(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部座標システムに関連する外部測定ゾーン内で移動できる少なくとも１つの可動部材を備えた形式の可動ゲージングシステムにおいて、
センサ測定ゾーンを形成する視界と関連している非接触センサを有し、該非接触センサは、該センサが外部測定ゾーン内で可動部材と関連して移動できるように可動部材に配置され、
少なくとも３つの非共線かつ非共平面内にあり前記非接触センサで同時に可視可能な構造線を形成する３次元骨組を備えた少なくとも１つのターゲット構造を有し、該少なくとも１つのターゲット構造は、前記外部座標システムに対して前記外部測定ゾーン内の既知の位置を有し、
前記非接触センサは、前記センサ測定ゾーン内の前記少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向を検出すべく、ターゲット構造がセンサの視界内に位置するように可動部材により位置決めされ、
前記外部座標システムに対してゲージングシステムを較正するための、前記非接触センサに接続された座標変換システムを更に有し、該座標変換システムは、前記センサ測定ゾーンと外部座標システムとをリンクさせるための幾何学的変換を遂行しかつ可動部材に関連する位置誤差を補償するゲージング基準座標を発生することを特徴とする可動ゲージングシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのターゲット構造の視界内で非接触センサを位置決めするロボットコントローラ装置を更に有することを特徴とする請求項１記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３】
前記座標変換システムは、前記外部座標システムに対してセンサ測定ゾーンを固定できるターゲット構造の前記構造線から反射される光から中間基準フレームを決定することを特徴とする請求項１記載の可動ゲージングシステム。
【請求項４】
前記非接触センサは構造光源を用いており、前記非接触センサは、所定の平形状の構造光を放射しかつ非接触センサにより放射された反射光を受ける受光器を備えていることを特徴とする請求項１記載の可動ゲージングシステム。
【請求項５】
前記非接触センサに接続される、データを記憶するためのメモリ記憶装置を更に有し、前記少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向を表示する非接触センサからの出力信号はデータとして前記メモリ記憶装置に記憶され、
前記メモリ記憶装置に接続された座標変換システムは、メモリ記憶装置から前記データを検索することにより少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向に対する非接触センサの関係の変化を決定しかつ該変化を計算することを特徴とする請求項１記載の可動ゲージングシステム。
【請求項６】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる可動部材の長さ変化を決定することを特徴とする請求項５記載の可動ゲージングシステム。
【請求項７】
前記座標変換システムは、可動部材の長さ変化を補償することを特徴とする請求項６記載の可動ゲージングシステム。
【請求項８】
前記非接触センサは２次元構造光センサであることを特徴とする請求項１記載の可動ゲージングシステム。
【請求項９】
前記ターゲット構造は四面体であることを特徴とする請求項１記載の可動ゲージングシステム。
【請求項１０】
外部座標システムに関連する外部測定ゾーン内で移動できる少なくとも１つの可動部材を備えたロボットの制御に使用される形式の可動ゲージングシステムにおいて、
センサ測定ゾーンを形成する視界と関連している非接触センサを有し、該非接触センサは、該センサが外部測定ゾーン内で６自由度で可動部材と関連して移動できるように可動部材に配置され、
少なくとも３つの非共線かつ非共平面内にあり前記非接触センサで同時に可視可能な構造線を形成する３次元骨組を備えた少なくとも１つのターゲット構造を有し、該少なくとも１つのターゲット構造は、前記外部座標システムに対して前記外部測定ゾーン内の既知の位置を有し、
前記非接触センサは、前記センサ測定ゾーン内の前記少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向を検出すべく、ターゲット構造がセンサの視界内に位置するように可動部材により位置決めされ、
ロボットの可動部材およびセンサと前記ターゲット構造とを光学的に接触させて、ロボットに対するターゲット構造の座標点を確立するロボットコントローラ装置を有し、ロボットコントローラ装置はまた、ロボットにより、非接触センサをターゲット構造の視界内でターゲット構造の座標点から位置決めさせ、
前記外部座標システムに対してゲージングシステムを較正するための、前記非接触センサに接続された座標変換システムを更に有し、該座標変換システムは、前記センサ測定ゾーンと外部座標システムとをリンクさせるための幾何学的変換を遂行しかつ可動部材に関連する位置誤差を補償するゲージング基準座標を発生することを特徴とする可動ゲージングシステム。
【請求項１１】
前記座標変換システムは、少なくとも１つのターゲット構造の位置および方向を決定しかつ少なくとも１つのターゲット構造と非接触センサとを相関付けて非接触センサの位置および方向を決定することを特徴とする請求項１０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項１２】
前記非接触センサは構造光源を用いており、前記非接触センサは、所定の平形状の構造光を放射しかつ非接触センサにより放射された反射光を受ける受光器を備えていることを特徴とする請求項１０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項１３】
前記非接触センサに接続される、データを記憶するためのメモリ記憶装置を更に有し、前記少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向を表示する非接触センサからの出力信号はデータとして記憶され、
前記メモリ記憶装置に接続された座標変換システムは、メモリ記憶装置から前記データを検索することにより少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向に対する非接触センサの関係の変化を決定しかつ該変化を計算することを特徴とする請求項１０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項１４】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる可動部材の長さ変化を決定することを特徴とする請求項１３記載の可動ゲージングシステム。
【請求項１５】
前記座標変換システムは、可動部材の長さ変化を補償することを特徴とする請求項１４記載の可動ゲージングシステム。
【請求項１６】
前記非接触センサは輪郭センサであることを特徴とする請求項１０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項１７】
前記ターゲット構造は四面体であることを特徴とする請求項１０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項１８】
前記ターゲット構造は少なくとも１つの孔を備えた板を有していることを特徴とする請求項１０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項１９】
少なくとも１つの可動部材を備えた形式の可動ゲージングシステムにおいて、
少なくとも１つの非接触センサを有し、該センサは、センサ基準フレームを形成する第１座標空間内に配置され、
ロボットの可動部材に取り付けられ、少なくとも３つの非共線かつ非共平面内にあり前記非接触センサで同時に可視可能な構造線を形成する３次元骨組を備えた少なくとも１つのターゲット構造を有し、該少なくとも１つのターゲット構造は、ターゲット構造基準フレームを形成する第２座標空間内で可動部材に関連して移動でき、
前記非接触センサは前記少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向を検出し、非接触センサは所定の平形状の構造光を放射しかつ非接触センサにより放射された反射光を受ける受光器を備え、
前記ターゲット構造の構造線から反射された構造光に基いて、少なくとも１つのターゲット構造に対してセンサを較正するための、前記少なくとも１つの非接触センサに接続された座標変換システムを更に有し、該座標変換システムは、前記センサ測定ゾーンと外部座標システムとをリンクさせるための幾何学的変換を遂行しかつ可動部材に関連する位置誤差を補償するゲージング基準座標を発生することを特徴とする可動ゲージングシステム。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの非接触センサの視界内でターゲット構造を位置決めするロボットコントローラ装置を更に有することを特徴とする請求項１９記載の可動ゲージングシステム。
【請求項２１】
前記座標変換システムは、ターゲット構造の位置および方向を決定しかつ次に前記少なくとも１つのターゲット構造を少なくとも１つの非接触センサに相関付けてターゲット構造の位置および方向を決定することを特徴とする請求項１９記載の可動ゲージングシステム。
【請求項２２】
前記非接触センサは構造光源を用いていることを特徴とする請求項１９記載の可動ゲージングシステム。
【請求項２３】
前記非接触センサに接続される、データを記憶するためのメモリ記憶装置を更に有し、前記少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向を表示する非接触センサからの出力信号はデータとして記憶され、
前記メモリ記憶装置に接続された座標変換システムは、メモリ記憶装置から前記データを検索することにより少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向に対する非接触センサの関係の変化を決定しかつ該変化を計算することを特徴とする請求項２０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項２４】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる可動部材の長さ変化を決定することを特徴とする請求項２３記載の可動ゲージングシステム。
【請求項２５】
前記座標変換システムは、可動部材の長さ変化を補償することを特徴とする請求項２４記載の可動ゲージングシステム。
【請求項２６】
前記非接触センサは輪郭センサであることを特徴とする請求項１９記載の可動ゲージングシステム。
【請求項２７】
前記ターゲット構造は四面体であることを特徴とする請求項１９記載の可動ゲージングシステム。
【請求項２８】
外部座標システムと関連する外部測定ゾーン内で移動可能なロボットと関連する少なくとも１つの可動部材と、
ロボットを案内するためのロボットガイダンスシステムと、
該ロボットガイダンスシステムを較正する装置と、
センサ測定ゾーンを形成する視界と関連している非接触センサを有し、該非接触センサは、該センサが外部測定ゾーン内で６自由度で可動部材と関連して移動できるように可動部材に配置され、
少なくとも３つの非共線かつ非共平面内にあり前記非接触センサで同時に可視可能な構造線を形成する３次元骨組を備えた少なくとも１つのターゲット構造を有し、該少なくとも１つのターゲット構造は、前記外部座標システムに対して前記外部測定ゾーン内の既知の位置を有し、
前記非接触センサは、前記センサ測定ゾーン内の前記少なくとも１つのターゲット構造の空間位置および方向を検出すべく、ターゲット構造がセンサの視界内に位置するように可動部材により位置決めされ、
前記外部座標システムに対してゲージングシステムを較正するための、前記非接触センサに接続された座標変換システムを更に有し、該座標変換システムは、前記センサ測定ゾーンと外部座標システムとをリンクさせるための幾何学的変換を遂行しかつ可動部材に関連する位置誤差を補償するゲージング基準座標を発生し、前記座標変換システムは、前記外部座標システムに対してセンサ測定ゾーンを固定できるターゲット構造の前記構造線から反射される光から中間基準フレームを決定することを特徴とする可動ゲージングシステム。
【請求項２９】
前記非接触センサを少なくとも１つのターゲット構造の視界内に位置決めするためのロボットコントローラ装置を更に有することを特徴とする請求項２８記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３０】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる、少なくとも１つの可動部材に関連する継手角度の変化を決定することを特徴とする請求項１記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３１】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる、少なくとも１つの可動部材に関連する継手角度の変化を決定することを特徴とする請求項１０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３２】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる、少なくとも１つの可動部材に関連する継手角度の変化を決定することを特徴とする請求項１９記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３３】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる、少なくとも１つの可動部材に関連する継手角度の変化を決定することを特徴とする請求項２８記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３４】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる、少なくとも１つの可動部材に関連する継手角度の変化を補償することを特徴とする請求項１記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３５】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる、少なくとも１つの可動部材に関連する継手角度の変化を補償することを特徴とする請求項１０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３６】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる、少なくとも１つの可動部材に関連する継手角度の変化を補償することを特徴とする請求項１９記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３７】
前記座標変換システムは、温度変化により生じる、少なくとも１つの可動部材に関連する継手角度の変化を補償することを特徴とする請求項２８記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３８】
前記座標変換システムはセンサ変化を補償することを特徴とする請求項１記載の可動ゲージングシステム。
【請求項３９】
前記座標変換システムはセンサ変化を補償することを特徴とする請求項１０記載の可動ゲージングシステム。
【請求項４０】
前記座標変換システムはセンサ変化を補償することを特徴とする請求項１９記載の可動ゲージングシステム。
【請求項４１】
前記座標変換システムはセンサ変化を補償することを特徴とする請求項２８記載の可動ゲージングシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、広くは、非接触ゲージングシステムに関し、より詳しくは、非接触ゲージングシステムの較正（キャリブレーション）を行う装置および方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
高品質に対する要望は、自動車のような大量生産製品の製造業者が、組立てラインによる製造が最初に考えられたときには思いもよらなかった自動化された製造技術を採用することを強いてきた。今日、従来可能であったよりも非常に高度の品質および精度をもつ製品を組立て、溶接し、仕上げ、ゲージングしかつ試験するのにロボット機器が使用されている。コンピュータ援用製造技術は、設計者が、コンピュータワークステーションで新しい製品をグラフィカルに概念化しかつ設計することを可能にし、自動化された製造プロセスは、この設計が仕様に従って正確に実行されることを確保する。マシンビジョン（機械的観察）は、今日の製造環境の重要な部分である。マシンビジョンシステムにはロボットが使用され、高品質を確保するコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）システムが最低の実際コストで達成される。
【０００３】
高品質の製品を得るには、高精度で厳格に較正されるゲージングシステムが必要とされる。ゲージングシステムは、対象とする製造上の特徴を識別する適当な分解能をもたなければならないだけでなく、対象とする特徴がワークの他の特徴と関連付けられるように、既知の基準フレームに正確に較正されなくてはならない。正確な較正がなされなければ、最も高感度でかつ高分解能をもつシステムであっても高品質の結果を得ることはできない。
【０００４】
ゲージングシステムを適正に較正された状態に維持することは、言うは易しく、行うは難しである。一般的な製造環境では、ゲージングシステムおよびこれらが関連するロボット取付け構造は、ぶつかったり振動を受けて、システムの整合が崩されることがある。また、システム内のセンサは、時々交換する必要があり、殆どの場合に方向修正および再較正を必要とする。
【０００５】
ゲージングシステムの整合および較正を行うに際しての１つの問題は、時間を要することである。ゲージングシステムの再較正を行う必要があると、必ず、所与の部分の全製造組立てラインを停止させかつワークステーションを取除かなくてはならない。このため、或る場合には、独立的に測定された（かつ非常に高価な）フルスケールモデルのワークをワークステーションに配置する必要が生じる。マスタ部品がワークステーションの外部座標システムと入念な整合関係をなすように配置され、次に、ゲージングシステムのセンサがその選定された特徴（例えば孔または縁部）に合わせられる。外部座標システムの既知の位置から、ゲージングシステムが再較正される。この場合には、組立てラインを後戻りさせればよい。
【０００６】
一方、上記較正技術を使用する場合、実施が迅速かつ容易であって、高価なマスタ部品に頼る必要がない較正技術に大きな関心がある。このため、本発明は、数時間ではなくせいぜい数分間以内に、しかも正確に製造されたマスタ部品または経緯儀機器を必要としないで使用できる較正システムを提供する。本発明の主要な長所は、ロボットアームの端部に取り付けられたセンサを備えたシステムの較正を、組立てラインを長時間停止させる必要なく、ラインシフト間でチェックしまたは再整合させることができることである。センサの較正に加え、本発明により熟考された較正技術は、より一般的な場合に、ロボットシステムの座標フレームを調整すなわち真直化することおよび工具中心点（ＴＣＰ）の較正を行うのにも使用できる。
【０００７】
他の態様では、本発明の較正システムは、ロボットシステムのリンク長変化および他の機械的変化を補償するのに必要とされる適当な較正ファクタを決定するのに使用できる。ロボットシステムは、一般に、枢動または関節運動できるように結合された幾つかの可動部材を使用している。互いに連結されたこれらの可動部材すなわちリンクは、ロボットグリッパの座標システムがロボット型の座標フレームに関して較正される幾何学的関係を定める。もちろんこれらの関係は、包含されるリンクの長さに基いて定められる。残念なことに、殆どの材料は、温度変化により長さが変化する。今日の多くのロボットは、大きな熱膨張係数をもつアルミニウムで作られている。かくして、第１温度で較正されたロボットシステムは、作業環境が異なる温度に変化している場合には、較正された状態は維持されない。多くの製造環境において温度変化は極く普通に生じるものであり、従って、リンク長変化および他の機械的変化による較正の喪失は、これまで、動かし難い現実となっている。
【０００８】
【発明の開示】
本発明は、上記複数のターゲット構造を使用して、リンク長問題の迅速かつ便利な解決を行うものである。非接触センサが設けられたロボットは、ターゲット構造が配置されている異なる位置に移動される。ターゲット構造を既知の位置に配置することにより、グリッパにセンサが設けられたロボットは、各ターゲットをその測定フィールド内に見出して、アームの種々の延長状態で較正される。システムは各ターゲットステーションで得られた位置データを分析し、かつ数学的変換を行って現在のリンク長を決定する。この情報は、次に、現在の大気温度についてシステムの較正を行うのに使用される。本発明のシステムは迅速かつ容易に使用できるので、プラントを長時間停止させることなくシステムのチェックおよび再較正を行うのに周期的に使用できる。また、この技術は、温度によるセンサの変化並びにロータリ継手の変化の補償にも使用できる。
【０００９】
簡単にいえば、非接触センサが可動部材に配置され、該センサは所定の平形状をなす構造光を放射する。非接触センサの視界内には、好ましくは四面体形状をなすターゲット構造が配置される。ターゲットは、少なくとも３つの非共線かつ非共平面構造線を形成する３次元骨組を有している。ターゲット構造の空間位置および方向を検出するための非接触センサは、非接触センサにより放射される反射光を受ける受光器も備えている。非接触センサには、ターゲット構造の構造線から反射される構造光に基いて、ターゲット構造に対するセンサの較正を行うための座標変換システムが接続されている。
【００１０】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明は、以下に述べる詳細な説明および添付図面（添付図面は本発明を例示するに過ぎず、本発明を制限するものではない）からより完全に理解されよう。
【００１１】
図１には、自動車組立てラインに一般的に使用されている形式の非接触ゲージングシステムの一例が示されている。図１には、非接触ゲージングシステム１０が、自動車ボディ１４を種々の組立てステーションを通して搬送するコンベアシステム１２を備えた自動車組立てラインに使用されているところが示されている。非接触ゲージングシステム１０は、各構成部品が所定の公差で組み立てられることを確保するため、車両ボディの構成部品にしばしば使用されている。例えば、非接触ゲージングシステム１０は、自動車ボディのドア孔すなわち側方孔を測定して、ドアまたは他のボディ構成部品が孔内に正しく適合することおよび孔が公差内にあることを確保する。
【００１２】
もちろん、非接触ゲージングシステム１０がその割当てられた仕事を正確に遂行するには、ロボットアーム２２上でのセンサ方向は適正に較正されなくてはならない。初期位置では、ロボットアーム２２の方向および幾何学的形状歪みも考慮に入れなくてはならない。
【００１３】
例示の用途は自動車組立てプラントでのものであるが、本発明は自動車製造の用途に限定されるものではない。図４には、自動車の他の構成部品に組付ける前に、或るキーポイントのゲージングを必要とする典型的な自動車のボディ部分が示されている。図４のワーク１００のこのような種々の対象点が、１１０−１〜１１０−Ｎとして示されている。図１の展開図には、便宜のため、自動車ボディの左側１００Ｌおよび右側１００Ｒが示されている。これらの点の一般的な使用またはこれらの点が選択される態様は、例えば、ワーク１００に関してなされる次の組立てプロセスにより定められる。例えば、フードは、未だ自動車の前部のフードキャビティ上に組み付けられていないと仮定する。点１１０−６、１１０−７、１１０―８および１１０−９等のフードキャビティの周囲の測定は、次の自動車ボディへのフード・リッドの組付けを、組み付けられるべき部品間の許容できる嵌合いで遂行できるか否かを決定すべく行われる。
【００１４】
再び図１を参照すると、例えばドア孔の周囲の複数の測定点へと移動できるロボットアーム２２には、単一の非接触センサ２０が取り付けられている。センサは構造光（すなわち、平パターンを照射する光）を投影する。適当な構造光センサに関するこれ以上の詳細は、本件出願人の所有するDewar等の米国特許第４，６４５，３４８号を参照されたい。ドア孔の測定は、図４に示す点１１０−１および１１０−５等の複数の点の測定を必要とする。ロボットアーム２２は、非接触センサ２０が各点の位置を測定できるように、複数の位置に移動できる。通信ケーブル２４は、センサおよびロボットアーム２２の運動システムと、ＣＲＴ（陰極線管）を備えたマシンビジョンコンピュータ３０とを接続している。任意により、一般的なマシンビジョンコンピュータにはプリンタ３４が設けられる。
【００１５】
本発明の装置および方法は、ロボットグリッパ３６上でのセンサ方向の較正、並びに例えば測定すべき自動車ボディ１４に関する所定の外部座標システムすなわち基準フレームに関してまたはゲージングステーション自体に関する外部基準フレームに関して、ロボットアーム２２の位置、方向および幾何学的形状歪みを決定するのに使用できる。
【００１６】
本発明の非接触ゲージングシステム１０を較正するため、複数のターゲット構造４０が設けられている。各ターゲット構造４０は、図２および図３に詳細に示すように、四面体として形成されている。一般に、各ターゲット構造４０は、複数の取付け孔４４が設けられた平らなベース板４２を有している。個々のストラット５０からなる骨組みを形成するため、ほぼＶ型の部材４６およびほぼ真直なストラット部材４８（両部材とも正方形断面を有していない）が互いに連結されかつベース板４２に取り付けられている。各ストラット５０は、内外の各対向縁部５２に沿う真直縁部５２を形成している。
【００１７】
非接触ゲージングシステム１０のゾーン内の種々の位置に複数のターゲット構造４０が設けられている。ターゲット座標システム内の各ターゲット構造４０の位置は、マシンビジョンコンピュータ３０に入力される。１つ以上のターゲット構造４８は、グリッパ上のセンサ方向の決定に使用される。ロボットアーム２２は破線で示す位置に移動され、この位置では、構造光源に対面するストラット５０および真直縁部５２が図５に示すように照射されるように、非接触センサ２０が、ターゲット構造４０を構造光（すなわち、平パターンで投影される光）で照射できる。好ましい実施形態の非接触センサ２０は、作動中に、平構造光パターンを投影する。ターゲット構造４０を照射することにより、図５に示すような特徴的な反射光パターンが得られ、これは非接触センサ２０により検出される。真直縁部５２は非共線かつ非共平面内にあるので、ターゲット構造４０の既知の方向に対する非接触センサ２０の位置および方向（ＸＹＺ位置およびロール、ピッチおよびヨー）が正確に確認され、従って非接触センサ２０のＸＹＺ位置およびロール、ピッチおよびヨーも正確に確認される。
【００１８】
輪郭センサは非接触センサであり、光平面（構造光）を投影しかつ三角測量を用いて、２次元、より詳しくは図５に示すようなＹＺ平面内での測定が行える。
【００１９】
本実施形態の非接触センサ２０は、２次元（２Ｄ）測定のみが可能ないわゆる輪郭センサである。輪郭センサは、三角点で見た光平面の投影を用いて、図５に示すようなＹＺの２次元での測定が可能である。輪郭センサで全光平面に亘るフォーカスを得るため、Schiempflug法を使用する。このようなセンサは、通常、全６自由度を測定できないため、全Ｘ、ＹおよびＺ情報を創出できるターゲットが必要である。３つのコーナを測定するターゲット構造４０と交差する光平面の幾何学的関係は、Ｘ、Ｙ、Ｚ、ロール、ピッチおよびヨーの全６自由度を得るのに充分な情報を創出する。
【００２０】
ターゲット構造４０をユーザ座標フレームにリンクさせるのに、取付け孔４４（または別の位置決め構造５４）を使用できる。これらの基準点の位置は、種々の適当な技術（このような技術の１つとして経緯儀位置決め法がある）を用いて見出すことができる。ユーザ座標フレームは、一般に、ゲージングステーションが配置される基準フレームで構成できる。ベース板上の任意の３つの位置決め構造（５８、５９、６０,６１）が平面を形成し、これにより、全６自由度に対するベース板の位置を確立する。
【００２１】
ターゲット構造のストラット５０はベース板に動かないように固定できるので、ターゲット構造もユーザ座標フレームに対する基準となり得る。センサ２０の座標システムは、ターゲット構造を用いてユーザ座標フレームに対して傾斜させることができる。この点に関して説明すると、構造光平面とストラット５０の縁部５２および表面との交差により形成される反射光の「線」が、中間基準フレーム（該中間基準フレームにより、センサ基準フレームがユーザ座標フレームに対して固定される）を形成する。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態は四面体型ターゲットを使用するが、他の幾何学的形状を使用することもできる。四面体は、その簡単さの点で好ましいものである。しかしながら、一般的には、ターゲット構造は、全６自由度をユニークに形成するのに充分な幾何学的特徴を得ることを単に必要とするに過ぎない。もちろん、全６自由度を必要としない用例では、これらの６自由度の条件を緩和させることにより簡単化できる。
【００２３】
センサを較正するとき、ロボットアームの座標フレームを真直化するとき、または工具中心点（ＴＣＰ）を見出すとき、非接触センサ２０は、ロボットのグリッパに配置されるか、さもなくばロボットアームに取り付けられる。かくして、非接触センサおよび該センサが取り付けられるロボットアームは、センサ基準フレームを形成する。次に、センサは、該センサがターゲット構造４０を捕捉するまで、ロボットアームを操作することにより移動される。ユーザ座標フレームに対する既知の位置に予め固定されているターゲット構造４０は、ユーザ基準フレームの幾何学的情報を含む構造光を反射してセンサに戻す。次に、マシンビジョンコンピュータ３０は、適当な変換を行ってセンサ基準フレームとユーザ基準フレームとをリンクさせる。ひとたびこのリンクが確立されると、これはマシンビジョンコンピュータに記憶され、装置がゲージング用途またはロボット案内に使用されているときにセンサにより収集されたデータの解釈に使用される。
【００２４】
一般に、センサ−グリッパ方向または工具中心点（ＴＣＰ）を見出すのに必要とされるのは１つのみのターゲットである。或る用途では、異なる既知の位置に配置される多数のーゲット構造を使用して完全な較正を行う。一般に、システムの初期較正を行うには、少なくとも３〜５個のターゲット構造が使用される。工具中心点（ＴＣＰ）を見出すには、一般に３つのターゲット構造を使用する。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態は、ターゲット構造をユーザ座標フレームに対して固定位置に位置決めしかつセンサを可動部材（例えばロボットアーム）に対して固定位置に位置決めするものであるが、特許請求の範囲に記載の本発明の精神から逸脱することなく逆に構成することも可能である。かくして、或る用途では、センサをユーザ座標フレームに対して固定し、かつターゲット構造を可動部材に対して固定することもできる。本質的には、ユーザ基準フレームと可動部材基準フレームとの間の関係を決定するのに、同じ幾何学的変形を使用できる。
【００２６】
より高性能な構成では、本発明の較正システムを、例えば大気温度変化等の外因によるリンク長変化、継手角度変化および他の歪みを補償するのに使用できる。この実施形態では、ターゲット構造は、必然的にロボットアームの全ての関連リンクおよび継手の移動を伴う多くの位置に配置される。各ターゲット構造で、位置情報は全６自由度について得るのが好ましい。次に、データは、次のコンピュータ操作を行うためにメモリ記憶装置１４４（図６）に記憶される。他の表現も可能であるが、各ターゲット構造で収集されたデータは、ロボットリンクから得られる対応継手角度と関連して記憶される。
【００２７】
例えば、ターゲット構造４０が照射されると、反射された構造光から得られたデータは継手角度と一緒に記憶され、各継手角度は、座標変換のヤコビアン（Jacobean）理論を用いてＸ、Ｙ、Ｚ値に分解される。ターゲット測定の数を表すのに変数Ｋが使用され、かつ変数Ｎがロボットアームの部材の数を表す場合には、３Ｋ×Ｎのサイズのヤコビアンマトリックスが得られる（３Ｋは、各ターゲット測定についてのＸ、Ｙ、Ｚ値を表す）。一般的なロボットは６つのリンク（Ｎ＝６）を有している。しかしながら、方程式に３つ以上のリンクを付加することにより、システムが温度によるセンサの変化を補償することが可能になる。これは、方程式を解くのに、Ｎ＝６＋３リンクシステムについて少なくとも３つのターゲットを配置すべきことを意味する。また、モデルの６つの継手角度を調節することもでき、これには少なくとも２つの付加測定ターゲットが必要になる。ヤコビアンマトリックスが満たされると、最小二乗計算が遂行され、各ロボットアーム部材の相対位置および方向を表す値を得る。各ターゲット構造４０についての測定個所数が多いほど、最小二乗計算の精度は高くなる。好ましい実施形態では、３Ｋ寸法はＮより大きくなる。測定個所数が多いほどシステムの精度が高くなる（最小二乗計算のより良い解が得られる）ことは真実であるが、数学的モデルの質も、より多くのサンプルにより、並びに残差（residuals）の評価により評価される。Ｘ、ＹおよびＺの変換偏差（translational deviations）のみが必要とされることに留意されたい。ロール、ピッチおよびヨー情報は、一般的には使用されない。継手角度補償の付加により未知数の数が更に６個増大し、６＋３＋６＝１５個の既知数の必要性が生じ、これは、３*５=１５をもたらす少なくとも５つのターゲットを用いて得られる。しかしながら、最小二乗計算の結果を決定する複数の方法があり、本実施形態は、Gravilleアルゴリズムとして知られている擬似逆数アルゴリズム（pseudo-inverse algorithm）を使用する。Gravilleアルゴリズムは、Ｍ×Ｎ実マトリックス（Ｍ=３Ｋ）の擬似逆数を作る。従って、最小二乗計算の結果は、矩形マトリックスまたは単一正方マトリックスから得られる。擬似逆数計算の結果は、最小化Ｎ×３Ｋマトリックス（minimized N×3K matrix）である。
【００２８】
各ターゲット構造４０に対する非接触センサ２０の位置を表示する初期較正中にとられる測定データは、その後の各組の較正と比較され、非接触センサ２０の偏差を決定する。このセンサ偏差データは３Ｋ×１マトリックスに読み出され、各測定データについてのＸ、ＹおよびＺ偏差を表す偏差ベクトルが得られる。次に、この偏差ベクトルに、ヤコビアンマトリックス最小化の結果を掛けることにより幾何学的形状歪みが計算される。ロボット１６およびセンサシステム２０の幾何学的形状歪みに基く必要な補正を行う座標変換システム１４８が設けられている。本発明は熱歪みを補正できるだけでなく、ワークステーションの物理的変位等の変化を表示することもできる。一般に、ターゲットは、要求される測定精度より一層安定したものとすべきである。
【００２９】
上記システムに使用される数学を更に理解するには、「大気温度変化による工業用ロボットのアーム長変化の補償を行う較正システム（Calibration System For Compensation Of Arm Length Variation Of An Industrial Robot Due To Peripheral Temperature Change）」という名称に係る米国特許第５，４００，６３８号を参照されたい。
【００３０】
以上から、本発明はゲージングおよびロボットシステム技術に大きな進歩をもたらすものであることが理解されよう。本発明は、高価なマスタ部品を必要とすることなくかつ照準装置を用いた労働集約的較正を必要とすることなく、外部基準フレームに対する非接触センサ２０およびロボットアーム２２の較正を行うことができる。
【００３１】
本発明は、好ましい実施形態について説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の精神から逸脱することなく、本発明の変更が可能であることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理によるロボットガイダンスシステムの較正に使用する複数の四面体型ターゲットを有する自動組立てラインでのロボット検出ステーションを示す斜視図である。
【図２】  本発明の原理による四面体型ターゲット構造を示す平面図である。
【図３】  本発明の原理による四面体型ターゲット構造を示す側面図である。
【図４】  測定点を明示するため展開された典型的な自動車ボディを示す平面図である。
【図５】  本発明の原理による非接触センサにより照射される四面体型ターゲット構造を示す斜視図である。
【図６】  本発明の原理によるデータフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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