JP2001343210A

JP2001343210A - 物体位置検出方法及びその装置

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Publication number: JP2001343210A
Application number: JP2000161334A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nishikawa; 雅弘西川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】座標軸アームが無く、小型化が可能で、任意
形状の構造物表面で物体の位置を確実に検出できる物体
位置検出方法及びその装置を提供する。【解決手段】本発明に係る物体位置検出方法は、二つ
のレーザ光源１４、１６を回転自在に設けた基準体１０
を基準点として座標軸ｘ、ｙを設定し、この座標軸上で
の座標Ｘ、Ｙを検出すべき物体４に光センサ８を取り付
け、レーザビームを発射しながら前記二つのレーザ光源
１４、１６を回転させて物体上の光センサ８でレーザビ
ームを検出し、座標軸位置から検出するまで時間ｔによ
り物体位置の偏角θを導出し、二つのレーザビームによ
る光センサ上の二つの検出点間隔Ｌから物体位置の動径
ｒを導出して物体の位置座標Ｘ、Ｙを検出することを特
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、例えば非破壊検査
に於いて構造物の表面上を走査される超音波発信源など
の物体の位置を検出する方法及び装置に関し、更に詳細
には、座標軸に相当するアームを有さず、構造が簡単で
しかも物体の位置を正確に検出できる物体位置検出方法
及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は従来の物体位置検出装置の概略
構成図である。この装置において、物体４は超音波信号
源であり、この超音波信号源により構造物の全表面を走
査して、構造物内の傷を反射波により検出するよう構成
されている。平面を隙間無く走査するために、Ｘ軸アー
ム３０とＹ軸アーム３２を座標軸としてＸＹ座標平面を
構成し、走査する物体４の位置を制御する。

【０００３】Ｘ軸アーム３０上には矢印ｘ方向に移動自
在な移動アーム３４が設けられ、物体４は移動アーム３
４上を矢印ｙ方向に移動自在に設けられている。従っ
て、物体４を位置Ｐ（Ｘ、Ｙ）に移動させるには、まず
移動アーム３４をＸ軸アーム３０に対し距離Ｘだけ水平
移動させた後、次に物体４を移動アーム３４に対し距離
Ｙだけ垂直移動させる。

【０００４】実際にはコンピュータで座標管理を行い、
物体の位置座標（Ｘ、Ｙ）を指定して、物体を構造物表
面上に隙間無く走査させれば、構造物内部の全領域にお
ける欠陥を検出することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来装置で
は、物体を所定位置に設定するのに、座標軸としてのＸ
軸アームとＹ軸アームを設け、この座標軸により前記所
定位置の座標を決め、この座標位置に物体を移動させて
いた。また、任意位置にある物体の位置を検出する場合
でも、座標軸としてのＸ軸アームとＹ軸アームを必要と
し、この座標軸を基準にＸ座標とＹ座標を測定して物体
の位置座標（Ｘ、Ｙ）を検出していた。

【０００６】ＸＹプロッターを想起すれば分かるよう
に、構造物の広い表面上で座標平面を仮想設定するため
に、座標軸となるＸ軸アームとＹ軸アームはかなり大き
なものになり、これらのアームは物体位置検出装置を必
要以上に大きくする主要原因であった。従って、このよ
うに大きな物体位置検出装置を運搬することも不便であ
り、また異常チェックすべき構造物の外形も千差万別で
あるから、種々の形状に対し有効な物体位置検出装置を
用意することも不可能である。

【０００７】従って、本発明の目的は、Ｘ軸アームやＹ
軸アームなどの座標軸アームを不要にして小型化を可能
とし、また任意形状の構造物表面に対して物体の位置を
検出することができる物体位置検出方法及びその装置を
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、レー
ザ光源を回転自在に設けた基準体を基準点として座標軸
を設定し、この座標軸上での座標を検出すべき物体に光
センサを取り付け、レーザビームを発射しながら前記レ
ーザ光源を回転させて物体上の光センサでレーザビーム
を検出し、この検出により物体の位置の偏角と動径を導
出して物体の位置座標を検出することを特徴とする物体
位置検出方法である。

【０００９】請求項２の発明は、二つのレーザ光源を回
転自在に設けた基準体を座標原点として座標軸を設定
し、この座標軸上での座標を検出すべき物体に光センサ
を取り付け、レーザビームを発射しながら前記二つのレ
ーザ光源を回転させて物体上の光センサでレーザビーム
を検出し、座標軸位置から検出するまで時間により物体
位置の偏角を導出し、二つのレーザビームによる光セン
サ上の二つの検出点間隔から物体位置の動径を導出して
物体の位置座標を検出することを特徴とする物体位置検
出方法である。

【００１０】請求項３の発明は、座標軸を設定し且つ原
点となる基準体と、この基準体に回転自在に設けられた
発光用ポールと、発光用ポールに配置された第１レーザ
光源及び第２レーザ光源と、前記座標軸上での座標を検
出すべき物体と、この物体に固定された受光用ポール
と、この受光用ポールの表面に配置された光センサとか
ら構成されることを特徴とする物体位置検出装置であ
る。

【００１１】請求項４の発明は、レーザ光源を回転自在
に設けた二つの基準体を所定間隔だけ離間配置して基準
線と座標軸を設定し、この座標軸上での座標を検出すべ
き物体に光センサを取り付け、レーザビームを発射しな
がら前記二つのレーザ光源を回転させて物体上の光セン
サでレーザビームを検出し、これにより基準体と物体を
結ぶ二つの線分の前記基準線からの偏角を導出し、これ
らの二つの偏角と前記基準体間隔から物体の位置座標を
検出することを特徴とする物体位置検出方法である。

【００１２】請求項５の発明は、座標軸を設定する二つ
の基準体と、これらの基準体に回転自在に設けられた発
光用ポールと、発光用ポールに配置されたレーザ光源
と、前記座標軸上での座標を検出すべき物体と、この物
体に固定された受光用ポールと、この受光用ポールの表
面に配置された光センサとから構成されることを特徴と
する物体位置検出装置である。

【００１３】請求項６の発明は、請求項１、２又は４記
載の方法で仮想平面座標上での物体の位置座標を検出
し、この平面座標から物体が実際に配置されている曲面
座標を導出して、任意の曲面座標における物体の位置座
標を検出することを特徴とする物体位置検出方法であ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明者は、座標軸の役割を奏す
るアームを排除した新規な物体位置検出方法及び装置を
鋭意研究した結果、原点となる基準体に回転自在なレー
ザ光源を配置し、物体上に光センサを設けて、レーザビ
ームを検出することにより物体位置の偏角と動径を導出
して、物体の位置座標を検出できることを発見するに到
った。

【００１５】しかも、本発明が対象とする物体には、例
えば、構造体の表面上を移動する物体であれば何であっ
てもよく、例えば非破壊検査される構造体上の信号源、
床上を移動するロボット、模擬海水面を移動する実験用
ミニ船舶、無摩擦面上を運動する実験用滑走子など種々
のものがある。以下に、本発明に係る物体位置検出方法
及びその装置の実施形態を超音波信号源を例にとって図
面に従って詳細に説明する。

【００１６】図１は本発明に係る物体位置検出装置の第
１実施形態の概略斜視図である。平面２は構造体（図示
せず）の表面であり、この平面２上に超音波信号源であ
る物体４を載置し、表面から超音波を構造体内へ入射
し、その反射波を分析して構造体内の傷を非破壊的に検
査する。従って、この物体４は平面２の全域を走査さ
れ、構造体の内部全域に対して非破壊検査が行われる。

【００１７】物体４の上には受光用ポール６が垂直に立
設され、このポール４の表面には軸方向に沿って光リニ
アセンサ８が長尺状に形成されている。この光リニアセ
ンサ８は表面のどの位置にレーザビームを受光してもそ
の受光点を精度良く検出することができる。

【００１８】平面２の点Ｏには座標原点となる基準体１
０が配置され、仮想的にｘ軸とｙ軸が図のように設定さ
れ、座標平面を形成する。この基準体１０の上には発光
用ポール１２が垂直に立設され、発光用ポール１２は軸
心の周りに回転自在に設けられている。発光用ポール１
２の上部には水平に固定された第１レーザ光源１４と斜
め下方向けに固定された第２レーザ光源１６が配設され
ている。

【００１９】点Ｏを原点（０，０）とし、直交するｘ軸
とｙ軸の座標軸の中で点Ｐにある物体の位置座標（Ｘ，
Ｙ）を検出するには、図示するように、動径ｒと偏角θ
を決定すればよい。

【００２０】図２は図１の平面図である。この平面図か
ら分かるように、第１レーザ光源１４と第２レーザ光源
１６は平面配置において捻れ角度δだけずらして発光用
ポール１２に固定されている。今、第１レーザ光源１４
と第２レーザ光源１６からレーザビームを照射しなが
ら、発光用ポール１２を角速度ωで反時計方向に回転さ
せる。

【００２１】図２に示されるように、第１レーザ光源１
４がｘ軸と一致した時点を時刻ゼロとし、更に回転を続
けて時刻ｔのときに第１レーザ光源１４からのレーザビ
ームが受光用ポール６の光リニアセンサ８に検出された
とする。この状態は図３に示されている。従って、物体
４の偏角θはθ＝ωｔとして導出される。

【００２２】図４は図３の発光用ポール１２と受光用ポ
ール６を結ぶ面を正面とした正面図である。図３から更
に時間が経過して、第２レーザ光源１６からのレーザビ
ームを光リニアセンサ８が検出したとする。第１レーザ
光源１４と第２レーザ光源１６からのレーザビームの受
光点をそれぞれＰ₁、Ｐ₂とし、両レーザビームを受光し
た時点で点Ｐ₁、Ｐ₂の受光点間隔Ｌが求められる。ま
た、第１レーザ光源１４と第２レーザ光源１６の正面配
置における斜交角はαに設定されているとする。

【００２３】動径ｒ、斜交角α及び垂直距離Ｌの間に
は、ｒ・tan(α)＝Ｌが成立する。従って、動径ｒはｒ
＝Ｌ／tan(α)で与えられ、斜交角αが小さいときに
は、ｒ＝Ｌ／αとしてもよい。つまり、受光点間隔から
動径ｒが決定される。このようにして偏角θと動径ｒが
決定されれば、物体の位置座標（Ｘ、Ｙ）は、Ｘ＝ｒ・
cos(θ)、Ｙ＝ｒ・sin(θ)として導出される。

【００２４】このようにして、物体４が座標平面上のど
の位置にあっても、レーザビームの受光によって、物体
の位置座標は常にリアルタイムで検出できる。また、座
標をコンピュータ処理すれば、ディスプレー上に座標平
面と物体位置とが表示され、物体により構造体の全表面
を走査して、非破壊検査の完全化を期することができ
る。

【００２５】この実施形態の光リニアセンサ８は、２以
上のレーザビームを同時受光した場合に、２以上の受光
点を識別できないため、第１レーザ光源１４と第２レー
ザ光源１６の捻れ角δを有限値として設定し、受光時点
を強制的にずらせた。しかし、光リニアセンサ８が複数
レーザビームの同時受光点を識別できる場合には、捻れ
角δをゼロとしてもよい。δ＝０の場合には、偏角θと
動径ｒを同時に検出できる。

【００２６】図５は第１実施形態の変形例１を示す正面
図である。動径ｒは両ポール６、１２間の水平距離であ
り、この動径に対し第１レーザ光源１４は斜交角α₁だ
け上方を向き、第２レーザ光源１６は斜交角α₂だけ下
方を向いている。点Ｐ₁、Ｐ₂の受光点間隔をＬとする
と、動径ｒはｒ＝Ｌ／(tan(α₁)+tan(α₂))で与えられ
る。偏角θは第１実施形態と同様にθ＝ωｔで求められ
る。

【００２７】図６は第１実施形態の変形例２を示す正面
図である。動径ｒは両ポール６、１２間の水平距離であ
り、この動径に対し第１レーザ光源１４は斜交角α₁だ
け下方を向き、第２レーザ光源１６は斜交角α₂だけ下
方を向いて配置されている。両レーザビームによる受光
点Ｐ₁、Ｐ₂の間隔をＬとすると、動径ｒはｒ＝Ｌ／（ta
n(α₂)-tan(α₁)）で与えられる。偏角θは第１実施形
態と同様にθ＝ωｔで求められる。

【００２８】図７は本発明に係る物体位置検出装置の第
２実施形態の概略斜視図である。平面２上には二つの基
準体１０、２０が距離Ｒだけ離間して配置され、仮に基
準体１０を原点とし、両基準体を結ぶ方向をｘ軸とす
る。即ち、基準体１０の座標をＡ（０，０）、基準体２
０の座標をＢ（０，Ｒ）とし、この線分ＡＢを基準線と
呼ぶ。

【００２９】基準体１０上にはレーザ光源１４を固定し
た回転自在な発光用ポール１２が立設され、基準体２０
上にはレーザ光源２４を固定した回転自在な発光用ポー
ル２２が立設されている。物体４上には光リニアセンサ
８を表面に設けた受光用ポール６が立設されている。物
体４の位置座標をＰ（Ｘ，Ｙ）とし、動径ＡＰをｒ₁、
動径ＢＰをｒ₂で表し、偏角ＰＡＢをθ₁、偏角ＰＢＡを
θ₂とする。

【００３０】図８は図７の平面図である。発光用ポール
１２を角速度ω₁で反時計方向に回転させ、発光用ポー
ル２２を角速度ω₂で時計方向に回転させる。レーザ光
源１４、２４が基準線上の矢印ａ、ｂに各々一致した時
刻をゼロとし、それから時間ｔ₁後にレーザ光源１４の
レーザビームが光リニアセンサ８に受光され、時間ｔ₂
後にレーザ光源２４のレーザビームが光リニアセンサ８
に受光されたとする。これより、偏角θ₁、θ₂は各々θ
₁＝ω₁ｔ₁、θ₂＝ω₂ｔ₂で与えられる。

【００３１】他方、動径ｒ₁、ｒ₂に関しては、ｒ₁sin
(θ₁)＝ｒ₂sin(θ₂)、ｒ₁cos(θ₁)+ｒ ₂cos(θ₂)＝Ｒが
成立する。これらから、ｒ₁＝Ｒsin(θ₂)／sin(θ₁+
θ₂)およびｒ₂＝Ｒsin(θ₁)／sin(θ₁+θ₂)が導出され
る。即ち、偏角θ₁、θ₂から動径ｒ₁、ｒ₂も求めること
ができる。従って、物体の位置座標（Ｘ、Ｙ）は、Ｘ＝
ｒ₁・cos(θ₁)、Ｙ＝ｒ₂・sin(θ₂)として決定される。

【００３２】図９は物体４が基準線上に位置した配置図
である。この場合には、θ₁＝０、θ₂＝０となり、上式
により動径ｒ₁、ｒ₂が不定となるため、位置座標（Ｘ，
Ｙ）を決定することができない。また、基準線上であっ
ても基準体間の外にある場合も不定となる。つまり、θ
₁＝π、θ₂＝０の場合、θ₁＝０、θ₂＝πの場合にも同
様である。

【００３３】図１０はトンネル壁面において前記第１実
施形態を適用して位置決定する場合の簡略断面図であ
る。トンネル４０内においてコンクリート片が落下する
ことがあるため、トンネル曲面４２内の傷を検出するた
めに、基準体１０を頂点Oに固定配置し、超音波信号源
からなる物体４をトンネル曲面４２上に対し走査させ
る。

【００３４】トンネル曲面４２に張られた曲面座標にお
いて、頂点Ｏの座標を（０，０）とし、物体４の位置座
標Ｑを（Ｓ，Ｔ）としたとき、この点Ｑの曲面位置座標
（Ｓ，Ｔ）を検出することがこの応用例の目的である。

【００３５】水平に配置された第１レーザ光源１４から
水平にレーザビームが発射され、このレーザビームを光
リニアセンサ８が点Ｐで検出するとする。第１レーザ光
源１４を原点とする平面座標（ｘ，ｙ）を考え、この平
面座標上で点Ｐの座標を（Ｘ、Ｙ）とする。第１実施形
態から座標（Ｘ，Ｙ）が求まる。

【００３６】平面座標（Ｘ，Ｙ）から曲面座標（Ｓ，
Ｔ）の変換はコンピュータにより行われ、両座標ともデ
ィスプレー上に描かれる。このように、歪みのないユー
クリッド空間だけでなく歪みのある非ユークリッド空間
での位置座標の決定も本発明により得ることができる。

【００３７】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における
種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含す
るものである。

【００３８】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、レーザ光源を
回転自在に設けた基準体と、位置をを検出すべき物体に
設けられた光センサを配置するだけで、基準体により設
定される座標平面に対し、物体の位置座標を瞬時にしか
も簡単に決定できる。従来のような座標軸を指定するア
ームが無いので、小型化が可能であり、どのような外形
を有する構造体にも適用できる。

【００３９】請求項２の発明によれば、二つのレーザ光
源を回転自在に設けた基準体により座標軸を設定し、こ
の座標軸上での座標を検出すべき物体に光センサを取り
付けて、物体位置の偏角と動径から物体の位置座標を瞬
時に検出することができる。部材点数が少ないので、簡
易且つ安価に位置座標を検出できる。

【００４０】請求項３の発明によれば、基準体に回転自
在に設けられた発光用ポールと、発光用ポールに配置さ
れた二つのレーザ光源と、物体に固定された受光用ポー
ルと、この受光用ポールの表面に配置された光センサと
いう簡単な部材構成で、確実且つ瞬時に物体の位置座標
を検出できる物体位置検出装置を提供でき、実用上有益
な装置である。

【００４１】請求項４の発明によれば、レーザ光源を有
する二つの基準体により座標を与え、物体に光センサを
取り付け、レーザ光源を回転させながら光センサでレー
ザビームを検出するだけで、物体の位置座標を瞬時且つ
確実に決定することができる。

【００４２】請求項５の発明によれば、座標軸を設定す
る二つの基準体を用いた具体的な物体位置検出装置を提
供でき、座標軸となるアームを有さないので、狭い空間
でも適用できる実用的な物体位置検出装置を提供でき
る。

【００４３】請求項６の発明によれば、任意の曲面座標
における物体の位置座標を瞬時にしかも確実に検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明に係る物体位置検出装置の第１実施形態
の概略斜視図である。

【図２】図１のある時刻での平面図である。

【図３】図１の別時刻での平面図である。

【図４】図３における発光用ポール１２と受光用ポール
６を結ぶ面を正面とした正面図である。

【図５】第１実施形態の変形例１を示す正面図である。

【図６】第１実施形態の変形例２を示す正面図である。

【図７】本発明に係る物体位置検出装置の第２実施形態
の概略斜視図である。

【図８】図７の平面図である。

【図９】図８の物体４が基準線上に位置した配置図であ
る。

【図１０】トンネル壁面において前記第１実施形態を適
用して位置決定する場合の簡略断面図である。

【図１１】従来の物体位置検出装置の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

２は平面、４は物体、６は受光用ポール、８は光リニア
センサ、１０は基準体、１２は発光用ポール、１４は第
１レーザ光源、１６は第２レーザ光源、２０は基準体、
２２は発光用ポール、２４はレーザ光源、３０はＸ軸ア
ーム、３２はＹ軸アーム、３４は移動アーム、４０はト
ンネル、４２はトンネル曲面、Ｐ₁は第１受光点、Ｐ₂は
第２受光点、Ｌは受光点間隔、ｒ、ｒ₁、ｒ₂は動径、
θ、θ₁、θ₂は偏角、α、α₁、α₂は斜交角、Ｒは基準
体間隔、ω、ω₁、ω₂は角速度、Ｘ、Ｙ、Ｓ、Ｔは座
標。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源を回転自在に設けた基準体を
基準点として座標軸ｘ、ｙを設定し、この座標軸上での
座標Ｘ、Ｙを検出すべき物体４に光センサ８を取り付
け、レーザビームを発射しながら前記レーザ光源を回転
させて物体４上の光センサ８でレーザビームを検出し、
この検出により物体の位置の偏角と動径を導出して物体
の位置座標Ｘ、Ｙを検出することを特徴とする物体位置
検出方法。
【請求項２】二つのレーザ光源１４，１６を回転自在
に設けた基準体１０を基準点として座標軸ｘ、ｙを設定
し、この座標軸上での座標を検出すべき物体４に光セン
サ８を取り付け、レーザビームを発射しながら前記二つ
のレーザ光源１４、１６を回転させて物体４上の光セン
サ８でレーザビームを検出し、座標軸位置から検出する
まで時間ｔにより物体位置の偏角θを導出し、二つのレ
ーザビームによる光センサ上の二つの検出点間隔Ｌから
物体位置の動径ｒを導出して物体の位置座標Ｘ、Ｙを検
出することを特徴とする物体位置検出方法。
【請求項３】座標軸を設定する基準体１０と、この基
準体１０に回転自在に設けられた発光用ポール１２と、
発光用ポール１２に配置された第１レーザ光源１４及び
第２レーザ光源１６と、前記座標軸上での座標を検出す
べき物体４と、この物体４に固定された受光用ポール６
と、この受光用ポール６の表面に配置された光センサ８
とから構成されることを特徴とする物体位置検出装置。
【請求項４】レーザ光源１４，２４を回転自在に設け
た二つの基準体１０、２０を所定間隔Ｒだけ離間配置し
て基準線と座標軸ｘ、ｙを設定し、この座標軸上での座
標を検出すべき物体４に光センサ８を取り付け、レーザ
ビームを発射しながら前記二つのレーザ光源１４、２４
を回転させて物体上の光センサ８でレーザビームを検出
し、これにより基準体１０、２０と物体４を結ぶ二つの
線分の前記基準線からの偏角を導出し、これらの二つの
偏角θ₁、θ₂と前記基準体間隔Ｒから物体の位置座標
Ｘ、Ｙを検出することを特徴とする物体位置検出方法。
【請求項５】座標軸ｘ、ｙを設定する二つの基準体１
０、２０と、これらの基準体１０、２０に回転自在に設
けられた発光用ポール１２、２２と、発光用ポール１、
２２に配置されたレーザ光源１４、２４と、前記座標軸
上での座標Ｘ、Ｙを検出すべき物体４と、この物体４に
固定された受光用ポール６と、この受光用ポール６の表
面に配置された光センサ８とから構成されることを特徴
とする物体位置検出装置。
【請求項６】請求項１、２又は４記載の方法で仮想平
面座標上での物体の位置座標Ｘ、Ｙを検出し、この平面
座標Ｘ、Ｙから物体が実際に配置されている曲面座標
Ｓ、Ｔを導出して、任意の曲面座標における物体の位置
座標を検出することを特徴とする物体位置検出方法。