米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）制造技术研究部层压加工系统研究小组、研究小组组长松本光隆和首席研究员栗田恒夫正在开发一种新的测量装置，用于测量制造现场工件等的位置和方向。3DS 标记我开发了一个系统。该系统能够以比传统系统更高的精度测量位置和方向，位置精度为3 µm，方向精度为002°。易于导入工厂，且成本低、简单且坚固。
该系统使用具有已知三维步长的任意形状的标记，并通过用相机拍摄顶面边缘和照明产生的阴影来测量标记的位置和方向。增强现实使用的传统技术AR 标记主要是黑白方块，当相机和标记直接面对时，垂直方向的精度会降低。另一方面，即使当直接面对时，该标记也可以以与标记的平面方向相同的精度测量垂直方向上的距离。另外，由于利用阴影来测量位置和方向，因此测量受标记材料的表面粗糙度、颜色等影响较小。
使用此标记系统，您可以传输工件、夹具、工具、末端执行器可以轻松快速地进行设置。该系统有助于实现可变型、可变批量生产系统中工件运输和定位过程的自动化（见下图）。
此结果的详细信息将于 2022 年 6 月 17 日公布CIRP 制造科学与技术杂志
使用 3DS 标记系统的图像
制造工厂等，生产大量各类产品进行中，成品和其他零件存在于不同地点，例如堆料场、运输设备、托盘和制造设备。为了推动工厂自动化以应对可变批量生产并节省劳动力，需要一一掌握这些零件的位置和朝向以及工艺进度，并根据订单状态和设备运行状态进行高速运输。
目前，自动运输机器人通过读取贴在零件和托盘上的 AR 标记来识别零件的位置。此外，还有机器人本身使用工厂内参考位置放置的标记来识别位置的例子，从而实现高度灵活的运输。
同时，零件是在制造现场制造的采摘机床上的高精度排名，有一个用于固定部件或改变部件的方向并再次固定它们的设置过程。该工序是直接影响零件质量的重要工序，因此主要由熟练的技术人员来执行。如果设置过程和运输过程能够实现自动化，从而不依赖于目视检查或直觉，这可能成为下一代工厂的基本技术，能够高效、稳定地进行多品种、多批量的生产。
然而，由于医疗、汽车和飞机行业的关键部件的加工精度要求为001毫米或更小，因此在设置过程中需要相同或更高的精度。传统AR标记的定位精度约为1毫米，因此需要比传统技术高10至100倍的精度。此外，还希望该装置具有低成本、简单、坚固等特点，可以轻松引入工厂，因此需要开发前所未有的位置和方向测量技术和装置。
标记型 AR 使用具有特定图案的标记来空间识别真实物体和现实世界本身，精确定位呈现位置，并在设备屏幕上显示附加信息。利用仅使用相机和标记即可显示信息的优势，它被积极应用于媒体、广告、营销等领域。AIST一直在研究和开发可应用于制造业零件加工和装配的高精度位置和方向测量标记。
将 AR 标记应用于制造业时面临各种挑战。位置和姿态测量需要高精度，才能应用于机床、医疗设备、汽车和飞机核心部件等制造设备的零件加工技术。此外，在制造现场，标记可能会因与加工废物或加工液体接触而受到污染，因此标记需要具有抵抗力。另外，在清除污染物、与工具接触等过程中，标记可能会被破坏。为了避免这些问题，可以想象直接在测量目标上绘制和加工标记，而不是粘贴传统上使用的纸或树脂标记。在这种情况下，测量条件将根据测量对象的材料、颜色和表面形状而变化。为了解决上述问题，我们研究了一种采用新测量原理的 AR 标记系统。
用于工业应用的传统 AR 标记的问题之一是，当标记面向相机时，位置精度会降低，尤其是在垂直于标记平面的方向上，从而无法测量准确的位置和方向。为了提高使用相机图像在平行于标记平面的方向上的位置检测的精度，期望在整个相机视场中拍摄标记。然而，此时相机和标记物直接面对，传统的AR标记测量原理无法解决垂直位置确定精度降低的问题。
AIST 提出了一种测量原理，通过使用相机拍摄顶面边缘以及使用三维形状照明产生的阴影来检测标记的位置和方向。
图1显示了新标记系统的测量原理。当相对于相机的位置固定的照明倾斜地入射到标记的顶表面时，顶表面的边缘作为阴影被投影到底表面上。底面上的阴影长度随着照明位置在 Z 方向上的变化而变化。通过精确测量阴影的长度，即使相机和标记直接面对面，也可以以与 XY 方向相同的精度测量 Z 方向的距离。此外，即使标记倾斜，Z方向上的距离和标记倾斜也可以与相机和照明的相对位置、标记的高度以及阴影的长度分开。因此，不仅可以克服传统 AR 标记在面向相机时的姿势精度方面的问题，而且还可以克服随之而来的位置精度下降的问题。此外，阴影测量对标记材料的表面粗糙度、颜色等不太敏感。此标记称为使用阴影的 3 维形状 (3DS) 标记，因为它是利用照明和标记创建的阴影的三维形状标记。
图1 3DS标记系统测量原理
图 2 显示了原型 3DS 标记系统。该系统由用于标记摄影的3DS标记传感器（图2左）和待拍摄的3DS标记（图2右）组成。 3DS 标记传感器由 CMOS 相机和镜头以及周围的照明组成。相机拍摄的是投射在 3DS 标记上的阴影的位置和形状，该位置和形状根据照明位置而变化。图 2 右侧的图像是安装在左下角的灯打开时拍摄的。通过使用单波长 LED 进行照明，可以减少衍射的影响，从而可以拍摄阴影边界较少模糊的照片。铝制长方体孔，长宽各 10 毫米，深度 8 毫米放电加工我创建了一个 3DS 标记。孔的纵横边的长度、深度以及加工方式均可自由设定。
图 3 显示了标记图像在 X（左/右）方向和 Z（深度）方向移动时的变化。在 X 方向上移动会改变标记和阴影的位置和形状，而在 Z 方向上，除此之外，标记的外观尺寸也会发生变化。从这些图像中提取特征点并计算标记的 X、Y、Z 位置和方向 (横滚、俯仰、偏航) 在一次测量中同时导出六个轴。图4显示了3DS标记沿六轴之一的Z方向移动时的测量值与使用市售激光位移计作为通用传感器的长度测量结果之间的关系。这些显示出几乎相同的值。表 1 显示了使用 3DS 标记进行位置和方向测量的重复性。重复性的确定是通过将 3DS 标记在 X 和 Z 方向上的位置以 05 mm 的间隔改变 5 mm，总共进行测量 110 次，并取每个位置和方向的测量值的标准偏差。 3DS标记的位置精度约为3μm，方向精度约为002°
图 2 原型 3DS 标记系统
图 3 由于移动而导致的标记图像变化
图4 3DS标记在Z方向移动时的测量值与通用传感器的测量值之间的关系
表 1 3DS 标记重复性
3DS 标记传感器旨在安装在机床和机器人等设备中。预先在设备的坐标系上校准 3DS 标记传感器的位置和方向。然后，通过使用 3DS 标记系统进行测量，可以确定工件相对于设备坐标系的位置和方向。此外，如果将3DS标记传感器安装在多个设备中并进行校准，并且在系统之间共享测量结果，则即使在不同设备之间也可以共享工件的位置和方向。
13882_13982互联工厂''，我们将演示如何使用3DS标记在机床之间自由运输工件并自动安装工件（设置自动化）。此外，在涉及物流和制造的设施中，需要通过廉价的系统来运行高精度的自动运输，因此我们将为这些设施中使用的自动运输设备、机器人等提供3DS标记。
表 2 显示了 3DS 标记与现有标记之间的功能比较。 3DS标记精度高，工作范围窄。传统标记精度低，操作范围宽。通过将两者结合使用，可以实现高精度的位置和方向测量，同时确保较宽的操作范围。
表2 3DS标记与传统AR标记的比较
已出版的杂志：CIRP 制造科学与技术杂志
论文标题：开发基于视觉的高精度位置和方向测量系统，以促进机床中工件安装的自动化
作者：栗田恒夫、笠岛长吉和松本光孝