以下の通りである。
(3) Subsequently, the 3D marker position / orientation estimator 9 calculates (estimates) the relative position / orientation of the 3D marker coordinate system with respect to the camera coordinate system based on the output information of the image tracker 8. 3D marker position / orientation estimator 9
The processing performed in is as follows.

【0035】図5は3Dマーカー3のステレオカメラに
よる一画像平面Im上への射影を表す。
FIG. 5 shows the projection of the 3D marker 3 by the stereo camera on one image plane Im.

【外1】 [Outside 1]

【0036】[0036]

【外2】 [Outside 2]

【0037】[0037]

【外3】 [Outside 3]

【0038】[0038]

【外4】 [Outside 4]

【0039】[0039]

【外5】 [Outside 5]

【0040】[0040]

【外6】 [Outside 6]

【0041】[0041]

【外7】 [Outside 7]

【0042】[0042]

【外8】 [Outside 8]

【0043】[0043]

【数1】 [Equation 1]

【0044】[0044]

【数2】 [Equation 2]

【0045】[0045]

【数3】 (Equation 3)

【0046】ここで、Here,

【数4】 (Equation 4)

【0047】[0047]

【外9】 [Outside 9]

【0048】(4)次に、参照座標描画器10が、3D
マーカー座標系の相対位置・姿勢情報、画像追跡器8の
出力情報、及び3Dマーカー位置・姿勢推定器9の出力
情報をもとに先端効果器2上の参照座標系の射影を算出
し、かつ参照座標系の射影をステレオカメラ4から得ら
れた画像の左右両画面上にかき込む。
(4) Next, the reference coordinate drawing unit 10 performs 3D
The projection of the reference coordinate system on the tip effector 2 is calculated based on the relative position / orientation information of the marker coordinate system, the output information of the image tracker 8, and the output information of the 3D marker position / orientation estimator 9, and The projection of the reference coordinate system is scratched on the left and right screens of the image obtained from the stereo camera 4.

【0049】[0049]

【外10】 [Outside 10]

【0050】ここで、左右のカメラ座標系を改めてΣl
、Σr と定義する。Σc をΣl 、Σr と置き換えれ
ば、左右の画像平面Im上で参照座標系Σf の射影が求
められる。それぞれの画像平面Im上に合成された参照
座標系Σf の原点をpOi、x、y、z軸の端点をそれぞ
れpXi、pYi、pZi(i=l、r)と定義する。
Here, the left and right camera coordinate systems are re-established by Σl.
, Σr. By replacing Σc with Σl and Σr, the projection of the reference coordinate system Σf on the left and right image planes Im can be obtained. The origin of the reference coordinate system Σf synthesized on each image plane Im is defined as p Oi , x, y, and z-axis end points as p Xi , p Yi , and p Zi (i = 1, r), respectively.

【0051】(5)続いて、アーム特徴量算出部11に
て先端効果器2上の参照座標系Σfの射影を先端効果器
2のカメラ座標系に対する位置・姿勢と一対一の対応を
有する特徴量ベクトルに変換するとともに、対象物特徴
量算出部12にて画像追跡器8から出力された対象物体
Oの特徴点を対象物体Oのカメラ座標に対する位置・姿
勢と一対一の対応を有する対象物特徴量ベクトルに変換
する。そして、フィードバック制御器13にてアーム特
徴量算出部11と対象物特徴量算出部12からの出力の
差をもとにマニピュレータの先端部の速度・角速度指令
を算出する。
(5) Subsequently, the arm feature amount calculation unit 11 has a one-to-one correspondence between the projection of the reference coordinate system Σf on the tip effector 2 and the position / orientation of the tip effector 2 with respect to the camera coordinate system. A target object having a one-to-one correspondence with the position / orientation of the target object O with respect to the camera coordinates while converting the feature point of the target object O output from the image tracker 8 by the target object feature amount calculation unit 12 into a quantity vector. Convert to feature vector. Then, the feedback controller 13 calculates the velocity / angular velocity command of the tip of the manipulator based on the difference between the outputs from the arm feature amount calculation unit 11 and the object feature amount calculation unit 12.

【0052】いま、説明の簡素化のため、マニピュレー
タのアーム1の先端効果器2は基準座標系ΣB に対して
任意の並進速度と回転角速度が実現できるよう駆動でき
るものとする。従って、ここで設計すべき視覚フィード
バック則は、対象物体Oの基準座標ΣB とアーム1の参
照座標Σf が画像面上で一致するような並進速度及び回
転角速度指令を生成することである。ここで、pOi(i
=l、r)の1階微分を考えれば次のように与えられ
る。
For simplification of explanation, it is assumed that the tip effector 2 of the arm 1 of the manipulator can be driven so as to realize arbitrary translational velocity and rotational angular velocity with respect to the reference coordinate system ΣB. Therefore, the visual feedback rule to be designed here is to generate a translational velocity and rotational angular velocity command such that the reference coordinate ΣB of the target object O and the reference coordinate Σf of the arm 1 match on the image plane. Where p Oi (i
Considering the first derivative of = 1, r), it is given as follows.

【0053】[0053]

【外11】 [Outside 11]

【0054】[0054]

【外12】 [Outside 12]

【0055】また、Also,

【数5】 (Equation 5)

【0056】pYi、pZiの1階微分も同様に求められ
る。
The first derivative of p Yi and p Zi can be similarly obtained.

【外13】 [Outside 13]

【0057】位置決めは対象物体O上に定義された基準
座標系ΣB に先端効果器2の参照座標系Σf を画像面上
で一致させるよう行われるが、参照座標系Σf の原点及
びx、y、z軸の端点と直接対応可能な対象物体Oの特
徴点が存在するとは限らない。そこで、
Positioning is performed so that the reference coordinate system Σf of the tip effector 2 coincides with the reference coordinate system ΣB defined on the target object O on the image plane, and the origin of the reference coordinate system Σf and x, y, The feature point of the target object O that can directly correspond to the end point of the z axis does not always exist. Therefore,

【外14】 [Outside 14]

【0058】この写像は3次元空間上のある座標系のス
テレオ画像平面Im上への射影をその座標系のカメラ座
標系に対する位置・姿勢と一対一に対応する6次元ベク
トル(特徴量ベクトル)に変換するものである。従っ
て、先端効果器2上の参照座標系Σf と対象物体O上の
基準座標系ΣB それぞれの射影に対してこの写像を行え
ば、位置決めは両者の特徴量ベクトルを一致させること
で実現される。
This mapping is a 6-dimensional vector (feature vector) corresponding to the one-to-one correspondence between the projection of a certain coordinate system in the three-dimensional space on the stereo image plane Im and the position / orientation of that coordinate system with respect to the camera coordinate system. It is to convert. Therefore, if this mapping is performed on the projections of the reference coordinate system Σf on the tip effector 2 and the reference coordinate system ΣB on the target object O, positioning is realized by matching the feature amount vectors of both.

【0059】ここで、先端効果器2の参照座標Σf に関
するベクトルをアーム特徴量ベクトル
Here, the vector relating to the reference coordinate Σf of the tip effector 2 is an arm feature vector.

【外15】 [Outside 15]

【0060】[0060]

【外16】 [Outside 16]

【0061】[0061]

【外17】 [Outside 17]

【0062】このとき、写像を含む全システムは次のよ
うに記述することができる。
At this time, the entire system including the mapping can be described as follows.

【数6】 (Equation 6)

【0063】ここで、Here,

【数7】 (Equation 7)

【0064】このとき、イメージヤコビアンJの逆行列
を用いて、次のような視覚フィードバック制御則(フィ
ードバック制御器13)が構成できる。
At this time, the following visual feedback control law (feedback controller 13) can be constructed by using the inverse matrix of the image Jacobian J.

【外18】 [Outside 18]

【0065】[0065]

【外19】 [Outside 19]

【0066】(応用例)次に、本実施形態の応用例につ
いて説明する。本応用例では、図7に示すように画像追
跡器8は比較用イメージIm' としてメモリしておいた
3Dマーカー3の参照パターンの画像を入力画像と相関
をとることにより参照パターン7の画像面上の位置を計
算するものとする。この場合、参照パターン7の画像平
面Im上への射影7’は最初は比較用イメージIm' と
一致しているが、マニピュレータのアーム1の動きに応
じて変化することになる。
(Application Example) Next, an application example of this embodiment will be described. In the present application example, as shown in FIG. 7, the image tracker 8 correlates the image of the reference pattern of the 3D marker 3 stored as the comparison image Im ′ with the input image to determine the image surface of the reference pattern 7. The position above shall be calculated. In this case, the projection 7 ′ of the reference pattern 7 on the image plane Im initially matches the comparison image Im ′, but changes according to the movement of the arm 1 of the manipulator.

【0067】一方、前述した3Dマーカー位置・姿勢推
定器9を構成すればカメラ座標系に対するマーカー座標
系の位置・姿勢を計算できるため、これを用いて比較用
イメージIm' をそのときの3Dマーカー3の位置・姿
勢で参照パターン7が画像平面Im上につくる射影を逐
次求めてこれを比較用パターンとすることができる。あ
るいは、比較用パターンで相関をとって参照パターン7
の位置を求めた後、その位置近傍の画像を新たな比較用
イメージとして逐次更新してもよい。
On the other hand, if the 3D marker position / orientation estimator 9 described above is configured, the position / orientation of the marker coordinate system with respect to the camera coordinate system can be calculated, and thus the comparison image Im ′ is used for the 3D marker at that time. It is possible to sequentially obtain the projections produced by the reference pattern 7 on the image plane Im at the positions and orientations of 3 and use this as the comparison pattern. Alternatively, the reference pattern 7 is obtained by correlating with the comparison pattern.
After obtaining the position of, the image near the position may be sequentially updated as a new image for comparison.

【0068】また、3Dマーカー3の4つの参照パター
ン7のステレオカメラによる観測が困難になる場合に
は、3Dマーカー位置・姿勢推定器9からの情報により
3Dマーカー3あるいは参照パターンの向き(例えば図
7のθ)を変更すればよい。ただし、先端効果器2の参
照座標系Σf の位置・姿勢は変化させないため、参照座
標Σf を画像面上に描画する場合にはマーカー座標系に
対する参照座標系Σf の位置・姿勢情報を変更して計算
する。
When it becomes difficult to observe the four reference patterns 7 of the 3D marker 3 with the stereo camera, the direction of the 3D marker 3 or the reference pattern (for example, as shown in FIG. 7) may be changed. However, since the position / orientation of the reference coordinate system Σf of the tip effector 2 is not changed, when drawing the reference coordinate Σf on the image surface, the position / orientation information of the reference coordinate system Σf with respect to the marker coordinate system is changed. calculate.

【0069】以上本実施形態の代表的な装置例、方法例
及び応用例について説明したが、本実施形態は必ずしも
当該装置例の手段及び当該方法例の手法等だけに限定さ
れるものではない。本実施形態は、その目的を達成し、
後述する効果を有する範囲内において適宜変更して実施
することができるものである。
Although the representative apparatus example, method example and application example of the present embodiment have been described above, the present embodiment is not necessarily limited to the means of the apparatus example and the method of the method example. The present embodiment achieves that purpose,
The present invention can be appropriately modified and implemented within a range having the effects described below.

【0070】[0070]

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、ステレ
オカメラでとらえた対象物体に対して所望の相対位置・
姿勢に先端効果器を操作するに当り、先端効果器の位置
・姿勢を画像認識し易い3Dマーカーにて立体的にとら
えて誤差の修正をフィードバック制御にて行うので、対
象物体上に定義された基準座標系に対して先端効果器を
相対的に並進・回転運動させることが可能になり、しか
も効率的に柔軟性の高い位置決め作業を行うことができ
るという効果を奏する。したがって、オペレータは目測
や経験に頼らず適切にマニピュレータのアームの位置決
めを行うことができる。
As described above, according to the present invention, a desired relative position / position with respect to a target object captured by a stereo camera can be obtained.
When operating the tip effector in the posture, the position / posture of the tip effector is stereoscopically grasped by a 3D marker that is easy to image-recognize, and the error is corrected by feedback control. Therefore, it is defined on the target object. The tip effector can be translated and rotated relative to the reference coordinate system, and moreover, highly flexible positioning work can be efficiently performed. Therefore, the operator can appropriately position the arm of the manipulator without relying on visual observation or experience.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の装置例のマニピュレータの制御システ
ムの構成を示したブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control system of a manipulator of an apparatus example of the present invention.

【図2】同上の装置例にて用いる3Dマーカーの構成を
示した説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a 3D marker used in the device example of the same.

【図3】3Dマーカーの参照パターンの構成を示した概
略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a reference pattern of a 3D marker.

【図4】ステレオカメラにより観測された3Dマーカー
と対象物体を示した説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a 3D marker and a target object observed by a stereo camera.

【図5】3Dマーカーのステレオカメラによる一画像平
面上への射影を表した説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a projection of a 3D marker on one image plane by a stereo camera.

【図6】ステレオカメラと3Dマーカーとの間の相対位
置推定の過程を表した説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a process of relative position estimation between a stereo camera and a 3D marker.

【図7】マニピュレータのアームとステレオカメラの相
対位置関係により参照パターンの射影が変化する様子を
表した説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing how the projection of the reference pattern changes depending on the relative positional relationship between the arm of the manipulator and the stereo camera.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

α…マニピュレータの制御システム 1…アーム 2…先端効果器 3…3Dマーカー 4…ステレオカメラ 5…コントローラ 6a、6b、6c…腕 7…参照パターン 7a…パターン板 7b…発光ダイオード 7’…参照パターンの射影 8…画像追跡器 9…3Dマーカー位置・姿勢推定器 10…参照座標描画器 11…アーム特徴量算出器 12…対象物特徴量算出器 13…フィードバック制御器 Im…画像平面 Im' …比較用イメージ Σf …参照座標系 ΣB …基準座標系 F…焦点 O…対象物体 R…光軸 α ... Manipulator control system 1 ... Arm 2 ... Tip effector 3 ... 3D marker 4 ... Stereo camera 5 ... Controller 6a, 6b, 6c ... Arm 7 ... Reference pattern 7a ... Pattern plate 7b ... Light emitting diode 7 '... Reference pattern Projection 8 ... Image tracker 9 ... 3D marker position / orientation estimator 10 ... Reference coordinate drawing device 11 ... Arm feature amount calculator 12 ... Object feature amount calculator 13 ... Feedback controller Im ... Image plane Im '... For comparison Image Σf… Reference coordinate system ΣB… Standard coordinate system F… Focus O… Target object R… Optical axis

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】対象物体に対するマニピュレータの位置・
姿勢を操作するに当り、 アーム先端の先端効果器を当該対象物体との相対関係で
適正な位置・姿勢に位置決め制御する際、当該相対関係
の位置・姿勢の撮影と射影幾何等解析を容易にするため
前記先端効果器に一体取付けた3Dマーカーの位置・姿
勢の撮影と射影幾何等解析を通して当該先端効果器の位
置・姿勢を間接的に算出処理する、 ことを特徴とするマニピュレータの制御方法。
1. A position of a manipulator with respect to a target object
When manipulating the posture, when performing positioning control of the tip effector at the tip of the arm to the proper position / posture in relation to the target object, it is easy to capture the position / posture of the relative relation and analyze the projective geometry, etc. In order to do so, the position / orientation of the tip effector is indirectly calculated through imaging of the position / orientation of the 3D marker integrally attached to the tip effector and analysis of projective geometry and the like.
【請求項2】前記対象物体と前記先端効果器との相対関
係の撮影は、 ステレオカメラにて実行する、 ことを特徴とする請求項1に記載のマニピュレータの制
御方法。
2. The manipulator control method according to claim 1, wherein the photographing of the relative relationship between the target object and the tip effector is performed by a stereo camera.
【請求項3】前記対象物体と前記先端効果器との相対関
係の射影幾何等解析は、 前記ステレオカメラの画像の前記対象物体の特徴点及び
前記3Dマーカーの参照パターンの座標位置を数値的に
割出して所定関係式を通し算出処理する、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載のマニピュレー
タの制御方法。
3. The projective geometric analysis of the relative relationship between the target object and the tip effector numerically determines the coordinate points of the feature points of the target object in the image of the stereo camera and the reference pattern of the 3D marker. The manipulator control method according to claim 1 or 2, wherein indexing is performed and calculation processing is performed through a predetermined relational expression.
【請求項4】対象物体に対するマニピュレータの位置・
姿勢を操作するに当り、 予め3Dマーカーが装備された先端効果器を前記マニピ
ュレータのアーム先端に設置するとともに、ステレオカ
メラを用意して置き、 当該ステレオカメラで前記3Dマーカーと前記対象物体
とを同時に撮影して、前記対象物体の特徴点と前記3D
マーカーの参照パターンの画面上の位置とを追跡し、 前記マニピュレータの先端効果器上に任意に選んだ参照
座標系が前記対象物体上の特徴点から定義される基準座
標系に一致するように前記マニピュレータのアームの位
置決めを制御する、 ことを特徴とするマニピュレータの制御方法。
4. The position of the manipulator with respect to the target object
When manipulating the posture, a tip effector equipped with a 3D marker in advance is installed at the arm tip of the manipulator, and a stereo camera is prepared and placed, and the 3D marker and the target object are simultaneously displayed by the stereo camera. After capturing the image, the characteristic points of the target object and the 3D
Tracking the position of the reference pattern of the marker on the screen, the reference coordinate system arbitrarily selected on the tip effector of the manipulator so as to match the reference coordinate system defined from the feature points on the target object. A method for controlling a manipulator, comprising controlling the positioning of an arm of the manipulator.
【請求項5】対象物体に対するマニピュレータの位置・
姿勢を操作するに当り、 予め3Dマーカーが装備された先端効果器をマニピュレ
ータのアーム先端に設置するとともに、当該3Dマーカ
ーと前記対象物体とを同時に撮影するステレオカメラを
用意して置き、 先ず、前記ステレオカメラの画像面上における前記対象
物体の複数の特徴点から基準座標系を定義し、かつ前記
先端効果器上の参照座標系の位置・姿勢を指定し、 次に前記対象物体の特徴点と前記3Dマーカーの参照パ
ターンの画面上の位置とを追跡し、前記ステレオカメラ
による左右両画面上の前記3Dマーカーの参照パターン
の位置をカメラ座標系にて求めた後、 前記カメラ座標系に対する3Dマーカー座標系の相対位
置・姿勢を算出する一方、前記3Dマーカー座標系の相
対位置・姿勢に基づいて前記先端効果器上の参照座標系
の射影を算出し、当該算出した前記参照座標系の射影を
前記ステレオカメラの左右両画面上にかき込み、 続いて、前記先端効果器上の参照座標系の射影画像を6
次元のアーム特徴量ベクトルに写像する一方、前記対象
物体の基準座標系の射影画像を6次元の対象物特徴量ベ
クトルに写像してアーム特徴量ベクトル及び対象物特徴
量ベクトルを求めた後、両ベクトルが一致するようにマ
ニピュレータを制御する、 ことを特徴とするマニピュレータの制御方法。
5. The position of the manipulator with respect to the target object
When manipulating the posture, a tip effector equipped with a 3D marker in advance is installed on the arm tip of the manipulator, and a stereo camera for simultaneously photographing the 3D marker and the target object is prepared and placed. A standard coordinate system is defined from a plurality of feature points of the target object on the image plane of the stereo camera, and a position / orientation of a reference coordinate system on the tip effector is specified. The position of the reference pattern of the 3D marker on the screen is tracked, the positions of the reference patterns of the 3D markers on the left and right screens of the stereo camera are obtained in the camera coordinate system, and then the 3D marker with respect to the camera coordinate system. While calculating the relative position and orientation of the coordinate system, reference coordinates on the tip effector based on the relative position and orientation of the 3D marker coordinate system The projection of the system is calculated, the calculated projection of the reference coordinate system is squeezed onto the left and right screens of the stereo camera, and then the projection image of the reference coordinate system on the tip effector is displayed on the screen 6.
While mapping to the three-dimensional arm feature amount vector, the projection image of the reference coordinate system of the target object is mapped to the six-dimensional target feature amount vector to obtain the arm feature amount vector and the target feature amount vector. A method for controlling a manipulator, comprising controlling the manipulator so that the vectors match.
【請求項6】前記3Dマーカーは、 斜方6面体あるいは直方体の同一平面上にない4つ以上
の頂点に参照パターンが配置されてなる、 ことを特徴とする請求項1、2、3、4又は5に記載の
マニピュレータの制御方法。
6. The 3D marker has reference patterns arranged at four or more apexes that are not on the same plane of an orthorhombic hexahedron or a rectangular parallelepiped. Alternatively, the manipulator control method according to the fifth aspect.
【請求項7】前記3Dマーカーの参照パターンの画面上
の位置は、 予め3Dマーカーに取り付けられている参照パターンの
画像を比較用イメージとして記憶させておき、前記ステ
レオカメラで撮影した画像と相関をとることにより算出
する、 ことを特徴とする請求項3、4、5又は6に記載のマニ
ピュレータの制御方法。
7. The position of the reference pattern of the 3D marker on the screen is stored as an image for comparison in advance of the image of the reference pattern attached to the 3D marker, and is correlated with the image taken by the stereo camera. It calculates by taking. The control method of the manipulator according to claim 3, 4, 5, or 6.
【請求項8】前記マニピュレータは、 産業用ロボットのアーム、クレーン又は消防車の梯子で
ある、 ことを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6又は7
に記載のマニピュレータの制御方法。
8. The manipulator is an arm of an industrial robot, a crane, or a ladder of a fire engine, wherein the manipulator is an arm of a robot or a ladder of a fire engine.
A method for controlling the manipulator described in.
【請求項9】前記3Dマーカーの参照パターンは、 模様が描かれたパターン板と、当該パターン板を明るく
する光源とを備えた、 ことを特徴とする請求項3、4、5、6、7又は8に記
載のマニピュレータの制御方法。
9. The reference pattern of the 3D marker comprises a pattern plate on which a pattern is drawn, and a light source for making the pattern plate brighter. Alternatively, the method of controlling the manipulator according to Item 8.
【請求項10】アーム先端に先端効果器が設けられたマ
ニピュレータの制御システムにおいて、 前記先端効果器に装備された3Dマーカーと、 対象物体と前記3Dマーカーとを同時に撮影するステレ
オカメラと、 マニピュレータの操作時に前記対象物体の特徴点と前記
3Dマーカーの参照パターンの画面上の位置とを追跡
し、かつ前記マニピュレータの先端効果器上に任意に選
んだ参照座標系が前記対象物体上の特徴点から定義され
る基準座標系に一致するように前記マニピュレータを制
御するコントローラと、を有する、 ことを特徴とするマニピュレータの制御システム。
10. A manipulator control system in which a tip effector is provided at the tip of an arm, wherein a 3D marker mounted on the tip effector, a stereo camera for simultaneously photographing a target object and the 3D marker, and a manipulator During operation, the feature points of the target object and the positions of the reference patterns of the 3D markers on the screen are tracked, and a reference coordinate system arbitrarily selected on the tip effector of the manipulator is selected from the feature points on the target object. A controller for controlling the manipulator so as to match a defined reference coordinate system, and a control system for the manipulator.
【請求項11】アーム先端に先端効果器が設けられたマ
ニピュレータの制御システムにおいて、 前記先端効果器に装備された3Dマーカーと、対象物体
と前記3Dマーカーとを同時に撮影するステレオカメラ
と、コントローラとを備え、 前記コントローラは、 前記マニピュレータの操作時に前記ステレオカメラから
の画像情報を読み取って前記対象物体の特徴点と前記3
Dマーカーの参照パターンの画像面上の位置を追尾する
画像追跡器と、前記画像追跡器からの追尾情報をもとに
カメラ座標系に対する3Dマーカー座標系の相対位置・
姿勢を算出する3Dマーカー位置・姿勢推定器と、前記
3Dマーカー座標系の相対位置・姿勢に基づいて前記先
端効果器上の参照座標系の射影を算出し、当該参照座標
系の射影を前記ステレオカメラの左右両画面上にかき込
む参照座標描画器と、前記先端効果器上の参照座標系の
射影を前記先端効果器のカメラ座標系に対する位置・姿
勢と一対一の対応を有する特徴量ベクトルに変換するア
ーム特徴量算出部と、前記画像追跡器から出力された前
記対象物体の特徴点を当該対象物体のカメラ座標に対す
る位置・姿勢と一対一の対応を有する対象物特徴量ベク
トルに変換する対象物特徴量算出部と、前記アーム特徴
量算出部と前記対象物特徴量算出部からの出力の差をも
とにマニピュレータの先端部の速度・角速度指令を算出
するフィードバック制御器とからなる、 ことを特徴とするマニピュレータの制御システム。
11. A control system for a manipulator in which a tip effector is provided at the tip of an arm, wherein a 3D marker equipped on the tip effector, a stereo camera for simultaneously photographing a target object and the 3D marker, and a controller. The controller reads the image information from the stereo camera when operating the manipulator, and the characteristic points of the target object and the 3
An image tracker that tracks the position of the reference pattern of the D marker on the image plane, and a relative position of the 3D marker coordinate system with respect to the camera coordinate system based on the tracking information from the image tracker.
A 3D marker position / orientation estimator for calculating the attitude, and a projection of the reference coordinate system on the tip effector is calculated based on the relative position / orientation of the 3D marker coordinate system, and the projection of the reference coordinate system is performed by the stereo. Converting a reference coordinate drawing device to be scratched on both left and right screens of the camera and a projection of the reference coordinate system on the tip effector into a feature amount vector having a one-to-one correspondence with the position / orientation of the tip effector with respect to the camera coordinate system An arm feature amount calculation unit for converting the feature points of the target object output from the image tracker into a target feature amount vector having a one-to-one correspondence with the position / orientation of the target object with respect to the camera coordinates. A characteristic amount calculation unit, and a feedback controller that calculates a velocity / angular velocity command of the tip portion of the manipulator based on the difference between the outputs from the arm characteristic amount calculation unit and the object characteristic amount calculation unit. Control system comprising a controller, and wherein the manipulator.
【請求項12】前記コントローラの画像追跡器及び3D
マーカー位置・姿勢推定器の代わりに、 前記ステレオカメラの画像を入力として前記3Dマーカ
ーの参照パターンの画像面上の位置を予め用意しておい
た比較用パターンと相関をとりつつ追尾する画像追跡器
と、前記画像追跡器からの出力をもとにカメラ座標系に
対する3Dマーカー座標系の相対位置・姿勢を推定する
3Dマーカー位置・姿勢推定器とを有する、 ことを特徴とする請求項11に記載のマニピュレータの
制御システム。
12. An image tracker and 3D of the controller.
Instead of a marker position / orientation estimator, an image tracker that inputs the image of the stereo camera and tracks the position of the reference pattern of the 3D marker on the image plane while correlating it with a comparison pattern prepared in advance. And a 3D marker position / orientation estimator that estimates the relative position / orientation of the 3D marker coordinate system with respect to the camera coordinate system based on the output from the image tracker. Manipulator control system.
【請求項13】前記3Dマーカーは、 斜方6面体あるいは直方体の同一平面上にない4つ以上
の頂点に参照パターンが配置されてなる、 ことを特徴とする請求項10、11又は12に記載のマ
ニピュレータの制御システム。
13. The 3D marker has reference patterns arranged at four or more apexes that are not on the same plane of an orthorhombic hexahedron or a rectangular parallelepiped, and the 3D marker is characterized in that: Manipulator control system.
【請求項14】前記マニピュレータは、 産業用ロボットのアーム、クレーン又は消防車の梯子で
ある、 ことを特徴とする請求項10、11、12又は13に記
載のマニピュレータの制御システム。
14. The manipulator control system according to claim 10, 11, 12 or 13, wherein the manipulator is an arm of an industrial robot, a crane, or a ladder of a fire engine.
【請求項15】前記3Dマーカーの参照パターンは、 模様が描かれたパターン板と、当該パターン板を明るく
する光源とを備えた、 ことを特徴とする請求項10、11、12、13又は1
4に記載のマニピュレータの制御システム。
15. The reference pattern of the 3D marker comprises: a pattern plate on which a pattern is drawn; and a light source for making the pattern plate brighter, 10, 11, 12, 13 or 1.
4. The control system for the manipulator described in 4.
JP14201496A 1996-06-04 1996-06-04 Manipulator control method and system Pending JPH09323280A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14201496A JPH09323280A (en) 1996-06-04 1996-06-04 Manipulator control method and system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14201496A JPH09323280A (en) 1996-06-04 1996-06-04 Manipulator control method and system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09323280A true JPH09323280A (en) 1997-12-16

Family

ID=15305374

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP14201496A Pending JPH09323280A (en) 1996-06-04 1996-06-04 Manipulator control method and system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH09323280A (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7092109B2 (en) 2003-01-10 2006-08-15 Canon Kabushiki Kaisha Position/orientation measurement method, and position/orientation measurement apparatus
JP2007140557A (en) * 2007-02-16 2007-06-07 Olympus Corp Manipulator device and method for estimating position of leading end of operating means of device
JP2010536600A (en) * 2007-08-24 2010-12-02 エリート エンジニアリング コーポレイション Robot arm and control system
JP2012101289A (en) * 2010-11-08 2012-05-31 Okuma Corp Machine tool, and method for measuring position by the same
JP2015136764A (en) * 2014-01-23 2015-07-30 セイコーエプソン株式会社 Control device, robot system, robot and robot control method
JP2019219929A (en) * 2018-06-20 2019-12-26 株式会社フォーディーアイズ Constant calibration system and method thereof
CN116237940A (en) * 2023-02-22 2023-06-09 深圳市启灵图像科技有限公司 A method and system for tracking a target in a moving state
KR102582166B1 (en) * 2023-06-08 2023-09-25 주식회사 한다랩 Pick Up System of Autonomous Charging Robot for Electric Vehicle

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7092109B2 (en) 2003-01-10 2006-08-15 Canon Kabushiki Kaisha Position/orientation measurement method, and position/orientation measurement apparatus
JP2007140557A (en) * 2007-02-16 2007-06-07 Olympus Corp Manipulator device and method for estimating position of leading end of operating means of device
JP2010536600A (en) * 2007-08-24 2010-12-02 エリート エンジニアリング コーポレイション Robot arm and control system
JP2012101289A (en) * 2010-11-08 2012-05-31 Okuma Corp Machine tool, and method for measuring position by the same
JP2015136764A (en) * 2014-01-23 2015-07-30 セイコーエプソン株式会社 Control device, robot system, robot and robot control method
JP2019219929A (en) * 2018-06-20 2019-12-26 株式会社フォーディーアイズ Constant calibration system and method thereof
CN116237940A (en) * 2023-02-22 2023-06-09 深圳市启灵图像科技有限公司 A method and system for tracking a target in a moving state
KR102582166B1 (en) * 2023-06-08 2023-09-25 주식회사 한다랩 Pick Up System of Autonomous Charging Robot for Electric Vehicle

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6966582B2 (en) Systems and methods for automatic hand-eye calibration of vision systems for robot motion
CN105666505B (en) Robot system having display for augmented reality
CN107756408B (en) Robot track teaching device and method based on active infrared binocular vision
US8095237B2 (en) Method and apparatus for single image 3D vision guided robotics
JP6420229B2 (en) A robot system including a video display device that superimposes and displays an image of a virtual object on a video of a robot
US20030144765A1 (en) Method and apparatus for single camera 3D vision guided robotics
CN116079750B (en) Robot teaching system
EP1215017A2 (en) Robot teaching apparatus
WO2018043525A1 (en) Robot system, robot system control device, and robot system control method
CN112743548B (en) Method, system and terminal for unifying hand-eye calibration of two mechanical arms
JP7366264B2 (en) Robot teaching method and robot working method
JP7439410B2 (en) Image processing device, image processing method and program
JP2001060108A (en) Device and method for teaching robot action
JP7674464B2 (en) Simulation device using 3D position information obtained from the output of a visual sensor
US12036663B2 (en) Method and control arrangement for determining a relation between a robot coordinate system and a movable apparatus coordinate system
WO2018043524A1 (en) Robot system, robot system control device, and robot system control method
CN111390910A (en) Manipulator target grabbing and positioning method, computer readable storage medium and manipulator
CN116372918A (en) Robot control method, device, equipment, robot and storage medium
CN116323115A (en) Control device, robot arm system and control method for robot arm device
CN110948467A (en) Handheld teaching device and method based on stereoscopic vision
JPH09323280A (en) Manipulator control method and system
CN113858214B (en) A positioning method and control system for robot operation
JPH05318361A (en) Method for manipulating object
CN118322213B (en) Vision-based kinematic calibration method for industrial robots in large workspaces
JPH11338532A (en) Teaching device