JP2000162307A - 原子炉容器点検ロボットの位置標定用レーザ追尾装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、ロボット１の位置すなわち反射鏡２
とセンサヘッド５の方向角度を正確にかつ短時間でする
ことが出来る装置を提供することを目的とする。 【解決手段】（Ａ）センサヘッド５１へレーザ光を出力
するレーザ光発生装置５０と、（Ｂ）センサヘッド５１
から出射されたレーザ光９を反射するとともに、原子炉
容器点検ロボット１の端部に取付けられた反射鏡２と、
（Ｃ）反射鏡２を目標にして追従動作する前記センサヘ
ッド５１の下に取付けられた垂直軸４および旋回軸３
と、（Ｄ）反射鏡２からのレーザ反射戻り光１０を前記
センサヘッド５１から入力する計測装置６と、（Ｅ）計
測装置６からの信号に基づき、垂直軸４および旋回軸３
の制御を行う制御装置７と、（Ｆ）センサヘッド５１に
より得られた距離データと、垂直軸４と旋回軸３から得
られたそれぞれの角度値から、ロボット１の３次元位置
を求める計算機８とからなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉容器点検ロ
ボットの位置標定用レーザ追尾装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術を図４〜図８に示す。

【０００３】図４は、従来の装置の構成を示す図、図５
は、図４の装置のセンサヘッド内の光学部品の構成を示
す図、図６は、図４の装置の反射鏡の構成を示す図、図
７は、図５のＣＣＤカメラで撮像された画像例を示す
図、図８は、従来の装置により正確にレーザ反射戻り光
を受光素子に入射させる方法の説明図である。

【０００４】図４に示すように、従来の装置では、原子
炉容器の内壁面を点検するために、壁面を移動しながら
検査を行うロボット１と、ロボット１の端部に取付けら
れた反射鏡２と、反射鏡２を目標に追従動作する垂直軸
４と旋回軸３上に取付けられたセンサヘッド５とにより
計測を行い、得られたデータを計測装置６で種々の演算
を行うと共に、垂直軸４と旋回軸３の制御を制御装置７
により行い、計算機８によりセンサヘッド５により得ら
れた距離データと、垂直軸４と旋回軸３から得られたそ
れぞれの角度値から、三角測量法に基づき演算し、ロボ
ット１の３次元位置を求めている。

【０００５】図５は、従来の装置のセンサヘッド５内の
光学部品の構成を示す図で、光ファイバー１３で導かれ
た出射レーザ光９は、投光レンズ１２により任意の平行
ビーム径にされ、ミラー１１を透過して反射鏡２（図４
に図示）に出射される。

【０００６】前記反射鏡２に入射した出射レーザ光９
は、反射鏡２により反射され、レーザ反射戻り光１０と
して再びセンサヘッド５へ戻る。

【０００７】このレーザ反射戻り光１０は、センサヘッ
ド５のミラー１１を透過して集光レンズ１５により集光
され、受光素子１６へ入射され、受光素子１６から計測
装置６へ出力される。

【０００８】一方、センサヘッド５からの出射レーザ光
９を反射鏡２に正確に入射させるために、レーザ反射戻
り光１０をミラー１１で反射させ、出射レーザ光９と同
軸上の反射鏡２をＣＣＤカメラ１４により撮像し、ＣＣ
Ｄカメラ１４から計測装置６へ出力されるように構成さ
れている。

【０００９】図６は、図４の反射鏡２の構成を示す。

【００１０】図６に示すように、反射鏡２は反射鏡ケー
ス２２内に収納され、反射鏡２の中央部にはＣＣＤカメ
ラ１４で撮像する際のターゲットとなる照明２３が取り
つけられている。

【００１１】ここでセンサヘッド５により、正確に出射
レーザ光９を反射鏡２に入射させるための方向角を求め
るための手順は、次のようにする。

【００１２】まず図５のＣＣＤカメラ１４で撮像された
画像例（図７）にについて検討する。 図７（ａ）で
は、撮像画面２４上に反射鏡２が映し出されているが、
撮像画面２４の端部に位置している。それは、反射鏡２
との方向角度がずれた状態にあるためである。

【００１３】そのため、図７（ｂ）に示すように、受光
素子１６でのレーザ光検知可能エリア２５内に反射鏡の
中央部照明２３がくるように、垂直軸４と旋回軸３を駆
動制御し、レーザ光検知可能エリア２５内に撮像される
ようにする。

【００１４】この操作（粗精度追尾）により、概ね、レ
ーザ反射戻り光１０は受光素子１６に入射する位置とな
る。

【００１５】更に正確にレーザ反射戻り光１０を反射鏡
２へ入射（精密追尾）させるために、図８に示すよう
に、受光素子１６の出力をモニタし、旋回軸３を微小に
駆動させると、レーザビームスポットは、スポット軌跡
１８のように水平方向に移動する。

【００１６】また、垂直軸４を微小に駆動させると、レ
ーザビームスポットはスポット軌跡１７のように垂直方
向に、それぞれ受光素子１６の受光検知面１９上を通過
することになる。

【００１７】その時の受光素子１６の出力は、図８
（ｂ）に示すように、受光検知面１９上にレーザビーム
スポットが照射した時に最も出力値が増加し、受光ピー
ク点２１となる。

【００１８】その受光素子１６の出力をモニタしなが
ら、垂直軸４と旋回軸３を駆動し、受光ピーク点２１を
検知し、この位置でそれぞれの駆動軸を停止する。

【００１９】このように精密追尾することにより、セン
サヘッド５と反射鏡２との方向と角度が正確に合ったこ
とになる。

【００２０】このようにして、ロボット１の位置すなわ
ち反射鏡２とセンサヘッド５の方向と角度を正確に求め
たのち、センサヘッド５から出射されるレーザ光により
距離を求めて、方向と角度と距離からロボット１の３次
元位置を標定していた。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術に
は、次のような問題がある。 （１）従来の技術では、ＣＣＤカメラ１４による粗精度
追尾の後、受光素子１６による精密追尾時に、垂直軸４
と旋回軸３をそれぞれ駆動させて求めていた。 （２）そのために、走査に時間を要していた。

【００２２】本発明は、これらの問題を解決することが
できる装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】（第１の手段）本発明に
係る原子炉容器点検ロボットの位置標定用レーザ追尾装
置は、（Ａ）センサヘッド５１へレーザ光を出力するレ
ーザ光発生装置５０と、（Ｂ）前記センサヘッド５１か
ら出射されたレーザ光９を反射するとともに、原子炉容
器点検ロボット１の端部に取付けられた反射鏡２と、
（Ｃ）前記反射鏡２を目標にして追従動作する前記セン
サヘッド５１の下に取付けられた垂直軸４および旋回軸
３と、（Ｄ）前記反射鏡２からのレーザ反射戻り光１０
を前記センサヘッド５１から入力する計測装置６と、
（Ｅ）前記計測装置６からの信号に基づき、前記垂直軸
４および旋回軸３の制御を行う制御装置７と、（Ｆ）前
記センサヘッド５１により得られた距離データと、前記
垂直軸４と旋回軸３から得られたそれぞれの角度値か
ら、前記ロボット１の３次元位置を求める計算機８とか
らなることを特徴とする。 （第２の手段）（Ａ）本発明に係る原子炉容器点検ロボ
ットの位置標定用レーザ追尾装置の第１の手段における
センサヘッド５１は、第１光学系と、第２光学系と、第
３光学系とからなり、（Ｂ）前記第１光学系は、前記レ
ーザ光発生装置５０からのレーザ光をセンサヘッド５１
に導く光ファイバー１３と、前記レーザ光を平行光で出
射するための投光レンズ１２と、前記投光レンズ１２か
らの光を透過させて出射レーザ光９を反射鏡２に導くと
ともに、前記反射鏡２からのレーザ反射戻り光１０の１
部を透過させて第１集光レンズ４５に導く第１ミラー４
１と、前記反射鏡２からのレーザ反射戻り光１０のうち
第１ミラー４１を透過した光を受光素子１６に入射させ
る第１集光レンズ４５と、前記第１集光レンズ４５から
のレーザ反射戻り光１０を受光し、距離を算出するため
の情報を検出して計測装置６に出力する受光素子１６と
から成り、（Ｃ）前記第２光学系は、前記反射鏡２から
のレーザ反射戻り光１０のうち第１ミラー４１により９
０度方向に分岐された光を透過させて第２集光レンズ４
６に導く第２ミラー４２と、第２集光レンズ４６と、前
記第２集光レンズ４６からの光を入射し、計測装置６に
出力する位置検出素子２８から成り、（Ｄ）前記第３光
学系は、前記反射鏡２からのレーザ反射戻り光１０のう
ち前記第１ミラー４１により９０度方向に分岐された光
の１部を、更に９０度方向に分岐する第２ミラー４２
と、 前記第２ミラー４２により９０度方向に分岐され
たレーザ反射戻り光１０を入射し、計測装置６に出力す
るＣＣＤカメラ１４とから成ることを特徴とする。

【００２４】すなわち、本発明装置は、第１光学系のセ
ンサヘッド５１と反射鏡２の方位角を正確に、かつ必要
最小限の構成部品で行うために、第２光学系により、レ
ーザ距離計測に用いるレーザ光を利用して、このレーザ
ビームを９０度偏向し、その方向に位置検出素子２８を
配置する。そのため、レーザビーム位置が正確に測定す
ることが出来る。

【００２５】また第３光学系を用いて、第２光学系のレ
ーザ光を更に９０度偏向させた位置に、粗追尾用のＣＣ
Ｄカメラ１４を配置することにより、ＣＣＤカメラ１４
で出射レーザ光９と同軸上の映像を撮像できるようにし
た。

【００２６】このように配置することにより、センサヘ
ッド寸法を大型化することなく高性能を有するセンサヘ
ッドを構成することが出来る。

【００２７】また位置検出素子２８により、ビーム位置
を直接計測し、フィードバック制御により位置合せを可
能としたことにより、ビームとの位置合せの時間を短縮
することが出来る。

【００２８】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）本発明の第
１の実施の形態を図１〜図３に示す。

【００２９】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る
装置の構成図。

【００３０】図２は、図１の装置のセンサヘッド５１内
の光学部品の配置図、図３は、図２のレーザ反射戻り光
１０の入射位置を計測するセンサの原理の説明図であ
る。

【００３１】図１〜図２に示すように本発明装置は、レ
ーザ光発生装置５０と、センサヘッド５１から出射され
たレーザ光を反射する原子炉容器点検ロボット１の端部
に取付けられた反射鏡２と、センサヘッド５１の下に取
付けられ反射鏡２を目標に追従動作する垂直軸４および
旋回軸３と、センサヘッド５１からのレーザ反射戻り光
１０を入力する計測装置６と、垂直軸４および旋回軸３
の制御を行う制御装置７と、センサヘッド５１により得
られた距離データと、垂直軸４と旋回軸３から得られた
それぞれの角度値から、ロボット１の３次元位置を求め
計算機８とからなる。

【００３２】本発明装置（図１）では、従来装置（図
４）のセンサヘッド５（図５）の代わりに、図２に示す
センサヘッド５１を採用している。

【００３３】次に、図２に基づいて、本発明装置で採用
するセンサヘッド５１につき説明する。

【００３４】センサヘッド５１内の光学部品は、下記の
第１光学系と、第２光学系と、第３光学系とからなり、
図２に示すように配置する。 （第１光学系）第１光学系は、レーザ光発生装置５０に
より発生したレーザ光をセンサヘッド５１に導く光ファ
イバー１３と、このレーザ光を平行光で出射するための
投光レンズ１２と、投光レンズ１２からの光を透過させ
て出射レーザ光９を反射鏡２に導くとともに、反射鏡２
からのレーザ反射戻り光１０の１部を透過させて第１集
光レンズ４５に導く第１ミラー４１と、反射鏡２からの
レーザ反射戻り光１０のうち第１ミラー４１を透過した
光を受光素子１６に入射させる第１集光レンズ４５と、
受光素子１６とから成る。

【００３５】受光素子１６の役割は、ロボット１までの
距離を算出するためにレーザ反射戻り光１０を受光し、
距離を算出するための情報（強度変調された信号）を検
出することにある。

【００３６】受光素子１６の出力は、計測装置６に入力
される。

【００３７】計測装置６は、レーザ反射戻り光１０の強
度変調と成分を検出し計算機８に出力する。

【００３８】計算機８では、出射レーザ光９とレーザ反
射戻り光１０の位相差から距離を算出する。この場合制
御装置７は介在しない。 （第２光学系）第２光学系は、反射鏡２からのレーザ反
射戻り光１０のうち前記第１ミラー４１により９０度方
向に分岐された光の１部を透過させて第２集光レンズ４
６に導く第２ミラー４２と、第２集光レンズ４６と、第
２集光レンズ４６からの光を入射する位置検出素子２８
から成る。

【００３９】位置検出素子２８の出力は計測装置６に入
力され、位置検出素子２８上のビームスポット２９の照
射位置を検出し、計算機８へ入力される。

【００４０】計算機８ではビームスポット２９のずれ量
から垂直軸４と旋回軸３の駆動方向と量を算出し、制御
装置７に出力する。

【００４１】制御装置７では、計算機８からの信号に基
づき各軸を駆動制御する。 （第３光学系）第３光学系は、反射鏡２からのレーザ反
射戻り光１０のうち第１ミラー４１により９０度方向に
分岐された光の１部を更に９０度方向に分岐する第２ミ
ラー４２と、第２ミラー４２により９０度方向に分岐さ
れたレーザ反射戻り光１０を入射するＣＣＤカメラ１４
とから成る。

【００４２】ＣＣＤカメラ１４の出力は計測装置６に入
力され、反射鏡２の中央部照明２３が撮像画面のどの位
置にあるかを計測し、レーザ光検知可能エリア２５内に
撮像されるように垂直軸４と旋回軸３を駆動制御させる
信号を制御装置７に出力する。

【００４３】このとき計算機８は計測装置６により得ら
れた画像位置から各軸を駆動させる方向および移動量な
どを計算する。

【００４４】本発明装置の第１ミラー４１と第２ミラー
４２は次のような特性をもつ。 （Ａ）第１ミラー４１は、 使用するレーザ光の波長に対して、例えば、１／２を
透過し、１／２を反射させる特性を持ち、 かつ、ＣＣＤカメラ１４でレーザ光の出射方向を撮像
するために、可視域の波長は全反射させる特性のフィル
タ性能を有するミラーであり、一般にはダイクロイック
ミラーといわれている。 （Ｂ）第２ミラー４２は、 使用するレーザ光の波長はすべて透過し、 かつ可視域の波長は全反射させる特性のフィルタ性能
を有するミラーである。

【００４５】従って、 レーザ反射戻り光１０の１部は第１ミラー４１を透過
し、 レーザ反射戻り光１０の１部は第１ミラー４１により
９０度方向に分岐されるとともに、 第１ミラー４１により分岐された光の１部は第２ミラ
ー４２を透過して第２集光レンズ４６により位置検出素
子２８へ入射され、 第１ミラー４１により分岐された光の１部は第１ミラ
ー４１により９０度方向に分岐され、ＣＣＤカメラ１４
へ入射されることになる。 （Ｃ）そして、ＣＣＤカメラ１４により、出射レーザ光
９と同じ方位を撮像するために、第２ミラー４２および
第１ミラー４１により撮像方位をそれぞれ９０度偏向さ
れた後、撮像される。

【００４６】したがって、つぎのように作用する。 （１）図２のように光学部品を配置することにより、レ
ーザ反射戻り光１０は、第１ミラー４１により１部のレ
ーザ光は９０度偏向され、このレーザ光は第２ミラー４
２を透過し、位置検出素子２８に入射する。そのため、
この位置検出素子２８により、入射したレーザビーム位
置を直接検出することが出来る。 （２）さらに、第２ミラー４２と第１ミラー４１によ
り、２回９０度視野を偏向させて撮像できる構成とした
ために、ＣＣＤカメラ１４による出射レーザ光９の出射
方向の撮像をも可能になる。 （３）図３に、レーザ光の入射ビーム位置を直接検出す
る位置検出素子２８の代表例を示す。

【００４７】図３（ａ）は、レーザビーム位置を直接検
出する位置検出素子の例を示す。

【００４８】位置検出素子３０上にビームスポット２９
が入射されると、素子上に流れる電流の水平方向電流あ
るいは垂直方向電流値が入射位置により変化し、その電
流比率から位置検出素子３０上でのビームスポット位置
に応じた電流（電圧）、すなわち、Ｘ座標値とＹ座標値
の出力が得られる仕組みとなっている。

【００４９】図３（ｂ）は、フォトセンサが十字型に４
分割されたセンサの例を示す。

【００５０】４分割されたそれぞれのフォトセンサから
受光光量に応じた出力電圧が得られる構造になってい
る。

【００５１】ここで、４分割フォトセンサ３３上にビー
ムスポット２９が入射されると、出力ａ〜ｄの４出力に
それぞれ受光光量に応じた出力が得られる。その出力値
を

【００５２】

【数１】

【００５３】のように演算処理することにより、４分割
フォトセンサ３３上でのＸ座標値とＹ座標値が得られ
る。

【００５４】このような本発明装置の光学構成および配
置により、反射鏡２との方向角の位置合せを行うには、
（１）粗精度追尾には、従来同様にＣＣＤカメラ１４に
より粗精度追尾を行い、（２）精密追尾時には、位置検
出素子２８により得られたＸ座標値とＹ座標値に基づ
き、垂直軸４と旋回軸３を駆動、制御することにより、
容易に位置合せが可能となる。

【００５５】

【発明の効果】本発明は前述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。 （１）粗精度追尾にはＣＣＤカメラ１４により粗精度追
尾を行い、精密追尾時には位置検出素子２８により得ら
れたＸ座標値とＹ座標値に基づき、垂直軸４と旋回軸３
を駆動、制御することにより、容易に位置合せが可能と
なる。

【００５６】そのため、垂直軸４と旋回軸３の無駄な動
作も無くなり、高精度の位置合せを実現することが出来
る。 （２）本発明装置の第１光学系と、第２光学系と、第３
光学系からなるセンサヘッド５１の採用により、センサ
ヘッド寸法を大型化することなく高性能を有するセンサ
ヘッドを構成することが出来る。 （３）位置検出素子２８によりビーム位置を直接計測
し、フィードバック制御により、正確に出射レーザ光９
を反射鏡２に入射させるための方向角を求めるための位
置合せを可能としたことにより、ビームとの位置合せの
時間を短縮することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る装置の構成
図。

【図２】本発明装置のセンサヘッド内の光学部品の配置
図。

【図３】図２のレーザ反射戻り光の入射位置を計測する
センサの原理の説明図。

【図４】従来の装置の構成を示す図。

【図５】図４の装置のセンサヘッド５内の光学部品の成
を示す図。

【図６】図４の装置の反射鏡の構成を示す図。

【図７】図５のＣＣＤカメラで撮像された画像例を示す
図。

【図８】従来の装置により正確にレーザ反射戻り光を受
光素子に入射させる方法の説明図。

【符号の説明】

１ …ロボット ２ …反射鏡 ３ …旋回軸 ４ …垂直軸 ５ …センサヘッド ６ …計測装置 ７ …制御装置 ８ …計算機 ９ …出射レーザ光 １０…レーザ反射戻り光 １１…ミラー １２…投光レンズ １３…光ファイバー １４…ＣＣＤカメラ １５…集光レンズ １６…受光素子 １７…スポット軌跡 １８…スポット軌跡 １９…受光検知面 ２１…受光ピーク点 ２２…反射鏡ケース ２３…反射鏡の中央部照明 ２４…撮像画面 ２５…レーザ光検知可能エリア ２８…位置検出素子 ２９…ビームスポット ３０…位置検出素子 ３１…Ｘ座標出力 ３２…Ｙ座標出力 ３３…４分割フォトセンサ ４１…第１ミラー ４２…第２ミラー ４５…第１集光レンズ ４６…第２集光レンズ ５０…レーザ光発生装置 ５１…センサヘッド ６０…容器点検装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 義勝 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 芝池 国雄 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 BB15 CC11 DD03 FF31 GG04 HH04 JJ03 LL02 LL04 MM15 PP03 5J084 AA02 AA05 AB01 AD01 BA03 BA11 BA32 BA33 BB02 BB21 BB31 CA67 DA01 EA04 EA23

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（Ａ）センサヘッドへレーザ光を出力する
   レーザ光発生装置と、（Ｂ）前記センサヘッドから出射
   されたレーザ光を反射するとともに、原子炉容器点検ロ
   ボットの端部に取付けられた反射鏡と、（Ｃ）前記反射
   鏡を目標にして追従動作する前記センサヘッドの下に取
   付けられた垂直軸および旋回軸と、（Ｄ）前記反射鏡か
   らのレーザ反射戻り光を前記センサヘッドから入力する
   計測装置と、（Ｅ）前記計測装置からの信号に基づき、
   前記垂直軸および旋回軸の制御を行う制御装置と、
   （Ｆ）前記センサヘッドにより得られた距離データと、
   前記垂直軸と旋回軸から得られたそれぞれの角度値か
   ら、前記ロボットの３次元位置を求める計算機とからな
   ることを特徴とする原子炉容器点検ロボットの位置標定
   用レーザ追尾装置。
2. 【請求項２】（Ａ）前記センサヘッドは、第１光学系
   と、第２光学系と、第３光学系とからなり、（Ｂ）前記
   第１光学系は、前記レーザ光発生装置からのレーザ光を
   前記センサヘッドに導く光ファイバーと、前記レーザ光
   を平行光で出射するための投光レンズと、 前記投光レンズからの光を透過させて出射レーザ光を反
   射鏡に導くとともに、前記反射鏡からのレーザ反射戻り
   光の１部を透過させて第１集光レンズに導く第１ミラー
   と、 前記反射鏡からのレーザ反射戻り光のうち第１ミラーを
   透過した光を受光素子に入射させる第１集光レンズと、 前記第１集光レンズからのレーザ反射戻り光を受光し、
   距離を算出するための情報を検出して計測装置に出力す
   る受光素子とから成り、 （Ｃ）前記第２光学系は、前記反射鏡からのレーザ反射
   戻り光のうち前記第１ミラーにより９０度方向に分岐さ
   れた光を透過させて第２集光レンズに導く第２ミラー
   と、 第２集光レンズと、 前記第２集光レンズからの光を入射し、前記計測装置に
   出力する位置検出素子から成り、（Ｄ）前記第３光学系
   は、 前記反射鏡からのレーザ反射戻り光のうち前記第１ミラ
   ーにより９０度方向に分岐された光の１部を、更に９０
   度方向に分岐する第２ミラーと、 前記第２ミラーにより９０度方向に分岐されたレーザ反
   射戻り光を入射し、前記計測装置に出力するＣＣＤカメ
   ラとから成ることを特徴とする請求項１に記載の原子炉
   容器点検ロボットの位置標定用レーザ追尾装置。