(57)【要約】      （修正有）【課題】ワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正するための補正値を簡易なシステム構成で計算する。【解決手段】プログラマブルコントローラが、ワークの３点のＺ座標の３つの変位センサによる測定結果を入力するステップ６０１と、ワークの２点のＸＹ座標の１つ又は２つの画像センサによる測定結果を入力するステップ６０２と、３点のＺ座標及び２点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、ワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面に対するワークの変位を６自由度の成分で計算するステップ６０３と、基準平面に対するワークの変位に基づいて、基準平面との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの点に対するワークの校正点の変位を計算するステップ６０４を実行する。【選択図】図６
2020146808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワークの３点のＺ座標を測定する３つの変位センサと、
前記ワークの２点のＸＹ座標を測定する１つ又は２つの画像センサと、
プログラマブルコントローラであって、
前記３点のＺ座標及び前記２点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、前記ワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面に対する前記ワークの変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算する第１の計算手段と、
前記基準平面に対する前記ワークの変位に基づいて、前記基準平面の位置及び姿勢を前記ワークの位置及び姿勢に整合させたときの前記基準平面との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算する第２の計算手段と、
を備えるプログラマブルコントローラと、
を備え、前記基準平面に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ前記基準平面に垂直な軸がＺ軸となるように前記ＸＹＺ直交座標系が定義されている、計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載の計測システムであって、
前記ワークの２点は、前記ワークの外観的特徴点である、計測システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の計測システムであって、
前記第２の計算手段は、行列演算を用いて前記３つの校正点のそれぞれの変位を計算する、計測システム。
【請求項４】
プログラマブルコントローラが、
ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワークの３点のＺ座標の３つの変位センサによる測定結果を入力するステップと、
前記ワークの２点のＸＹ座標の１つ又は２つの画像センサによる測定結果を入力するステップと、
前記３点のＺ座標及び前記２点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、前記ワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面に対する前記ワークの変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算するステップと、
前記基準平面に対する前記ワークの変位に基づいて、前記基準平面の位置及び姿勢を前記ワークの位置及び姿勢に整合させたときの前記基準平面との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算するステップと、
を実行する計測方法であって、
前記基準平面に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ前記基準平面に垂直な軸がＺ軸となるように前記ＸＹＺ直交座標系が定義されている、計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は計測システム及び計測方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
ファクトリーオートメーションの分野では、ロボットによるワークの組み立て作業が自動化されている。例えば、自動車部品の溶接工程においては、作業台に置かれたワークにロボットが溶接を行うようにロボットの動作が制御される。このとき、作業台に置かれるワークの位置及び姿勢は、ワーク毎に異なり得る。このような事情に鑑み、作業台に対するワークの標準的な位置及び姿勢を予め定めておき、ワークの位置及び姿勢がその標準的な位置及び姿勢からどの程度ずれているかを検出し、ロボットによるワークの溶接位置を補正することが行われている。例えば、特許文献１は、基準ブロックに対するワークの標準的な位置及び姿勢を予め設定しておき、画像センサ及び変位センサを用いて基準ブロックに対するワークのずれをＸＹＺ直交座標系の各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算することにより、ワークに対するロボットの位置及び姿勢の補正量を計算する方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−９３３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の方法では、ワーク毎に基準ブロックを用意する必要があるため、ワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正するための補正値を計算するためのシステムの構築が煩雑となる。
【０００５】
そこで、本発明は、ワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正するための補正値を簡易なシステム構成で計算することのできる計測システム及び計測方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明に関わる計測システムは、ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワークの３点のＺ座標を測定する３つの変位センサと、ワークの２点のＸＹ座標を測定する１つ又は２つの画像センサと、プログラマブルコントローラであって、３点のＺ座標及び２点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、ワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面に対するワークの変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算する第１の計算手段と、基準平面に対するワークの変位に基づいて、基準平面の位置及び姿勢をワークの位置及び姿勢に整合させたときの基準平面との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算する第２の計算手段と、を備えるプログラマブルコントローラと、を備える。ここで、基準平面に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ基準平面に垂直な軸がＺ軸となるようにＸＹＺ直交座標系が定義されている。このような構成によれば、ワークの位置及び姿勢を測定するための基準となる基準ブロックは不要となり、簡易なシステム構成でワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正することが可能となる。
【０００７】
ワークの２点は、ワークの外観的特徴点でもよい。これにより、画像センサによるワークの撮像点の識別精度を高めることができる。
【０００８】
第２の計算手段は、行列演算を用いて前３つの校正点のそれぞれの変位を計算してもよい。行列演算により、座標変換を用いた校正点の計算が可能となる。
【０００９】
本発明に関わる計測方法は、プログラマブルコントローラが、ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワークの３点のＺ座標の３つの変位センサによる測定結果を入力するステップと、ワークの２点のＸＹ座標の１つ又は２つの画像センサによる測定結果を入力するステップと、３点のＺ座標及び２点のＸＹ座標の測定結果に基づいてワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面に対するワークの変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算するステップと、基準平面に対するワークの変位に基づいて基準平面の位置及び姿勢をワークの位置及び姿勢に整合させたときの基準平面との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算するステップと、を実行する。ここで、基準平面に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ基準平面に垂直な軸がＺ軸となるようにＸＹＺ直交座標系が定義されている。このような方法によれば、ワークの位置及び姿勢を測定するための基準となる基準ブロックは不要となり、簡易な手法でワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正するための補正値を簡易なシステム構成で計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に関わる計測システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に関わる基準平面に対するワークの変位を測定する様子を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態に関わる基準平面に対するワークの変位を測定する様子を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態に関わる計測システムの一例を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態に関わるプログラマブルコントローラの構成を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態に関わる計測方法の処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態に関わる計測方法の計算処理を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態に関わる計測方法の計算処理を示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態に関わる計測方法の計算処理を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施形態に関わる計測方法の計算処理を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施形態に関わる計測方法の計算処理を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施形態に関わる計測方法の計算処理を示す説明図である。
【図１３】本発明の実施形態に関わる計測方法の計算処理を示す説明図である。
【図１４】本発明の実施形態に関わる計測方法の計算処理を示す説明図である。
【図１５】本発明の実施形態に関わる計測システムの一例を示す説明図である。
【図１６】本発明の実施形態に関わるワークの説明図である。
【図１７】本発明の実施形態に関わるワークの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一側面に関わる実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更又は改良され得るととともに、本発明には、その等価物も含まれる。なお、同一符号は、同一の構成要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
【００１３】
［適用例］
まず、図１乃至図３を参照しながら、本発明の適用例について説明する。
図１は本発明の実施形態に関わる計測システム１０の概略構成を示す説明図である。計測システム１０は、３つの変位センサ２０及び２つの画像センサ３０を備えている。ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内には、ワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面８０が予め定義されている。ワークの基準位置及び基準姿勢とは、作業台に置かれるワークの位置及び姿勢の基準を定めるものである。図２及び図３に示すように、計測システム１０は、作業台に置かれたワーク７０の実際の位置及び姿勢がそれぞれ基準位置及び基準姿勢からどの程度ずれているのかを３つの変位センサ２０及び２つの画像センサ３０を用いて測定する。なお、基準平面８０に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ基準平面８０に垂直な軸がＺ軸となるようにＸＹＺ直交座標系を定義する。
【００１４】
本明細書で使用する用語を以下のように定義する。
【００１５】
ロボットが操作するワーク７０を「作業ワーク」と呼ぶ。
【００１６】
基準平面８０を「マスターワーク」と呼ぶ。マスターワークは、仮想上のワークの測定面（凹凸のない平坦面）である。
【００１７】
マスターワークとの相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの点を「マスターワークの校正点（キャリブレーションポイント）」と呼ぶ。マスターワークの３つの校正点は、「MasterCalibPoint」と総称することがある。また、マスターワークの３つの校正点を区別するときは、「MasterCalibPoint1」,「 MasterCalibPoint2」, 「MasterCalibPoint3」と呼ぶことがある。但し、マスターワークの３つの校正点によって画定される平面は、基準平面８０と同一でもよく、この場合、各校正点は、基準平面８０上に存在する。
【００１８】
マスターワークの位置及び姿勢を作業ワークの位置及び姿勢に整合させたときにマスターワークの校正点に一致する点を作業ワークの校正点と呼ぶ。作業ワークの３つの校正点は、「WorkCalibPoint」と総称することがある。また、作業ワークの３つの校正点を区別するときは、「WorkCalibPoint1」,「 WorkCalibPoint2」, 「WorkCalibPoint3」と呼ぶことがある。
【００１９】
変位センサ２０によって変位センサ２０との間のＺ軸方向の距離が測定されるマスターワーク上の３つの点を「マスターワークの測距点」と呼ぶ。マスターワークの３つの測距点は、「MasterDistanceMeasuPoint」と総称することがある。また、３つのMasterDistanceMeasuPointを区別するときは、「MasterDistanceMeasuPoint1」, 「MasterDistanceMeasuPoint2」, 「MasterDistanceMeasuPoint3」と呼ぶことがある。マスターワークの３つの測距点は、同一平面上に存在し、それらのＺ座標は同一であるものとする。
【００２０】
変位センサ２０によって変位センサ２０との間のＺ軸方向の距離が測定される作業ワーク上の３つの点を「作業ワークの測距点」と呼ぶ。作業ワークの３つの測距点は、「WorkDistanceMeasuPoint」と総称することがある。また、３つのWorkDistanceMeasuPointを区別するときは、「WorkDistanceMeasuPoint1」, 「WorkDistanceMeasuPoint2」, 「WorkDistanceMeasuPoint3」と呼ぶことがある。作業ワークの３つの測距点は、同一平面上に存在するものとする。
【００２１】
特に、WorkDistanceMeasuPoint1のＺ座標をWorkDistanceMeasuPoint1_zと呼ぶ。WorkDistanceMeasuPoint2のＺ座標をWorkDistanceMeasuPoint2_zと呼ぶ。WorkDistanceMeasuPoint3のＺ座標をWorkDistanceMeasuPoint3_zと呼ぶ。
【００２２】
画像センサ３０によって撮像されるマスターワーク上の２つの点を「マスターワークの撮像点」と呼ぶ。マスターワークの２つの撮像点は、「MasterImagePoint」と総称することがある。また、２つのMasterImagePointを区別するときは、「MasterImagePointA」, 「MasterImagePointB」と呼ぶことがある。
【００２３】
画像センサ３０によって撮像される作業ワーク上の２つの点を「作業ワークの撮像点」と呼ぶ。作業ワークの２つの撮像点は、「WorkImagePoint」と総称することがある。また、２つのWorkImagePointを区別するときは、「WorkImagePointA」, 「WorkImagePointB」と呼ぶことがある。
【００２４】
マスターワークの撮像点を始点とし、作業ワークの撮像点を終点とする移動ベクトルをWorkImagePointDiff_xyと呼ぶ。特に、MasterImagePointAを始点とし、WorkImagePointAを終点とする移動ベクトルをWorkImagePointADiff_xyと呼ぶ。MasterImagePointBを始点とし、WorkImagePointBを終点とする移動ベクトルをWorkImagePointBDiff_xyと呼ぶ。
【００２５】
マスターワークに対する作業ワークのＸＹＺ軸周りの回転角をWorkAngleDiffと呼ぶ。特に、マスターワークに対する作業ワークのＺ軸周りの回転角をWorkAngleDiff_zと呼ぶ。
【００２６】
MasterCalibPoint1を始点とし、WorkCalibPoint1を終点とする移動ベクトルをWorkCalibPointDiff1と呼ぶ。MasterCalibPoint2を始点とし、WorkCalibPoint2を終点とする移動ベクトルをWorkCalibPointDiff2と呼ぶ。MasterCalibPoint3を始点とし、WorkCalibPoint3を終点とする移動ベクトルをWorkCalibPointDiff3と呼ぶ。
【００２７】
例えば、図２に示すように、計測システム１０は、マスターワークの３つの測距点のそれぞれのＺ座標と作業ワークの３つの測距点のそれぞれのＺ座標との差分から、基準平面８０に対するワーク７０の変位をＺ軸方向の平行移動成分及びＸＹ軸周りの回転成分からなる３自由度の成分で計算する。また、例えば、図３に示すように、計測システム１０は、マスターワークの２つの撮像点のそれぞれのＸＹ座標と作業ワークの２つの撮像点のそれぞれのＸＹ座標との差分から、基準平面８０に対するワーク７０の変位をＸＹ軸方向の平行移動成分及びＺ軸周りの回転成分からなる３自由度の成分で計算する。このようにして、計測システム１０は、基準平面８０に対するワーク７０の変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算する。
【００２８】
マスターワークの校正点に対する作業ワークの校正点の変位は、基準平面８０に対するワーク７０の変位に等しい。計測システム１０は、基準平面８０に対するワーク７０の変位からマスターワークの校正点に対する作業ワークの校正点の変位を計算する。計測システム１０は、マスターワークの校正点に対する作業ワークの校正点の変位の計算結果を、ワーク７０に対するロボットの位置及び姿勢を補正するための補正値として、ロボットコントローラに出力する。ロボットコントローラは、この補正値に基づいて、ワーク７０に対するロボットの位置及び姿勢を補正する。このような構成によれば、ワーク７０の位置及び姿勢を測定するための基準となる基準ブロックは不要となり、簡易なシステム構成でワーク７０に対するロボットの位置及び姿勢を補正することが可能となる。
【００２９】
なお、ワーク７０の外観的特徴点を、作業ワークの撮像点としてもよい。外観的特徴点とは、その形状、模様、又は色彩がワーク７０の他の部分の形状、模様、又は色彩と比較して区別し易い点を意味する。ワーク７０の外観的特徴点を、作業ワークの撮像点とすることにより、画像センサ３０による作業ワークの撮像点の識別精度を高めることができる。
【００３０】
また、画像センサ３０の測定誤差を低減するために、作業ワークの２つの撮像点の距離は、長い方が望ましい。このため、２つの画像センサ３０のそれぞれは、作業ワークの異なる撮像点を撮像するように配置される。但し、計測システム１０は、必ずしも、２つの画像センサ３０を備える必要はなく、例えば、１つの画像センサ３０で２つの撮像点を撮像してもよい。以下の説明では、計測システム１０が２つの画像センサ３０を備える構成について例示的に説明する。
【００３１】
[システム構成]
図４は本発明の実施形態に関わる測定システム１０の構成を示す説明図である。測定システム１０は、３つの変位センサ２０と、２つの画像センサ３０と、各画像センサ３０に接続するコントローラ３１と、コントローラ３１及び各変位センサ２０に接続するプログラマブルコントローラ４０とを備える。プログラマブルコントローラ４０は、各変位センサ２０から出力される測定信号を入力し、各測距点のＺ座標の値を演算する。コントローラ３１は、各画像センサ３０から出力される測定信号を入力し、撮像点のＸＹ座標をプログラマブルコントローラ４０に出力する。
【００３２】
プログラマブルコントローラ４０は、コントローラ３１及び各変位センサ２０の出力から、マスターワークの校正点に対する作業ワークの校正点の変位を計算し、その計算結果を、ワーク７０に対するロボット６０の位置及び姿勢を補正するための補正値として、ロボットコントローラ５０に出力する。ロボットコントローラ５０は、この補正値に基づいて、ワーク７０に対するロボット６０の位置及び姿勢を補正する。なお、ワーク７０は、作業台９０に置かれる部品（例えば、自動車の部品）であり、ロボット６０は、例えば、ワーク７０をスポット溶接する溶接ロボットである。ロボットコントローラ５０は、プログラマブルコントローラ４０から出力される補正値に基づいて、例えば、溶接ロボットによるスポット溶接の打点位置を補正する。
【００３３】
なお、ワーク７０が自動車部品のように、例えば、数メートル程度の大きさである場合、ワーク７０を３次元測定するセンサを用いて基準平面８０に対するワーク７０の変位を測定すると、視野が狭い上に、センサの費用が高価になるという欠点を有する。これに対し、変位センサ２０と画像センサ３０とを組み合わせることにより、視野を大きくとることが可能となり、また、センサの費用も安価になるという利点を有する。
【００３４】
図５はプログラマブルコントローラ４０の構成を示す説明図である。プログラマブルコントローラ４０は、プロセッサ４１と、補助記憶装置４２と、主記憶装置４３と、ネットワークコントローラ４４と、チップセット４５とを備えている。補助記憶装置４２は、例えば、ディスク媒体（例えば、磁気記録媒体又は光磁気記録媒体）又は不揮発性半導体メモリなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。主記憶装置４３は、例えば、揮発性半導体メモリである。ネットワークコントローラ４４は、コントローラ３１とプログラマブルコントローラ４０との間の通信、及びロボットコントローラ５０とプログラマブルコントローラ４０との間の通信を制御する。チップセット４５は、プログラマブルコントローラ４０の各部（プロセッサ４１、補助記憶装置４２、主記憶装置４３、及びネットワークコントローラ４４）を制御する。
【００３５】
補助記憶装置４２には、制御プログラム４６が格納されている。制御プログラム４６は、補助記憶装置４２から主記憶装置４３に読み込まれ、プロセッサ４１によって解釈及び実行される。制御プログラム１１０は、コントローラ３１及び各変位センサ２０の出力から、基準平面８０に対するワーク７０の変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算する処理と、基準平面８０に対するワーク７０の変位から、マスターワークの校正点に対する作業ワークの校正点の変位を計算する処理とを実行する。制御プログラム１１０は、例えば、行列演算を用いてマスターワークの校正点に対する作業ワークの校正点の変位を計算してもよい。制御プログラム１１０は、例えば、ＳＴ（Structured Text）言語で記述することができる。ＳＴ言語によれば、プログラマブルコントローラ４０による行列演算が可能となる。
【００３６】
[計測方法]
図６は本発明の実施形態に関わる計測方法の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップ６０１において、プログラマブルコントローラ４０は、ワーク７０上の３つの測距点のＺ座標の３つの変位センサ２０による測定結果を入力する。
ステップ６０２において、プログラマブルコントローラ４０は、ワーク７０上の２つの撮像点のＸＹ座標の２つの画像センサ３０による測定結果を入力する。
ステップ６０３において、プログラマブルコントローラ４０は、３つの測距点のＺ座標及び２つの撮像点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、基準平面８０に対するワーク７０の変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算する。
ステップ６０４において、プログラマブルコントローラ４０は、基準平面８０に対するワーク７０の変位から、マスターワークの校正点に対する作業ワークの校正点の変位を計算する。
【００３７】
次に、図７乃至１３を参照しながら、ステップ６０３，６０４の計算処理の詳細について説明する。
【００３８】
図７に示すように、マスターワークの２つの測距点（MasterDistanceMeasuPoint1, MasterDistanceMeasuPoint2）のそれぞれのＹ座標は、同じであるものとする。また、マスターワークに対する作業ワークの回転角の範囲は、±４５度の範囲内であるものとする。
【００３９】
図８に示すように、マスターワークの撮像点（MasterImagePoint）、測距点１（MasterDistanceMeasuPoint1）、測距点２（MasterDistanceMeasuPoint1）、測距点３（MasterDistanceMeasuPoint1）間のベクトルを計算する。
【００４０】
測距点１と撮像点との間のベクトルd1(x, y, z)（式１）により計算する。
【００４１】
【数１】
2020146808.tif 000003
【００４２】
測距点１と測距点２との間のベクトルd2(x)を（式２）により計算する。
【００４３】
【数２】
2020146808.tif 000004
【００４４】
測距点１と測距点３との間のベクトルd3(x, y)を（式３）により計算する。
【００４５】
【数３】
2020146808.tif 000005
【００４６】
測距点１とWorkDistanceMeasuPoint1_zとの間のベクトルd4(z)を（式４）により計算する。
【００４７】
【数４】
2020146808.tif 000006
【００４８】
図９に示すように、作業ワークの測距点１（WorkDistanceMeasuPoint1）を基準として、作業ワークのＸＹ軸方向の回転成分を算出する。マスターワークに対して作業ワークが異なる位置に存在するとき、作業ワーク上の測距点１、作業ワーク上の測距点２、及び作業ワーク上の測距点３のそれぞれのＺ座標（WorkDistanceMeasuPoint1_z、WorkDistanceMeasuPoint2_z、WorkDistanceMeasuPoint3_z）から、Ｘ軸及びＹ軸方向の作業ワークの傾きを求め、Ｚ軸周りの回転角(WorkAngleDiff_z)とＸ軸及びＹ軸方向の作業ワークの傾きとから、ＸＹ軸周りの回転角を求める。
【００４９】
図１０に示すように、Ｙ軸周りの作業ワークの傾きθ（y）slopeを（式５）により計算する。
【００５０】
【数５】
2020146808.tif 000007
【００５１】
図１１に示すように、Ｘ軸周りの作業ワークの傾きθ（x）slopeを（式６）により計算する。
【００５２】
【数６】
2020146808.tif 000008
【００５３】
図１２に示すように、作業ワークの撮像点Ａを回転中心として、作業ワークの２つの撮像点Ａ，ＢのＸＹ座標を（式７）〜（式８）から計算する。
【００５４】
【数７】
2020146808.tif 000009
【００５５】
【数８】
2020146808.tif 000010
【００５６】
作業ワークの撮像点Ａを回転中心する作業ワークのＺ軸周りの回転角を（式９）から計算する。
【００５７】
【数９】
2020146808.tif 000011
【００５８】
（式１０）〜（式１２）を用いて、作業ワークの測距点１，２，３をＺ軸周りに回転させる(θ(z)=WorkAngleDiff_z)。
【００５９】
【数１０】
2020146808.tif 000012
【００６０】
【数１１】
2020146808.tif 000013
【００６１】
【数１２】
2020146808.tif 000014
【００６２】
（式１３）〜（式２１）を用いて、(x1,y1) (x2,y2) (x3,y3)座標におけるＺ座標を計算する。
【００６３】
【数１３】
2020146808.tif 000015
【００６４】
【数１４】
2020146808.tif 000016
【００６５】
【数１５】
2020146808.tif 000017
【００６６】
【数１６】
2020146808.tif 000018
【００６７】
【数１７】
2020146808.tif 000019
【００６８】
【数１８】
2020146808.tif 000020
【００６９】
【数１９】
2020146808.tif 000021
【００７０】
【数２０】
2020146808.tif 000022
【００７１】
【数２１】
2020146808.tif 000023
【００７２】
Ｙ軸周りの作業ワークの回転角を（式２２）から計算する。
【００７３】
【数２２】
2020146808.tif 000024
【００７４】
Ｘ軸周りの作業ワークの回転角を（式２３）から計算する。
【００７５】
【数２３】
2020146808.tif 000025
【００７６】
撮像点を回転中心として、作業ワークのＸＹ方向の平行移動成分を（式２４）から計算する。
【００７７】
【数２４】
2020146808.tif 000026
【００７８】
回転中心のＺ座標は、ワーク全体の移動とＸＹ軸の回転による移動の和から求まる。Ｙ軸の回転によるＺ座標の移動を（式２５）から計算する。
【００７９】
【数２５】
2020146808.tif 000027
【００８０】
Ｘ軸の回転によるＺ座標の移動を（式２６）から計算する。
【数２６】
2020146808.tif 000028
【００８１】
図１３に示すように、撮像点と測距点の高さが異なるときのＸＹ軸の回転によるＺ座標の移動を（式２７）〜（式３１）から計算する。
【００８２】
【数２７】
2020146808.tif 000029
【００８３】
【数２８】
2020146808.tif 000030
【００８４】
【数２９】
2020146808.tif 000031
【００８５】
【数３０】
2020146808.tif 000032
【００８６】
【数３１】
2020146808.tif 000033
【００８７】
図１４に示すように、回転中心のＺ座標を（式３２）から計算する。
【００８８】
【数３２】
2020146808.tif 000034
【００８９】
撮像点を回転中心として回転行列を計算し、作業ワークの校正点を計算する。
【００９０】
撮像点を原点に移動したときの校正点の座標(X0,Y0,Z0,1)を（式３３）から計算する。
【００９１】
【数３３】
2020146808.tif 000035
【００９２】
校正点の座標(X0,Y0,Z0,1)をＸ軸周りに回転させて得られる座標(X1,Y1,Z1,1)を（式３４）から計算する。
【数３４】
2020146808.tif 000036
【００９３】
校正点の座標(X1,Y1,Z1,1)をＹ軸周りに回転させて得られる座標(X2,Y2,Z2,1)を（式３５）から計算する。
【数３５】
2020146808.tif 000037
【００９４】
校正点の座標(X2,Y2,Z2,1)をＺ軸周りに回転させて得られる座標(X3,Y3,Z3,1)を（式３６）から計算する。
【数３６】
2020146808.tif 000038
【００９５】
回転中心に戻したときの作業ワークの校正点の座標を（式３７）から計算する。
【数３７】
2020146808.tif 000039
【００９６】
マスターワークの校正点と作業ワークの校正点との差分を（式３８）から計算する。
【数３８】
2020146808.tif 000040
【００９７】
マスターワークの回転中心と作業ワークの回転中心との差分を（式３９）から計算する。
【数３９】
2020146808.tif 000041
【００９８】
マスターワークに対する作業ワークの回転角を（式４０）〜（式４１）から計算する。
【数４０】
2020146808.tif 000042
【数４１】
2020146808.tif 000043
【００９９】
プログラマブルコントローラ４０は、本発明の実施形態に関わる計測方法（図６のステップ６０１〜６０４）を実行する手段（ステップ６０１，６０２を実行する入力手段、及びステップ６０３，６０４を実行する計算手段）として機能する。
【０１００】
なお、図４では、３つの変位センサ２０及び２つの画像センサ３０をワーク７０の作業台９０の周囲に配置する例を示したが、図１５に示すように、３つの変位センサ２０及び２つの画像センサ３０を備えるセンサユニット１００をロボット６０の手首に取り付けてもよい。或いは、１つの画像センサ３０で２つの撮像点を撮像する場合には、センサユニット１００は、３つの変位センサ２０及び１つの画像センサ３０を備えてもよい。図１５に示すロボット６０は、例えば、ワーク７０の組み立てを行う組立ロボットである。
【０１０１】
図１６及び図１７は、ワーク７０としての自動車部品の例を示す。図１６及び図１７において、WorkImagePointA, WorkImagePointBは、自動車部品の外観的特徴点である。これらの外観的特徴点は、例えば、自動車部品の凹凸部分でもよく、或いは色彩が他の部分の色彩と異なる部分でもよい。
【０１０２】
上述の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のように記載され得るが、以下には限定されない。
（付記１）
ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワーク７０の３点のＺ座標を測定する３つの変位センサ２０と、
ワーク７０の２点のＸＹ座標を測定する１つ又は２つの画像センサ３０と、
プログラマブルコントローラ４０であって、
３点のＺ座標及び２点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、ワーク７０の基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面８０に対するワーク７０の変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算する第１の計算手段６０３と、
基準平面８０に対するワーク７０の変位に基づいて、基準平面８０の位置及び姿勢をワーク７０の位置及び姿勢に整合させたときの基準平面８０との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算する第２の計算手段６０４と、
を備えるプログラマブルコントローラ４０と、
を備え、基準平面８０に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ基準平面８０に垂直な軸がＺ軸となるようにＸＹＺ直交座標系が定義されている、計測システム１０。
（付記２）
付記１に記載の計測システム１であって、
ワーク７０の２点は、ワーク７０の外観的特徴点である、計測システム１０。
（付記３）
付記１又は２に記載の計測システム１０であって、
第２の計算手段６０４は、行列演算を用いて３つの校正点のそれぞれの変位を計算する、計測システム１０。
（付記４）
プログラマブルコントローラ４０が、
ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワーク７０の３点のＺ座標の３つの変位センサ２０による測定結果を入力するステップ６０１と、
ワーク７０の２点のＸＹ座標の１つ又は２つの画像センサ３０による測定結果を入力するステップ６０２と、
３点のＺ座標及び２点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、ワーク７０の基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面８０に対するワーク７０の変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算するステップ６０３と、
基準平面８０に対するワーク７０の変位に基づいて、基準平面８０の位置及び姿勢をワーク７０の位置及び姿勢に整合させたときの基準平面８０との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算するステップ６０４と、
を実行する計測方法であって、
基準平面８０に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ基準平面８０に垂直な軸がＺ軸となるようにＸＹＺ直交座標系が定義されている、計測方法。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…計測システム  ２０…変位センサ  ３０…画像センサ  ３１…コントローラ  ４０…プログラマブルコントローラ  ４１…プロセッサ  ４２…補助記憶装置  ４３…主記憶装置  ４４…ネットワークコントローラ  ４５…チップセット  ４６…制御プログラム  ５０…ロボットコントローラ  ６０…ロボット  ７０…ワーク  ８０…基準平面  ９０…作業台  １００…センサユニット
【図１】
2020146808.tif 000044
【図２】
2020146808.tif 000045
【図３】
2020146808.tif 000046
【図４】
2020146808.tif 000047
【図５】
2020146808.tif 000048
【図６】
2020146808.tif 000049
【図７】
2020146808.tif 000050
【図８】
2020146808.tif 000051
【図９】
2020146808.tif 000052
【図１０】
2020146808.tif 000053
【図１１】
2020146808.tif 000054
【図１２】
2020146808.tif 000055
【図１３】
2020146808.tif 000056
【図１４】
2020146808.tif 000057
【図１５】
2020146808.tif 000058
【図１６】
2020146808.tif 000059
【図１７】
2020146808.tif 000060
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月20日(2019.9.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワークの３点のＺ座標を測定する３つの変位センサと、
前記ワークの２点のＸＹ座標を測定する１つ又は２つの画像センサと、
プログラマブルコントローラであって、
前記３点のＺ座標及び前記２点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、前記ワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面に対する前記ワークの変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算する第１の計算手段と、
前記基準平面に対する前記ワークの変位に基づいて、前記基準平面の位置及び姿勢を前記ワークの位置及び姿勢に整合させたときの前記基準平面との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算する第２の計算手段と、
前記３つの校正点の変位の計算結果を、前記ワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正する補正値としてロボットコントローラに出力する手段と、
を備えるプログラマブルコントローラと、
を備え、前記基準平面に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ前記基準平面に垂直な軸がＺ軸となるように前記ＸＹＺ直交座標系が定義されている、計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載の計測システムであって、
前記ワークの２点は、前記ワークの外観的特徴点である、計測システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の計測システムであって、
前記第２の計算手段は、行列演算を用いて前記３つの校正点のそれぞれの変位を計算する、計測システム。
【請求項４】
プログラマブルコントローラが、
ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワークの３点のＺ座標の３つの変位センサによる測定結果を入力するステップと、
前記ワークの２点のＸＹ座標の１つ又は２つの画像センサによる測定結果を入力するステップと、
前記３点のＺ座標及び前記２点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、前記ワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面に対する前記ワークの変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算するステップと、
前記基準平面に対する前記ワークの変位に基づいて、前記基準平面の位置及び姿勢を前記ワークの位置及び姿勢に整合させたときの前記基準平面との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算するステップと、
前記３つの校正点の変位の計算結果を、前記ワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正する補正値としてロボットコントローラに出力するステップと、
を実行する計測方法であって、
前記基準平面に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ前記基準平面に垂直な軸がＺ軸となるように前記ＸＹＺ直交座標系が定義されている、計測方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明に関わる計測システムは、ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワークの３点のＺ座標を測定する３つの変位センサと、ワークの２点のＸＹ座標を測定する１つ又は２つの画像センサと、プログラマブルコントローラであって、３点のＺ座標及び２点のＸＹ座標の測定結果に基づいて、ワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面に対するワークの変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算する第１の計算手段と、基準平面に対するワークの変位に基づいて基準平面の位置及び姿勢をワークの位置及び姿勢に整合させたときの基準平面との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算する第２の計算手段と、３つの校正点の変位の計算結果を、ワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正する補正値としてロボットコントローラに出力する手段と、を備えるプログラマブルコントローラと、を備える。ここで、基準平面に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ基準平面に垂直な軸がＺ軸となるようにＸＹＺ直交座標系が定義されている。このような構成によれば、ワークの位置及び姿勢を測定するための基準となる基準ブロックは不要となり、簡易なシステム構成でワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正することが可能となる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明に関わる計測方法は、プログラマブルコントローラが、ＸＹＺ直交座標系により定義される空間内におけるワークの３点のＺ座標の３つの変位センサによる測定結果を入力するステップと、ワークの２点のＸＹ座標の１つ又は２つの画像センサによる測定結果を入力するステップと、３点のＺ座標及び２点のＸＹ座標の測定結果に基づいてワークの基準位置及び基準姿勢を規定する基準平面に対するワークの変位を各座標軸方向の平行移動成分及び各座標軸周りの回転成分からなる６自由度の成分で計算するステップと、基準平面に対するワークの変位に基づいて基準平面の位置及び姿勢をワークの位置及び姿勢に整合させたときの基準平面との相対的な位置関係が予め定められている平面を画定する３つの校正点の変位を計算するステップと、３つの校正点の変位の計算結果を、ワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正する補正値としてロボットコントローラに出力するステップとを実行する。ここで、基準平面に平行な平面がＸＹ平面となり、且つ基準平面に垂直な軸がＺ軸となるようにＸＹＺ直交座標系が定義されている。このような方法によれば、ワークの位置及び姿勢を測定するための基準となる基準ブロックは不要となり、簡易な手法でワークに対するロボットの位置及び姿勢を補正することが可能となる。