(57)【要約】【課題】対象物の一部が他の物体により隠されてしまう状況であっても当該対象物の３次元座標系における位置および姿勢を簡易かつ高精度で推定することができる方法を提供する。【解決手段】実空間のＺ軸に平行な光軸を有する撮像装置４を通じて取得されたワークＷの各指標領域Ａiのサイズφiに応じて、各指標点ＰiのＺ座標値が推定される。各指標点ＰiのＺ座標値Ｚiに基づき、対をなす指標点ＰiおよびＰjを通る指標直線Ｑijの第１実空間姿勢θ1(i,j)が推定される。照射装置２を用いて複数の指標点Ｐiのうち第１指標点Ｐi1に対して光線２０が照射されることで、当該第１指標点Ｐi1を含む第１指標領域Ａi1が形成かつ定義される。撮像装置４の撮像範囲において、ワークＷの一部が他の物体により隠されている状況であっても、第１指標点Ｐi1に対して当該他の物体を回避するようにまたは間隙を縫うように当該ワークＷの第１指標点Ｐi1に照射されることで、第１指標領域Ａi1が簡易かつ確実に形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ座標系により定義される実空間における位置および姿勢が固定され、Ｚ軸に対して平行な光軸を有する撮像装置を通じて対象物の撮像画像を取得し、対象物において定義されている複数の指標領域のそれぞれの前記撮像画像におけるサイズを測定する第１サイズ測定処理と、
前記第１サイズ測定処理における測定結果に基づき、前記複数の指標領域のそれぞれに含まれている複数の指標点のそれぞれのＺ座標値を推定する縦実空間位置推定処理と、
前記複数の指標点のそれぞれのＸ座標値およびＹ座標値のうち少なくとも一方と、前記複数の指標点のそれぞれのＺ座標値の推定結果とに基づき、前記複数の指標点のうち対をなす指標点を通る指標直線の実空間における姿勢を第１実空間姿勢として推定する第１実空間姿勢推定処理と、
前記第１実空間姿勢の推定結果に基づいて前記対象物の実空間姿勢を推定する実空間姿勢推定処理と、を含み、
前記第１サイズ測定処理において、前記実空間における位置および姿勢が固定されている照射装置を用いて、前記複数の指標点のうち第１指標点に対して光線を照射することで、前記複数の指標領域のうち少なくとも１つの指標領域として第１指標領域を形成することを特徴とする位置姿勢推定方法。
【請求項２】
請求項１記載の位置姿勢推定方法において、
前記撮像画像における前記指標直線の延在方向について、前記複数の指標領域のうち少なくとも１つの指標領域のサイズを測定する第２サイズ測定処理と、
前記第２サイズ測定処理における測定結果に基づき、前記少なくとも１つの指標領域の実空間姿勢を第２実空間姿勢として推定する第２実空間姿勢推定処理と、をさらに含み、
前記実空間姿勢推定処理において、前記第１実空間姿勢の推定結果および前記第２実空間姿勢の推定結果を総合することにより、前記対象物の実空間姿勢を推定することを特徴とする位置姿勢推定方法。
【請求項３】
請求項１記載の位置姿勢推定方法において、
前記実空間姿勢推定処理において、異なる対のそれぞれをなす指標点を通り、かつ、同一のまたは相互に平行な複数の前記指標直線のそれぞれの前記第１実空間姿勢の推定結果を総合することにより、前記対象物の実空間姿勢を推定することを特徴とする位置姿勢推定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の位置姿勢推定方法において、
前記実空間において直交する２つの指定方向が定義されるように、前記複数の指標点が設定されていることを特徴とする位置姿勢推定方法。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の位置姿勢推定方法において、
前記複数の指標点のうち対象物座標系に固定されている第２指標点の前記撮像画像における位置に基づき、前記第２指標点のＸ座標値およびＹ座標値を推定する横実空間位置推定処理をさらに含むことを特徴とする位置姿勢測定方法。
【請求項６】
請求項５記載の位置姿勢推定方法において、
前記対象物において前記撮像装置を通じて認識可能な輪郭により画定される第２指標領域に含まれる点が、前記第２指標点として定義されていることを特徴とする位置姿勢推定方法。
【請求項７】
請求項１記載の位置姿勢推定方法において、
前記複数の指標点のうち少なくとも１つの指標点のＺ座標値を変化させながら、前記対象物の撮像画像における前記少なくとも１つの指標領域のサイズの変化を測定することにより、前記少なくとも１つの指標点のＺ座標値と前記撮像画像における前記少なくとも１つの指標領域のサイズとの相関関係を第１相関関係として定義する第１準備処理をさらに含み、
前記縦実空間位置推定処理において、前記第１相関関係にしたがって前記複数の指標点のそれぞれのＺ座標値を推定することを特徴とする位置姿勢推定方法。
【請求項８】
請求項２記載の位置姿勢推定方法において、
前記少なくとも１つの指標領域の実空間姿勢を変化させながら、前記撮像画像における前記少なくとも１つの指標領域の、前記指標直線の延在方向についてのサイズの変化を測定することにより、前記少なくとも１つの指標領域の実空間姿勢と前記撮像画像における前記指標直線の延在方向についてのサイズとの相関関係を第２相関関係として定義する第２準備処理をさらに含み、
前記第２実空間姿勢推定処理において、前記第２相関関係にしたがって前記第２実空間姿勢を推定することを特徴とする位置姿勢推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークなどの対象物の３次元空間における位置および姿勢を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラに測距センサを組み合わせて物体の位置を測定する方法が提案されている。カメラの光軸に対して垂直な基準面において、当該カメラによる物体上における既知の３点のそれぞれの位置の検出結果が、測距センサによる当該３点のそれぞれの測距結果に基づいて視差補正され、当該３点の３次元位置、ひいては当該物体の３次元位置を測定する方法が提案されている（特許文献１参照）。平面上の３個のマークのそれぞれのカメラによるＸ−Ｙ位置の測定結果および測距センサによるＺ位置の測定結果に基づき、当該平面の位置および姿勢を推定する方法が提案されている（特許文献２参照）。
【０００３】
しかし、測距センサの採用により測定系のコストが高くなるため、これを回避するために測距センサを用いずに撮像装置を用いて物体の３次元位置を測定する方法も提案されている。幾何学的関係が既知の４以上の複数のマークが存在する平面がカメラで撮像され、当該複数のマークの当該平面における位置および２次元画像座標系における位置に基づき、当該複数のマークの３次元位置を推定する方法が提案されている（特許文献３参照）。カメラにより撮像された２次元画像において対象物体の３つの特徴点が抽出され、当該抽出結果と、予め測定されている当該３つの特徴点間の距離とに基づき、当該対象物体の３次元位置を測定する方法が提案されている（特許文献４参照）。格子状に２次元配列された複数のマークがカメラにより撮像されて得られた複数のマークの２次元位置に基づき、所定の関係式にしたがって当該複数のマークの３次元位置を推定する方法が提案されている（特許文献５参照）。相互間距離が予め計測されている４つの目印が付されている対象物の、カメラにより撮像された画像における２次元位置に加えて、当該相互間距離に基づき、当該４つの目印の３次元位置を推定する方法が提案されている（特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−９２７１２号公報
【特許文献２】特開平９−３０４０１３号公報
【特許文献３】特開昭６２−１７５６０３号公報
【特許文献４】特許第２５３４５１７号公報
【特許文献５】特開平６−２５９５３６号公報
【特許文献６】特許第４６０２７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、部品同士の組み付け状態を確認するため、撮像装置を用いて一の部品が撮像された際にそこに付されたマークが他の部品または部品群によって少なくとも部分的に隠されてしまい、当該確認作業が困難になる場合がある。
【０００６】
そこで、本発明は、対象物の一部が他の物体により隠されてしまう状況であっても当該対象物の３次元座標系における位置および姿勢を簡易かつ高精度で推定することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の位置姿勢推定方法は、ＸＹＺ座標系により定義される実空間における位置および姿勢が固定され、Ｚ軸に対して平行な光軸を有する撮像装置を通じて対象物の撮像画像を取得し、対象物において定義されている複数の指標領域のそれぞれの前記撮像画像におけるサイズを測定する第１サイズ測定処理と、前記第１サイズ測定処理における測定結果に基づき、前記複数の指標領域のそれぞれに含まれている複数の指標点のそれぞれのＺ座標値を推定する縦実空間位置推定処理と、前記複数の指標点のそれぞれのＸ座標値およびＹ座標値のうち少なくとも一方と、前記複数の指標点のそれぞれのＺ座標値の推定結果とに基づき、前記複数の指標点のうち対をなす指標点を通る指標直線の実空間における姿勢を第１実空間姿勢として推定する第１実空間姿勢推定処理と、前記第１実空間姿勢の推定結果に基づいて前記対象物の実空間姿勢を推定する実空間姿勢推定処理と、を含み、前記第１サイズ測定処理において、前記実空間における位置および姿勢が固定されている照射装置を用いて、前記複数の指標点のうち第１指標点に対して光線を照射することで、前記複数の指標領域のうち少なくとも１つの指標領域として第１指標領域を形成することを特徴とする。
【０００８】
本発明の位置姿勢推定方法によれば、実空間のＺ軸に平行な光軸を有する撮像装置を通じて取得された対象物の各指標領域のサイズに応じて、各指標点のＺ座標値が推定される。これは、指標点が撮像装置（またはその撮像素子）に近くなるほどその測定サイズが大きくなり、指標点が撮像装置から遠くなるほどその測定サイズが小さくなるという定性的関係に依拠している。各指標点のＺ座標値に基づき、対をなす指標点を通る指標直線の第１実空間姿勢（方向ベクトルに応じて定まる。）が推定される。照射装置を用いて複数の指標点のうち第１指標点に対して光線が照射されることで、当該第１指標点を含む第１指標領域が形成かつ定義される。
【０００９】
撮像装置の撮像範囲において、対象物の一部が他の物体により隠されている状況であっても、第１指標点に対して当該他の物体を回避するようにまたは間隙を縫うように当該対象物の第１指標点に照射されることで、第１指標領域が形成される。同一の指標直線上にある複数の指標点のそれぞれを含む複数の指標領域を撮像画像に容易に含ませることができる。よって、このような状況であっても、対象物の少なくともＺ座標値により定義される実空間位置および少なくとも指標直線の第１実空間姿勢により定義される対象物の実空間姿勢を簡易かつ高精度で推定することができる。
【００１０】
本発明の位置姿勢推定方法において、前記撮像画像における前記指標直線の延在方向について、前記複数の指標領域のうち少なくとも１つの指標領域のサイズを測定する第２サイズ測定処理と、前記第２サイズ測定処理における測定結果に基づき、前記少なくとも１つの指標領域の実空間姿勢を第２実空間姿勢として推定する第２実空間姿勢推定処理と、をさらに含み、前記実空間姿勢推定処理において、前記第１実空間姿勢の推定結果および前記第２実空間姿勢の推定結果を総合することにより、前記対象物の実空間姿勢を推定することが好ましい。
【００１１】
当該位置姿勢推定方法によれば、撮像画像における少なくとも１つの指標領域の、指標直線の延在方向についてのサイズに応じて、当該指標領域の第２実空間姿勢（指標領域の垂線ベクトルに応じて定まる。）が推定される。第１実空間姿勢の推定結果および第２実空間姿勢の推定結果が統合されることで、対象物の実空間姿勢の推定精度の向上が図られる。
【００１２】
本発明の位置姿勢推定方法において、前記実空間姿勢推定処理において、異なる対のそれぞれをなす指標点を通り、かつ、同一のまたは相互に平行な複数の前記指標直線のそれぞれの前記第１実空間姿勢の推定結果を総合することにより、前記対象物の実空間姿勢を推定することが好ましい。
【００１３】
当該位置姿勢推定方法によれば、異なる対をなす指標点を通る複数の指標直線のそれぞれの実空間姿勢、ひいては対象物の実空間姿勢の推定精度の向上が図られる。
【００１４】
本発明の位置姿勢推定方法において、前記実空間において直交する２つの指定方向が定義されるように、前記複数の指標点が設定されていることが好ましい。
【００１５】
当該位置姿勢推定方法によれば、実空間において直交する２つの指標直線のそれぞれの、第１実空間姿勢（または第１実空間姿勢の複数の推定結果の統合結果、または第１実空間姿勢および第２実空間姿勢の統合結果）により定義される対象物の実空間姿勢が推定される。
【００１６】
本発明の位置姿勢推定方法において、前記複数の指標点のうち対象物座標系に固定されている第２指標点の前記撮像画像における位置に基づき、前記第２指標点のＸ座標値およびＹ座標値を推定する横実空間位置推定処理をさらに含むことが好ましい。
【００１７】
当該位置姿勢測定方法によれば、対象物座標系において固定されている第２指標点の撮像画像における位置に応じて当該指標点のＸ座標値およびＹ座標値が推定される。これにより、第２指標点のＺ座標値の推定結果に加えて、Ｘ座標値およびＹ座標値の推定結果により定義される対象物の実空間位置が高精度で推定される。
【００１８】
本発明の位置姿勢推定方法において、前記対象物において前記撮像装置を通じて認識可能な輪郭により画定される第２指標領域に含まれる点が、前記第２指標点として定義されていることが好ましい。
【００１９】
当該位置姿勢推定方法によれば、撮像画像における第２指標点の位置の測定精度の向上が図られることにより、対象物の実空間位置および実空間姿勢の推定精度の向上が図られる。
【００２０】
本発明の位置姿勢推定方法において、前記複数の指標点のうち少なくとも１つの指標点のＺ座標値を変化させながら、前記対象物の撮像画像における前記少なくとも１つの指標領域のサイズの変化を測定することにより、前記少なくとも１つの指標点のＺ座標値と前記撮像画像における前記少なくとも１つの指標領域のサイズとの相関関係を第１相関関係として定義する第１準備処理をさらに含み、前記縦実空間位置推定処理において、前記第１相関関係にしたがって前記複数の指標点のそれぞれのＺ座標値を推定することが好ましい。
【００２１】
当該位置姿勢推定方法によれば、事前に定義された第１相関関係にしたがって各指標点のＺ座標値が推定されるので、対象物の実空間位置および実空間姿勢の推定精度の向上が図られる。
【００２２】
本発明の位置姿勢推定方法において、前記少なくとも１つの指標領域の実空間姿勢を変化させながら、前記撮像画像における前記少なくとも１つの指標領域の、前記指標直線の延在方向についてのサイズの変化を測定することにより、前記少なくとも１つの指標領域の実空間姿勢と前記撮像画像における前記指標直線の延在方向についてのサイズとの相関関係を第２相関関係として定義する第２準備処理をさらに含み、前記第２実空間姿勢推定処理において、前記第２相関関係にしたがって前記第２実空間姿勢を推定することが好ましい。
【００２３】
当該位置姿勢推定方法によれば、事前に定義された第２相関関係にしたがって第２実空間姿勢が推定されるので、対象物の実空間位置および実空間姿勢の推定精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態としての位置姿勢推定方法に関する説明図。
【図２Ａ】基準状態における対象物の撮像画像および光線の照射および撮像態様（第１実施形態）に関する説明図。
【図２Ｂ】任意状態における対象物の撮像画像および光線の照射および撮像態様（第１実施形態）に関する説明図。
【図３Ａ】第１相関関係に関する説明図。
【図３Ｂ】第１相関関係に関する説明図。
【図３Ｃ】第１相関関係に関する説明図。
【図４Ａ】第２相関関係に関する説明図。
【図４Ｂ】第２相関関係に関する説明図。
【図４Ｃ】第２相関関係に関する説明図。
【図５Ａ】基準状態における対象物の撮像画像および光線の照射および撮像態様（第２実施形態）に関する説明図。
【図５Ｂ】任意状態における対象物の撮像画像および光線の照射および撮像態様（第２実施形態）に関する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態としての位置姿勢推定方法においては、実空間座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における対象物座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の位置および姿勢がワークＷ（対象物）の実空間位置および実空間姿勢として推定される（図２Ａ下側、図２Ｂ下側、図５Ａ下側および図５Ｂ下側参照）。当該推定に際して、照射装置２および撮像装置４が用いられ、ワークＷの実空間における位置および姿勢が推定される。照射装置２はその光線２０（レーザービーム）の光軸がＺ軸に平行になるように、実空間における位置および姿勢が基台１により保持されている。撮像装置４はその光軸がＺ軸に平行になるように、実空間における位置および姿勢が基台１により保持されている。
【００２６】
ワークＷは、例えば、実空間における位置および姿勢が一定に維持されるように配置されている他のワークに対して組み付けられる部品であり、ワークＷのそれぞれが当該他のワークのそれぞれに対して組み付けられた際に、その実空間位置および姿勢のそれぞれの、目標位置および目標姿勢のそれぞれに対する偏差を評価するために実行される。
【００２７】
照射装置２の実空間位置および実空間姿勢が一定に維持されることにより、複数の指標点Ｐi（ｉ＝０，１，２，‥Ｎ）のうち、第１指標点のＸ座標値ＸiおよびＹ座標値Ｙiはあらかじめ定められている。第２指標点は、対象物座標系における位置が固定されている。第１実施形態では、対をなす指標点ＰiおよびＰjを通る複数の指標直線は相互に非平行である。例えば、図２Ａ上側および図２Ｂ上側に示されているように、指標点Ｐ0およびＰ1を通る第１指標直線（ここではｘ軸に一致している。）および指標点Ｐ0およびＰ2を通る第２指標直線（ここではｙ軸に一致している。）は、指標点Ｐ0において直交する。
【００２８】
ワークＷの複数の指標点Ｐiのうち第１指標点Ｐi１に対して、照射装置２を用いて光線２０が照射される（図１／ＳＴＥＰ０２）。これにより、例えば図２Ａ上側および図２Ｂ上側に示されている第１指標点Ｐ1およびＰ2（ｉ1＝１，２）のそれぞれに対して同時にまたは異なる時刻に光線が照射される。その結果、略円形の照射領域がワークＷの表面に第１指標領域Ａ1およびＡ2として形成かつ定義される。光線２０の照射領域の形状は略円形状のほか、略楕円形上などの他の形状であってもよく、略円環状などの環状であってもよい。照射領域の形状が環状である場合、当該環を輪郭とする領域が第１指標領域Ａi1として定義されてもよい。
【００２９】
撮像装置４により取得された撮像画像において識別可能な、ワークＷの外観または構造由来の領域が第２指定領域Ａi2として定義され、第２指定領域Ａi2の中心点またはその境界線上の点など、そこに含まれている点が第２指定点Ｐi2として定義されている。第２指定点Ｐi2は、その性質上、対象物座標系においてその位置が固定されている。図２Ａおよび図２Ｂに示されている例では、ワークＷに形成されている開口部の周縁により定義される第２指標領域Ａ0（ｉ2＝０）中心点が第２指標点Ｐ0として定義されている。第１実施形態では、対をなす第１指標点Ｐi１および第２指標点Ｐi2を通るように指標直線Ｑi１i2が定義されている。なお、複数の指標点Ｐiに複数の第２指標点Ｐi2が含まれていてもよい。複数の指標点Ｐiの全てが第１指標点Ｐi１として定義され、全ての指標点Ｐiに対して光線２０が照射されてもよい。
【００３０】
続いて、撮像装置４を通じてワークＷの撮像画像が取得される（図１／ＳＴＥＰ０４）。これにより、例えば、図２Ａ上側および図２Ｂ上側のそれぞれに示されているように、指標領域Ａ0〜Ａ2（Ａ0’〜Ａ2’）が含まれているワークＷの撮像画像が取得される。
【００３１】
撮像画像に基づき「第１サイズ測定処理」が実行され、画像座標系における指標領域Ａiのサイズφi（または径）が測定される（図１／ＳＴＥＰ１０）。なお、第１サイズ測定処理として、後述する第２サイズ測定処理（図１／ＳＴＥＰ２０参照）と同様に、撮像画像における指標直線の延在方向について指標領域Ａiのサイズφiが測定されてもよい。
【００３２】
さらに「縦実空間位置推定処理」が実行され、画像座標系（ｕ，ｖ）における指標領域Ａiのサイズφiの測定結果に基づき、指標点ＰiのＺ座標値Ｚi（Ｚ座標値）が推定される（図１／ＳＴＥＰ１２）。例えば、図３Ａ〜図３Ｃに概念的に示されているように、撮像装置４（またはその撮像素子）と指標点Ｐiとの間隔Ｄiが小さいほど撮像画像における指標領域Ａiのサイズφiが大きくなる（撮像装置４と指標点Ｐiとの間隔Ｄが大きいほど撮像画像における指標領域Ａiのサイズφiが小さくなる）というように、当該間隔Ｄiおよび当該サイズφiの間には相関関係（第１相関関係）が存在する。よって、画像座標系（ｕ，ｖ）における指標領域Ａiのサイズφiに基づき、当該第１相関関係にしたがって、間隔Ｄiに相当する指標点ＰiのＺ座標値Ｚiが推定されうる。
【００３３】
撮像画像に基づき「横実空間位置推定処理」が実行され、画像座標系（ｕ，ｖ）における第２指標点Ｐi2の位置（ｕi2，ｖi2）に基づき、実空間における当該第２指標点Ｐi2のＸ座標値Ｘi2およびＹ座標値Ｙi2が測定される（図１／ＳＴＥＰ１４）。これにより、例えば、第２指標点Ｐ0（ｉ2＝０）の画像座標系における位置（ｕ0，ｖ0）に基づき、Ｘ座標値Ｘ0およびＹ座標値Ｙ0が測定される（図２Ａ上側および図２Ｂ上側参照）。
【００３４】
第２指標点Ｐi2に関する縦実空間位置推定処理の結果（図１／ＳＴＥＰ１２参照）および横実空間位置推定処理の結果（図１／ＳＴＥＰ１４参照）に基づき、「実空間位置推定処理」が実行されることで、当該第２指標点Ｐi2の実空間位置（Ｘi2，Ｙi2，Ｚi2）がワークＷの実空間位置として推定される（図１／ＳＴＥＰ１６参照）。これにより、例えばワークＷの代表点である第２指標点Ｐ0（ｉ2＝０）の実空間位置（Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0）が推定される（図２Ａおよび図２Ｂ参照）。
【００３５】
縦実空間位置推定処理の結果（図１／ＳＴＥＰ１２参照）に基づき、「第１実空間姿勢推定処理」が実行される（図１／ＳＴＥＰ１８）。具体的には、各指標点ＰiのＸ座標値ＸiおよびＹ座標値Ｙi（第１指定点については既知の値であり、第２指定点については推定値である。）ならびにＺ座標値Ｚiの推定結果とに基づき、複数の指標点Ｐiのうち対をなす指標点ＰiおよびＰjを通る指標直線Ｑijの実空間姿勢が第１実空間姿勢として推定される。例えば、指標直線Ｑijの方向ベクトル（ａi1，ｂi1，ｃi1）に基づき、実空間のＸ軸に対する指標直線Ｑijの角度θ1X(i,j)＝ａｒｃｔａｎ（ｃi1／ａi1）および実空間のＹ軸に対する指標直線Ｑijの角度θ1Y(i,j)＝ａｒｃｔａｎ（ｃi1／ｂi1）のそれぞれが、第１実空間姿勢θ1(i,j)として推定される。
【００３６】
対象物座標系のｘｙ平面の実空間のＸＹ平面に対する姿勢が基準姿勢（例えば平行）である基準状態における指標点ＰiのＺ座標値Ｚi（０）に対する、対象物座標系のｘｙ平面の実空間のＸＹ平面に対する姿勢が不明である任意の状態における指標点ＰiのＺ座標値Ｚi（ｋ）の偏差ΔＺi（ｋ）に基づき、関係式（０１）にしたがって第１実空間姿勢θ1(i,j)が推定されてもよい。対象物座標系のｘｙ平面の実空間のＸＹ平面に対する姿勢が基準姿勢に調節された上で、指標点ＰiのＺ座標値Ｚi（０）が予め測定されていてもよい。
【００３７】
θ1(i,j)＝ａｒｃｔａｎ｛（ΔＺj（ｋ）−ΔＺi（ｋ））／Ｌij｝‥（０１）。
【００３８】
例えば、図２Ａ下側に示されている状態では、ｘ軸がＸ軸に対して平行であり、かつ、ｙ軸がＹ軸に対して平行である。この状態では、対象物座標系のｘｙ平面が、実空間のＸＹ平面に対して平行であり、ＸＹ平面に対する第１指標直線（ｘ軸線）の第１実空間姿勢θ1(0,1)および第２指標直線（ｙ軸線）の第１実空間姿勢θ1(0,2)がともに０であると推定される。
【００３９】
これに対して、図２Ｂ下側に示されている状態では、対象物座標系のｘｙ平面が、実空間のＸＹ平面に対して傾斜している。この状態では、指標点ＰiのＺ座標値Ｚi（ｋ）（縦実空間位置推定処理の結果）に基づき、関係式（０１）にしたがって、第１指標直線の第１実空間姿勢θ1(0,1)および第２指標直線の第１実空間姿勢θ1(0,2)が推定される。
【００４０】
撮像画像に基づき「第２サイズ測定処理」が実行され、画像座標系における指標直線の延在方向について、複数の指標領域Ａiのうち少なくとも１つの指標領域のサイズが測定される（図１／ＳＴＥＰ２０）。これにより、例えば、第１指標直線Ｑ01（対象物座標系のｘ軸に相当する。）および第２指標直線Ｑ02（対象物座標系のｙ軸に相当する。）のそれぞれの延在方向について、撮像画像における第２指標領域Ａ2のサイズφ01およびφ02が測定される（図２Ａ上側および図２Ｂ上側参照）。
【００４１】
続いて、第２サイズ測定処理における測定結果に基づき「第２実空間姿勢推定処理」が実行され、少なくとも１つの指標領域Ａiの実空間姿勢が第２実空間姿勢として推定される（図１／ＳＴＥＰ２２）。指標領域Ａiの垂線ベクトル（ａi2，ｂi2，ｃi2）に基づき、実空間のＸ軸に対する指標直線Ｑijの角度θ2X(i,j)＝ａｒｃｔａｎ（ｃi2／ａi2）および実空間のＹ軸に対する指標直線Ｑijの角度θ2Y(i,j)＝ａｒｃｔａｎ（ｃi2／ｂi2）のそれぞれが、第２実空間姿勢θ2(i,j)として推定される。
【００４２】
例えば、図４Ａ〜図４Ｃ上側に示されているように、実空間のＸＹ平面に対する指標直線Ｑ01（この例では対象物座標系のｘ軸に相当する。）の傾斜角度ξが大きくなるほど、図４Ａ〜図４Ｃ下側に示されているように、画像座標系における指標領域Ａiの当該指標直線の延在方向（この例ではｘ方向）についてのサイズφ01（ξ）が小さくなるというように、当該傾斜角度ξおよび当該サイズφij（ξ）の間には相関関係（第２相関関係）が存在する。よって、画像座標系（ｕ，ｖ）における指標領域Ａiの指標直線Ｑi jの延在方向についてのサイズφijに基づき、当該第２相関関係にしたがって、第２実空間姿勢θ2(i,j)が推定されうる。
【００４３】
対象物座標系のｘｙ平面の実空間のＸＹ平面に対する姿勢が基準姿勢（例えば平行）である基準状態における指標領域Ａiのサイズφij（ξ（０））に対する、対象物座標系のｘｙ平面の実空間のＸＹ平面に対する姿勢が不明である任意の状態における指標領域Ａiのサイズφij（ξ（ｋ））の偏差Δφij（ｋ）に基づき、関係式（０２）にしたがって第２実空間姿勢θ2(i,j)が推定される。対象物座標系のｘｙ平面の実空間のＸＹ平面に対する姿勢が基準姿勢に調節された上で、指標領域Ａiのサイズφij（ξ（０））が予め測定されていてもよい。
【００４４】
θ2(i,j)＝ａｒｃｃｏｓ｛Δφij（ｋ）／φij（ｋ）｝‥（０２）。
【００４５】
第１実空間姿勢推定処理の結果（図１／ＳＴＥＰ１８参照）および第２実空間姿勢推定処理の結果（図１／ＳＴＥＰ２２参照）に基づき、「実空間姿勢推定処理」が実行される（図１／ＳＴＥＰ２４）。具体的には、前記のように推定された第１実空間姿勢θ1(i,j)および第２実空間姿勢θ2(i,j)に基づき、関係式（０４）にしたがってワークＷの実空間姿勢θ(i,j)が推定される。
【００４６】
θ(i,j)＝αθ1(i,j)＋（１−α）θ2(i,j)  （０＜α＜１）‥（０４）。
【００４７】
重み係数αは、例えば「０．５」に設定されるが、第１実空間姿勢θ1(i,j)および第２実空間姿勢θ2(I,j)のそれぞれの推定精度の高低差に応じて、適宜変更されてもよい。例えば、撮像画像における光線由来の第１指標領域の認識精度が、ワークＷの構造または外観由来の第２指標領域の認識精度よりも高い場合、αが０．５より大きい値に設定されてもよい。
【００４８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態としての位置姿勢推定方法においては、第２サイズ測定処理（図１／ＳＴＥＰ２０参照）および第２実空間姿勢推定処理（図１／ＳＴＥＰ２２参照）が省略されている点で第１実施形態と相違する。
【００４９】
第２実施形態では、複数の指標直線ＱijおよびＱi’j’は相互に平行に配置され、または、同一の直線である。例えば、図５Ａ上側および図５Ｂ上側に示されているように、指標点Ｐ0およびＰ1を通る第１指標直線Ｑ01（ｉ＝０，ｊ＝１）および指標点Ｐ0およびＰ3を通る第３指標直線Ｑ03（ｉ’＝０，ｊ’＝１）は、同一の直線（対象物座標系のｘ軸に相当する。）である。同様に、指標点Ｐ0およびＰ2を通る第２指標直線Ｑ02（ｉ＝０，ｊ＝２）および指標点Ｐ0およびＰ4を通る第４指標直線Ｑ04（ｉ’＝０，ｊ’＝４）は、同一の直線（対象物座標系のｙ軸に相当する。）である。第１指標点として定義されている４つの指標点Ｐ1〜Ｐ4のそれぞれに対して光線が照射されて第１指標領域Ａ1〜Ａ4が形成かつ定義される（図１／ＳＴＥＰ０２参照）。
【００５０】
第１サイズ測定処理、縦実空間位置推定処理および第１実空間姿勢推定処理（図１／ＳＴＥＰ１０→ＳＴＥＰ１２→ＳＴＥＰ１８参照）を経て、相互に平行である（または同一の直線である）複数の指標直線Ｑi1j1〜ＱiMjM（Ｍ＝２，３，‥）のそれぞれのＸＹ平面に対する角度が第１実空間姿勢θ1(i1,j1)〜θ1(iM,jM)として推定される。そして、複数の第１実空間姿勢θ1(i1,j1)〜θ1(iM,jM)に基づき、関係式（０６）にしたがって「実空間姿勢推定処理」が実行される（図１／ＳＴＥＰ２４参照）。
【００５１】
θ＝Σm=1-Mβmθ1(im,jm))  （０＜βm＜１、Σβm＝１）‥（０６）。
【００５２】
例えば、図５Ａ下側に示されている基準状態では、ＸＹ平面に対する第１〜第４指標直線のそれぞれの第１実空間姿勢θ1(0,1)〜θ1(0,4)が０であると推定される（図２Ａ下側参照）。これに対して、図５Ｂ下側に示されている任意の状態では、対象物座標系のｘ軸線の実空間のＸＹ平面に対する角度θxが（θ1(0,1)＋θ1(0,3)）／２（β01＝１／２、β03＝１／２）であると推定され、対象物座標系のｙ軸線の実空間のＸＹ平面に対する角度θyが（θ1(0,２)＋θ1(0,４)）／２（β02＝１／２、β04＝１／２）であると推定される。
【００５３】
（本発明の作用効果）
本発明の位置姿勢推定方法によれば、実空間のＺ軸に平行な光軸を有する撮像装置４を通じて取得されたワークＷの各指標領域Ａiのサイズφiに応じて、各指標点ＰiのＺ座標値が推定される（図１／ＳＴＥＰ０４→ＳＴＥＰ１０→ＳＴＥＰ１２、図２Ａ、図２Ｂ参照）。これは、指標点Ｐiが撮像装置４（またはその撮像素子）に近くなるほどその測定サイズが大きくなり、指標点Ｐiが撮像装置４から遠くなるほどその測定サイズが小さくなるという定性的関係に依拠している（図３Ａ〜図３Ｃ参照）。各指標点ＰiのＺ座標値Ｚiに基づき、対をなす指標点ＰiおよびＰjを通る指標直線Ｑijの第１実空間姿勢θ1(i,j)（方向ベクトルに応じて定まる。）が推定される（図１／ＳＴＥＰ１８→ＳＴＥＰ２４、関係式（０４）参照）。照射装置２を用いて複数の指標点Ｐiのうち第１指標点Ｐi1に対して光線２０が照射されることで、当該第１指標点Ｐi1を含む第１指標領域Ａi1が形成かつ定義される（図１／ＳＴＥＰ０２、図２Ａ上側、図２Ｂ上側、図５Ａ上側および図５Ｂ上側参照）。
【００５４】
撮像装置４の撮像範囲において、ワークＷの一部が他の物体により隠されている状況であっても、第１指標点Ｐi1に対して当該他の物体を回避するようにまたは間隙を縫うように当該ワークＷの第１指標点Ｐi1に照射されることで、第１指標領域Ａi1が形成される。同一の指標直線上にある複数の指標点Ｐiのそれぞれを含む複数の指標領域Ａiを撮像画像に容易に含ませることができる。よって、このような状況であっても、ワークＷの少なくともＺ座標値Ｚiにより定義される実空間位置および少なくとも指標直線Ｑijの第１実空間姿勢θ1(i,j)により定義されるワークＷの実空間姿勢を簡易かつ高精度で推定することができる。
【００５５】
第１実施形態によれば、撮像画像における少なくとも１つの指標領域Ｐiの、指標直線Ｑijの延在方向についてのサイズφijに応じて、当該指標領域Ｐiの第２実空間姿勢θ2(i,j)（指標領域Ｐiの垂線ベクトルに応じて定まる。）が推定される（図１／ＳＴＥＰ２０→ＳＴＥＰ２２、関係式（０２）参照）。第１実空間姿勢θ1(i,j)の推定結果および第２実空間姿勢θ2(i,j)の推定結果が統合されることで、ワークＷの実空間姿勢θ(i,j)の推定精度の向上が図られる（図１／ＳＴＥＰ２４、関係式（０４）参照）。
【００５６】
第２実施形態によれば、実空間姿勢推定処理（図１／ＳＴＥＰ２４参照）において、異なる対のそれぞれをなす指標点を通り、かつ、同一のまたは相互に平行な複数の指標直線Ｑi1j1〜ＱiMjMのそれぞれの第１実空間姿勢θ1(im,jm)の推定結果を総合することにより、ワークＷの実空間姿勢θ(i,j)が推定される（関係式（０６）参照）。これにより、単一の指標直線の第１実空間姿勢θ1(im,jm)のみに基づいてワークＷの実空間姿勢θ (i,j)が推定されるよりも、当該推定精度の向上が図られる。
【００５７】
（他の実施形態）
前記実施形態において、横実空間位置推定処理（図１／ＳＴＥＰ１４参照）が省略されてもよい。この場合、少なくとも１つの指標点ＰiのＺ座標値Ｚiの推定結果またはその統合結果がワークＷの実空間位置の推定結果とされる。
【００５８】
第２実施形態と同様に複数の指標点Ｐiが定義され、第１の対をなす第２指標点Ｐ1およびＰ3を通る指標直線Ｑ13（対象物座標系のｘ軸に相当する。）および第２の対をなす第２指標点Ｐ2およびＰ4を通る指標直線Ｑ24（対象物座標系のｙ軸に相当する。）のそれぞれのＸ軸およびＹ軸に対する角度が第１実空間姿勢θ1(1,3)およびθ1(2,4)として推定された上で、本発明の第１実施形態と同様の手順にしたがってワークＷの姿勢が推定されてもよい。
【００５９】
前記実施形態において「第１準備処理」が予め実行されていてもよい。具体的には、複数の指標点Ｐiのうち少なくとも１つの指標点ＰkのＺ座標値Ｚkを変化させながら、ワークＷの撮像画像における少なくとも１つの指標領域Ａkのサイズφkの変化を測定することにより、当該Ｚ座標値Ｚkと当該サイズφkとの相関関係を第１相関関係として定義する。これにより、縦実空間位置推定処理（図１／ＳＴＥＰ１２）において、第１相関関係にしたがって各指標点ＰiのＺ座標値Ｚiが推定される。
【００６０】
前記実施形態において「第２準備処理」が予め実行されていてもよい。具体的には、少なくとも１つの指標領域Ｐiの実空間姿勢θ(i,j)を変化させながら、撮像画像における当該指標領域Ｐiの、指標直線Ｑijの延在方向についてのサイズφijの変化を測定することにより、当該実空間姿勢θ(i,j)と撮像画像における指標直線Ｑijの延在方向についてのサイズφijとの相関関係を第２相関関係として定義する。これにより、第２実空間姿勢推定処理（図１／ＳＴＥＰ２２参照）において、第２相関関係にしたがって第２実空間姿勢θ2(i,j)が推定される。
【符号の説明】
【００６１】
１‥基台、２‥照射装置、４‥撮像装置、２０‥光線、Ａi‥指標領域、Ｐi‥指標点、Ｗ‥ワーク（対象物）。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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