JP2008286772A - Attitude recognition sensor - Google Patents

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JP2008286772A JP2007159516A JP2007159516A JP2008286772A JP 2008286772 A JP2008286772 A JP 2008286772A JP 2007159516 A JP2007159516 A JP 2007159516A JP 2007159516 A JP2007159516 A JP 2007159516A JP 2008286772 A JP2008286772 A JP 2008286772A
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Akira Matsushita
昭 松下
Hiroshi Ogawa
宏 小川
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NIPPON SYSTEM KENKYUSHO KK
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NIPPON SYSTEM KENKYUSHO KK
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problem of an attitude sensor which used to be used in a joint section of a robot: since its measurable parameters are limited and other coordinate transformation parameters are ignored, an error at an end part becomes an impermissible value if the number of joint sections increases. <P>SOLUTION: This sensor is composed of a group of laser light sources fixed to one rigid body of a joint section to emit three or more beams of light linear and independent mutually, an area sensor such as a CCD fixed to the other rigid body to receive the beams of light, and an arithmetic unit for computing coordinate transformation parameters from the coordinates of light receiving points on the area sensor. Thereby, all coordinate transformation parameters can be measured by one sensor with high accuracy. High-accuracy parameter measurement becomes possible by providing a movable half mirror which rotates around two orthogonal axes in front of the area sensor, and measuring the rotation angle of the half mirror and variations of beams reflected by the half mirror from reference values. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は関節部で屈曲可能に連係されて成るロボットの姿勢・位置を決定するための関節部に取り付けられる姿勢認識センサに関する。  The present invention relates to a posture recognition sensor attached to a joint portion for determining the posture and position of a robot that is connected to bendable at the joint portion.

本発明を必要とする背景の一つは、地震などの災害地などにおいて瓦礫や焼土または液状、ガス状その他の混在するような環境の中に取り残された被災者を救助するために、従来は救助隊による救援活動、あるいは訓練された犬などの嗅覚などに頼って探索を行っていた。故に被災者がいるかいないかの判断はある程度出来てもどの位置にいるかなどの特定が難しく、また被災者の状況の把握が難しかった。  One of the backgrounds requiring the present invention is to rescue victims left behind in an environment where rubble, burnt earth, liquid, gaseous or other mixture is present in disaster areas such as earthquakes. Relied on rescue efforts by rescue teams or olfaction of trained dogs and other subjects. Therefore, even if it was possible to determine whether there was a victim or not, it was difficult to specify the position of the victim, and it was difficult to grasp the situation of the victim.

被災者の探索、位置の確認、被災者の状況の確認、食料・水の補給路確保、連絡の確保を行うために、最先端に堀削機および各種のセンサ例えばカメラ、臭気センサ、赤外線センサ、温度計などを取り付け、瓦礫の隙間や焼土の中を縫って前進することが出来る装置が要請されている。  Cutting-edge excavator and various sensors such as cameras, odor sensors, infrared sensors, etc. to search for victims, confirm location, confirm status of victims, secure food and water supply channels, and ensure communication There is a need for a device that can be moved forward by attaching a thermometer and sewing through the gaps in rubble or in clay.

そして、被災者が見つかった場合には、被災者と救助隊を結ぶ上記ライフラインの確保が可能な空間があるような管状のロボットにおいて、各関節に小型かつ高精度の姿勢センサを有し、先端の位置を正確に把握する手段が必要とされていた。  And when a victim is found, in a tubular robot that has a space that can secure the lifeline connecting the victim and the rescue team, each joint has a small and high-precision posture sensor, A means for accurately grasping the position of the tip was required.

従来、ロボットの関節などに埋め込まれた姿勢センサは、その境界部の自由度に応じてある特定のパラメータを測定するセンサである。例えば1軸あるいは2軸回りの回転角のみが測定出来るセンサや、軸方向のズレ(長さ)のみが測定出来るセンサが用いられてきた。  Conventionally, a posture sensor embedded in a robot joint or the like is a sensor that measures a specific parameter in accordance with the degree of freedom of the boundary portion. For example, a sensor capable of measuring only a rotation angle around one axis or two axes, or a sensor capable of measuring only a deviation (length) in the axial direction has been used.

あるいは、蛇状の多関節ロボットにおいては座標変換の一部パラメータが測れないために、誤差が生じ、多関節であるがために誤差が積み重なり全体で必要な精度が得られない、特に先端の位置の誤差が大きくなるという問題があった。Or, in a snake-like multi-joint robot, some parameters of coordinate transformation cannot be measured, so an error occurs, and because of the multi-joint, errors accumulate and the required accuracy cannot be obtained overall, especially the position of the tip There was a problem that the error of became large.

このような問題に技術的な解決の目途が立てば、本技術は上述の救援手段以外に多様な分野で利用が可能になる見込みがある。例えば、人畜の潜行が不可能と考えられるような場所に、物資、情報などを送達するための経路を構築する要請があるが、それには予め道しるべともなる予備ルートを開拓する必要がある。その後に本ルートの構築に切り替えることは比較的容易であろうから、予備ルート構築の先行技術の確立が必要である。  If a technical solution is planned for such a problem, it is expected that the present technology can be used in various fields other than the above-described rescue means. For example, there is a request to construct a route for delivering goods, information, etc. in a place where it is considered impossible for a human animal to dive, but in order to do so, it is necessary to pioneer a preliminary route that is to be used in advance. Since it will be relatively easy to switch to the construction of this route after that, it is necessary to establish a prior art for constructing a backup route.

従来の関節部に用いられてきた姿勢センサは測定できるパラメータが限られているため、その他のパラメータについては微小なものとして無視することによる誤差を生じていた。
このため、関節部が多くなると誤差が積み重なって末端部で許容できない値になるという問題点があった。また、座標変換に必要なパラメータを精度良く全てを取得するためには複数のセンサを設ける必要があり、センサが複雑で大きくなるという問題点があった。
Since conventional posture sensors used for joints have limited parameters that can be measured, errors have occurred due to ignoring other parameters as minute ones.
For this reason, when there are many joints, there is a problem in that errors accumulate and become unacceptable values at the end. In addition, in order to obtain all parameters necessary for coordinate conversion with high accuracy, it is necessary to provide a plurality of sensors, and there is a problem that the sensors are complicated and large.

さらに複数のセンサのデータをそれぞれ中央の演算装置に送り、世界座標への変換や、ローカル座標への変換を行っていた。そのため、計算のアルゴリズムが複雑になるという問題があった。  Furthermore, the data of a plurality of sensors was sent to a central processing unit, and conversion into world coordinates or conversion into local coordinates was performed. Therefore, there has been a problem that the calculation algorithm becomes complicated.

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとしたものである。
一つのセンサによって座標変換に必要な6要素を全て測定することにより座標変換による誤差を少なくすること、座標変換のアルゴリズムを簡単化することにより、各センサ部においてローカル座標系及び世界座標系への相互変換を可能とするものである。そして各センサ部が世界座標における位置を把握し、システムとしての高速化を図ることを目的とするものである。
The present invention is intended to solve the problems of such a conventional configuration.
By measuring all six elements necessary for coordinate transformation with one sensor, the error due to coordinate transformation is reduced, and the algorithm for coordinate transformation is simplified, so that each sensor unit can be connected to the local coordinate system and the world coordinate system. Mutual conversion is possible. And each sensor part grasps | ascertains the position in a world coordinate, and aims at speeding-up as a system.

上記目的を達成するための、本発明の姿勢認識センサの構成および作用について説明する。  The configuration and operation of the posture recognition sensor of the present invention for achieving the above object will be described.

第一の課題解決手段は、互いに隣接した剛体を連係する関節部を光線の経路とし、一方の剛体に固定された少なくとも3個のレーザ光源などの光線の放射手段を有する投光部と、他方の剛体に固定された平面状のスクリーンを有しCCDを含む光電変換デバイスによる受光点の認識手段を有する受光部とで一組のセンサが構成されている。  The first problem-solving means includes: a light projecting unit having a beam emitting unit such as at least three laser light sources fixed to one rigid body; and a light projecting unit fixed to one rigid body. A pair of sensors is constituted by a light receiving unit having a planar screen fixed to a rigid body and having a light receiving point recognizing means by a photoelectric conversion device including a CCD.

そして、それらの複数組のセンサがそれぞれ前記関節部を介して連結されるようにした姿勢認識センサであって、前記投光部からの光線が前記受光部と交わり、前記受光部のスクリーン上の複数の受光点の座標を読み出す手段と、座標変換パラメータを取得する手段とを備えて構成したことを特徴とするものである。  The plurality of sets of sensors are connected to each other via the joint portion, and the posture recognition sensor is configured such that a light beam from the light projecting unit intersects with the light receiving unit and is on a screen of the light receiving unit. It is characterized by comprising means for reading out the coordinates of a plurality of light receiving points and means for acquiring coordinate conversion parameters.

第二の課題解決手段は、2個のレーザ光源と1個のビームスプリッタと1個のスクリーンを有する投光部を関節部の一方の剛体に固定し、1個のスクリーンと1個のハーフミラーを有する受光部を関節部の他方に固定して構成されるものである。  The second problem solving means is to fix a light projecting portion having two laser light sources, one beam splitter and one screen to one rigid body of the joint portion, one screen and one half mirror. The light receiving part having a fixed structure is fixed to the other joint part.

このような姿勢認識センサにおいては、投光部の第一レーザ光源の光軸にほぼ垂直になるよう受光部のハーフミラーを配し、該ハーフミラーの後面と平行に第一スクリーンを配した受光部と、前記第一レーザ光源のビーム光を透過しかつ前記ハーフミラーでの反射光を90度程度の方向に曲げるビームスプリッタと該ビームスプリッタからの反射光を受ける第二スクリーンとを配置する。  In such a posture recognition sensor, a light receiving unit half mirror is arranged so as to be substantially perpendicular to the optical axis of the first laser light source of the light projecting unit, and a first screen is arranged in parallel with the rear surface of the half mirror. A beam splitter that transmits the beam light of the first laser light source and bends the reflected light from the half mirror in a direction of about 90 degrees, and a second screen that receives the reflected light from the beam splitter.

更に前記第一スクリーンの面の法線に対し、10度から80度の角度を持って前記第一スクリーンに入射する光軸を持つ前記第二レーザ光源とを有する投光部を備え、前記第一スクリーン上の前記第1レーザ光源及び前記第2レーザ光源からのビーム光の受光点位置座標及び第二スクリーン上の第1光源からの受光点位置座標を読み出す手段を備えて、前記3受光点の座標から座標変換パラメータを取得するように構成したことを特徴とするものである。  And a second light source having an optical axis incident on the first screen at an angle of 10 degrees to 80 degrees with respect to a normal line of the surface of the first screen. Means for reading out the light receiving point position coordinates of the light beams from the first laser light source and the second laser light source on one screen and the light receiving point position coordinates from the first light source on the second screen; The coordinate conversion parameter is obtained from the coordinates of the above.

第三の課題解決手段は、第二の課題解決手段において、受光部のハーフミラーが電気的制御による可動式の手段を備えたものであって、前記第一レーザ光源からのビーム光が前記ハーフミラーで反射し、スプリッタを経て投光部の前記第二スクリーン上に作る受光点の位置と、可動式の前記ハーフミラーの傾きを検出する手段を備え、3受光点座標及びハーフミラーの傾きから座標変換パラメータを取得するように構成したことを特徴とするものである。    According to a third problem solving means, in the second problem solving means, the half mirror of the light receiving unit is provided with a movable means by electrical control, and the beam light from the first laser light source is the half light. A means for detecting the position of the light receiving point reflected on the mirror and made on the second screen of the light projecting unit through the splitter and the tilt of the movable half mirror is provided. From the coordinates of the three light receiving points and the tilt of the half mirror The present invention is characterized in that coordinate conversion parameters are obtained.

上記第一の課題解決手段による作用は次の通りである。  The operation of the first problem solving means is as follows.

一般に座標系Aで規定された3本の互いに線形関係にない直線が、他の座標系A’で規定された平面と交わり、これら3つの交点の座標が平面を規定している座標系A’で既知であった場合、座標変換の6つのパラメータを求めることが出来る。In general, three straight lines that are not linearly defined in the coordinate system A intersect with a plane defined in another coordinate system A ′, and the coordinate system A ′ in which the coordinates of these three intersection points define the plane. If it is already known, the six parameters for coordinate transformation can be obtained.

3つの光源が固定された座標系をA、他方をA’とする。
即ち、3本の直線は座標系Aに固定されており、各直線の方程式は座標系Aにおいて

Figure 2008286772
とあらわすことが出来る。A coordinate system in which the three light sources are fixed is A, and the other is A ′.
That is, the three straight lines are fixed in the coordinate system A, and the equation of each straight line is
Figure 2008286772
It can be expressed.

これ等の直線は座標系A’に固定されたスクリーンと交わり、その交点の座標を読み取る手段を有している。便宜上座標系A’に固定された前記スクリーン面をz’=0なるx’−y’平面とすると座標変換の一般式を用いると次式が成り立つ。

Figure 2008286772
ここでTxyzは3行3列の行列で、x軸、y軸、z軸まわりの回転角α、β、γの3変数の
Figure 2008286772
These straight lines intersect with the screen fixed in the coordinate system A ′, and have means for reading the coordinates of the intersections. For convenience, if the screen surface fixed to the coordinate system A ′ is an x′-y ′ plane with z ′ = 0, the following equation is established using a general equation for coordinate transformation.
Figure 2008286772
Here, Txyz is a matrix of 3 rows and 3 columns, and three variables of rotation angles α, β, and γ around the x axis, the y axis, and the z axis.
Figure 2008286772

従って上記9元連立方程式を解くことにより、座標変換パラメータの6要素(α、β、

Figure 2008286772
Therefore, by solving the above nine simultaneous equations, the six elements (α, β,
Figure 2008286772

上述したように、投光部の座標系Aに固定された3つの光源からの光線が、受光部の座標系A’に固定されたスクリーン上に作る交点の座標を読み取ることにより座標変換パラメータであるX軸、Y軸、Z軸まわりの回転角、座標の平行移動ベクトル3要素のすべてを非常に簡単な構成により求めることが出来る。 [0015]
上記第二の課題解決手段による作用は次の通りである。
As described above, the light beam from the three light sources fixed in the coordinate system A of the light projecting unit reads the coordinates of the intersection formed on the screen fixed in the coordinate system A ′ of the light receiving unit, thereby converting the coordinates into the coordinate conversion parameters. All the rotation angles around the X axis, Y axis, and Z axis, and the three elements of the coordinate translation vector can be obtained with a very simple configuration. [0015]
The operation of the second problem solving means is as follows.

即ち第一光源からのビーム光はビームスプリッタを透過し受光部のハーフミラーに達し、一部光線はさらにハーフミラーを透過し第一スクリーンに到達し、また一部光線はハーフミラーで反射される。That is, the beam light from the first light source passes through the beam splitter and reaches the half mirror of the light receiving unit, and some light rays further pass through the half mirror and reach the first screen, and some light rays are reflected by the half mirror. .

このときハーフミラーの面が入力光線に対し直角の場合、反射光線は入力光線と同じ経路を通りビームスプリッタにより概90度曲がり第二スクリーン上に受光点を作る。この受光点を基準とし、もし隣接する座標系が傾いた場合は第一光源からの反射光が第二スクリーンに作る受光点の位置が基準点からずれるので、この情報により隣接する座標系の傾き及び傾き方向がわかる。At this time, when the surface of the half mirror is perpendicular to the input beam, the reflected beam passes through the same path as the input beam and is bent by approximately 90 degrees by the beam splitter to form a light receiving point on the second screen. With this light receiving point as a reference, if the adjacent coordinate system is tilted, the position of the light receiving point formed on the second screen by the reflected light from the first light source is shifted from the reference point. And the direction of tilt.

また第一光源の光線と第二光源の光線が作る第一スクリーン上における受光点間の距離により座標系間の距離を三角測量の要領で求めることが出来る。更にまた第一光源と第二光源が作る第一スクリーン上における2受光点が作る線分の傾きから座標系間の捩れを求めることが出来る。Further, the distance between the coordinate systems can be obtained in the manner of triangulation by the distance between the light receiving points on the first screen formed by the light beam of the first light source and the light beam of the second light source. Furthermore, the twist between coordinate systems can be obtained from the inclination of the line segment formed by the two light receiving points on the first screen formed by the first light source and the second light source.

これ等の測定結果より、座標変換パラメータであるX軸、Y軸、Z軸まわりの回転角、座標の平行移動ベクトルの6要素を求めることが出来る。厳密には代数学的に方程式を解くことにより6要素を求めることが出来る。  From these measurement results, it is possible to obtain the six elements of the rotation angle around the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the coordinate translation vector, which are coordinate conversion parameters. Strictly speaking, six elements can be obtained by solving equations algebraically.

上記第三の課題解決手段による作用は次の通りである。  The operation of the third problem solving means is as follows.

即ち第一ビーム光源からのビーム光はビームスプリッタを透過し可動ハーフミラーに達し、一部光線はさらに可動ハーフミラーを透過し第一スクリーンに到達し、また一部光線は可動ハーフミラーで反射される。That is, the beam light from the first beam light source passes through the beam splitter and reaches the movable half mirror, a part of the light beam further passes through the movable half mirror and reaches the first screen, and a part of the light beam is reflected by the movable half mirror. The

可動ハーフミラーの面が入力光線に対し直角の場合、反射光線は入力光線と同じ経路を通りビームスプリッタに到達し、該90度光路が曲げられ第二スクリーン上に受光点を作る。  When the surface of the movable half mirror is perpendicular to the input beam, the reflected beam passes through the same path as the input beam and reaches the beam splitter, and the light path is bent to create a light receiving point on the second screen.

投光部と受光部をある基準で固定し、このとき可動ハーフミラーの面と第一ビーム光源からの入力光がほぼ直交するよう可動ミラーの位置を調整し、このとき第二スクリーン上に出来る受光点の位置を基準点とする。該基準点は該第二スクリーンのほぼ中央に来るよう設定する。  The light projecting unit and the light receiving unit are fixed with a certain reference, and at this time, the position of the movable mirror is adjusted so that the surface of the movable half mirror and the input light from the first beam light source are substantially orthogonal to each other. The position of the light receiving point is used as a reference point. The reference point is set to be approximately in the center of the second screen.

もし隣接する座標系A’が変化した場合は第一ビーム光源からの光線が可動ハーフミラーで反射して第二スクリーンに作る受光点の位置が該基準点からずれるので、この情報により可動ハーフミラーの傾きを制御し受光点の位置を基準点に復帰させ、このときの可動ハーフミラーの傾きの変化をエンコーダ等で読み出すことにより座標変換パラメータのうちの3軸廻りの回転角のうち2個を決定することが出来る。  If the adjacent coordinate system A ′ is changed, the light beam from the first beam light source is reflected by the movable half mirror and the position of the light receiving point formed on the second screen is shifted from the reference point. The inclination of the light receiving point is controlled to return to the reference point, and the change in the inclination of the movable half mirror at this time is read out by an encoder or the like, so that two of the rotation angles around the three axes of the coordinate conversion parameters are obtained. Can be determined.

また第一ビーム光源と第二ビーム光源が作る第一スクリーン上における受光点間の距離と該可動ハーフミラーの傾きにより座標系間の距離を求めることが出来る。Further, the distance between the coordinate systems can be obtained from the distance between the light receiving points on the first screen formed by the first beam light source and the second beam light source and the inclination of the movable half mirror.

更にまた第一ビーム光源と第二ビーム光源が作る第一スクリーン上における受光点が作る線分の位置から座標系間の捩れを求めることが出来る。
従ってこれ等の測定結果より、座標変換パラメータであるX軸、Y軸、Z軸まわりの回転角、座標の平行移動ベクトルの6要素を求めることが出来る。
Furthermore, the twist between the coordinate systems can be obtained from the position of the line segment formed by the light receiving point on the first screen formed by the first beam light source and the second beam light source.
Therefore, from these measurement results, it is possible to obtain the six elements of the coordinate conversion parameters, that is, the rotation angles around the X, Y, and Z axes, and the coordinate translation vector.

なお、可動ハーフミラーがステップ・モータなどデジタル的な駆動装置で駆動されている場合、第2スクリーン上の受光点は基準点と一致させることが出来ない確率が高くなる。この場合はハーフミラーの傾きと受光点の基準点からのずれの大きさと方向から補間的に軸廻りの回転角を求めることが出来る。  When the movable half mirror is driven by a digital driving device such as a step motor, the probability that the light receiving point on the second screen cannot be matched with the reference point increases. In this case, the rotation angle around the axis can be determined in an interpolation manner from the inclination of the half mirror and the magnitude and direction of the deviation of the light receiving point from the reference point.

上述したように本発明の姿勢認識センサは、座標変換に必要かつ十分条件である6要素を一つの小型センサで測ることができ、精度の高い座標変換を行うことが出来る。  As described above, the posture recognition sensor of the present invention can measure six elements that are necessary and sufficient conditions for coordinate conversion with one small sensor, and can perform coordinate conversion with high accuracy.

さらにハーフミラーを設けることにより、より精度の高い軸廻りの回転角の測定が可能なセンサが提供できる。  Furthermore, by providing a half mirror, it is possible to provide a sensor capable of measuring the rotation angle around the axis with higher accuracy.

そしてさらに、ハーフミラーを可動式にすることにより、精度が高くかつより広い回転角の測定が可能なセンサが提供できる。  Furthermore, by making the half mirror movable, it is possible to provide a sensor capable of measuring a wider rotation angle with high accuracy.

また、先頭の剛体が後続の複数の剛体を関節部によって連結した屈曲可能なロボットであって、先端部に探知用手段、例えば音声、音響、色、臭いセンサ等を装着、または方向探知手段を取り付けて推進させるように構成する。そして、そのロボットの各関節部に本発明の姿勢認識センサを取り付け、座標変換を次々と行うことが可能であるから、精度の高い位置測定を行うことができるという効果を有する。  The leading rigid body is a bendable robot in which a plurality of subsequent rigid bodies are connected by joints, and a detecting means such as a voice, sound, color, odor sensor or the like is attached to the tip, or a direction detecting means is provided. It is configured to be installed and propelled. And since the attitude | position recognition sensor of this invention can be attached to each joint part of the robot and coordinate conversion can be performed one after another, it has the effect that a highly accurate position measurement can be performed.

例えば、現在地を始点とする場所から剛体を次々と連結して送り出し、先端部が目標とする場所に到達したとき、その位置が複数の姿勢認識センサを経由して正確な情報として始点で把握することができる。  For example, a rigid body is connected and sent from a location starting from the current location, and when the tip reaches the target location, the position is grasped as accurate information via a plurality of posture recognition sensors. be able to.

また、高精度でかつ小型に構成することができるため、例えば各剛体が内部に空間を確保できる管等の筐体であれば、剛体ごとに本発明の姿勢認識センサを収納すると共に、センサの関連機器の連絡路あるいは所要とする物品の通路として確保することが可能である。  In addition, since it can be configured with high accuracy and a small size, for example, if each rigid body is a housing such as a tube that can secure a space inside, the posture recognition sensor of the present invention is housed for each rigid body, and the sensor It can be secured as a connection path for related equipment or as a path for required articles.

依って本発明の姿勢認識センサは、先に述べた災害地などにおける探索用としての効用のみならず、その他の広い産業分野にわたって適用が可能であり、大きな経済的効果も期待できる。  Therefore, the posture recognition sensor of the present invention can be applied not only to the utility for searching in the disaster area described above but also to other wide industrial fields, and a large economic effect can be expected.

具体的な事例として、複数の剛体を連結し屈曲可能なロボットにおいて、該ロボットの関節部に本発明の姿勢認識センサを取り付け、各センサに設けられた演算装置により算出された6要素は自分自身に記憶され、さらに通信ネットワークを介してマンマシンインターフェースを有する中央演算装置および他の各センサに設けられた演算装置に送られ、各演算装置の記憶回路に書き込まれ記録されるようにする。  As a specific example, in a robot that can bend by connecting a plurality of rigid bodies, the posture recognition sensor of the present invention is attached to the joint of the robot, and the six elements calculated by the arithmetic unit provided in each sensor are And sent to a central processing unit having a man-machine interface and arithmetic units provided in each other sensor via a communication network, and written and recorded in a storage circuit of each arithmetic unit.

この結果、各センサの演算装置は自分自身の採取した6要素を含めたすべてのセンサ部の最新の6要素を記録しており、システム内の任意の座標系で定義された位置座標を、座標変換式を順次適用して他の任意の座標系における位置座標に演算回路を使用して、各関節部において独立にかつパラレルに変換することが出来るという効用をもつ。  As a result, the calculation device of each sensor records the latest 6 elements of all the sensor units including the 6 elements collected by itself, and the position coordinates defined by an arbitrary coordinate system in the system are coordinated. It has the utility that it is possible to convert each joint part independently and in parallel by using a calculation circuit for position coordinates in another arbitrary coordinate system by sequentially applying the conversion formula.

前記6要素の代わりに座標変換に用いられる3行3列の座標変換マトリクスの9要素と平行移動の3要素を、各センサ間で交換し記憶することにより、演算回路における演算量を減らすことができ、さらに高速に座標変換が可能となるなど多くの効果を有するものである。  9 elements of a 3 × 3 coordinate conversion matrix used for coordinate conversion instead of the 6 elements and 3 elements of parallel movement are exchanged and stored between the sensors, thereby reducing the amount of calculation in the arithmetic circuit. In addition, it has many effects such as being capable of coordinate transformation at higher speed.

以下、本発明の実施の形態を図3、図6、図7、及び図8に基づいて説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 3, 6, 7, and 8.

図6において、姿勢認識センサはセンサ・ユニットと制御・演算部50より構成され、センサ・ユニットはさらに投光部13と受光部14とに分かれ、投光部13は関節部23で隣接する一方の剛体21に固定され、受光部14は他方の剛体22に固定される。  In FIG. 6, the posture recognition sensor includes a sensor unit and a control / calculation unit 50, and the sensor unit is further divided into a light projecting unit 13 and a light receiving unit 14, and the light projecting unit 13 is adjacent to the joint unit 23. The light receiving unit 14 is fixed to the other rigid body 22.

投光部13は第一レーザ光源1とビーム・スプリッタ5、第二CCD3、及び第二レーザ光源2とをシャーシに取り付け一体化して構成される。受光部14は、第一CCD4とその前面に可動ハーフミラー6とを配し、さらに可動ハーフミラー6は可動支持板9に取り付けられ、ステップ・モータ8によって任意の方向に傾けることが出来るような構造となっており、受光部14全体が一つのシャーシに取り付けられ一体化されている。  The light projecting unit 13 is configured by integrating the first laser light source 1, the beam splitter 5, the second CCD 3, and the second laser light source 2 on a chassis. The light receiving unit 14 includes a first CCD 4 and a movable half mirror 6 on the front surface thereof. The movable half mirror 6 is attached to a movable support plate 9 and can be tilted in an arbitrary direction by a step motor 8. The entire light receiving unit 14 is attached to and integrated with one chassis.

また、制御・演算部50は、CPU51とレーザ制御回路52とCCD読み出し回路53と制御回路54とステップ・モータ駆動回路55とエンコーダ回路56とからなる。  The control / arithmetic unit 50 includes a CPU 51, a laser control circuit 52, a CCD readout circuit 53, a control circuit 54, a step motor drive circuit 55, and an encoder circuit 56.

図8に示すように可動ハーフミラー6は3点支持された可動支持板9に取り付けられ、第一CCD取付板7に対して傾斜角を変えられるようになっている。可動支持板の3点の支持点のうち、2点はステップ・モータにより直動するようにし、ステップ・モータにより傾斜角、傾斜方向を制御する手段を備えた構造となっている。  As shown in FIG. 8, the movable half mirror 6 is attached to a movable support plate 9 supported at three points, and the inclination angle can be changed with respect to the first CCD attachment plate 7. Of the three support points of the movable support plate, two points are linearly moved by the step motor, and the structure is provided with means for controlling the tilt angle and the tilt direction by the step motor.

次にセンサの動作を説明する。図6および7において第一レーザ光源1からのレーザ光はビーム・スプリッタ5を透過し、可動ハーフミラー6の中心付近に入射し一部光線は反射して、ビームスプリッタ5に戻りほぼ90度光路を屈曲し、第二CCD3で受光され受光点の座標の検出がなされる。  Next, the operation of the sensor will be described. 6 and 7, the laser light from the first laser light source 1 passes through the beam splitter 5, enters the vicinity of the center of the movable half mirror 6, reflects a part of the light, returns to the beam splitter 5, and returns to the optical path of approximately 90 degrees. The light is received by the second CCD 3 and the coordinates of the light receiving point are detected.

投光部13と受光部14をある基準で位置関係を固定し、このとき可動ハーフミラー6の面と第一ビーム光源1からの入力光がほぼ直交するように可動ハーフミラー6の位置を調整する。このとき第二CCD3上に出来る受光点の位置を基準点とする。この基準点は前記第二スクリーンのほぼ中央に来るよう設定し、またこの時の関節部の曲がりをゼロ点とする。  The positional relationship between the light projecting unit 13 and the light receiving unit 14 is fixed with a certain reference, and at this time, the position of the movable half mirror 6 is adjusted so that the surface of the movable half mirror 6 and the input light from the first beam light source 1 are substantially orthogonal to each other. To do. At this time, the position of the light receiving point formed on the second CCD 3 is set as a reference point. This reference point is set so as to be approximately at the center of the second screen, and the bending of the joint at this time is set as the zero point.

投光部13と受光部14のなす角度が上述のゼロ点から変化したとき、受光点と基準点のズレを第一CCD3により検出し、CPU51で可動ハーフミラー6の修正方向を計算し、ステップ・モータ8を制御して受光点の座標位置を基準点に復帰させるように制御する。  When the angle formed by the light projecting unit 13 and the light receiving unit 14 changes from the above-described zero point, the first CCD 3 detects a deviation between the light receiving point and the reference point, and the CPU 51 calculates the correction direction of the movable half mirror 6. Control the motor 8 so that the coordinate position of the light receiving point is returned to the reference point.

受光点と基準点が一致した場合はステップ・モータ8の位置をエンコーダで読み取ることにより角度を算出できる。またステップ・モータ8の場合受光点と基準点が完全に一致することは確率的に低く、この場合はステップ・モータ8の位置と、受光点と基準点のずれから、角度を算出することにより精度の高い測定が可能となる。  When the light receiving point matches the reference point, the angle can be calculated by reading the position of the step motor 8 with an encoder. In the case of the step motor 8, it is probabilistic that the light receiving point and the reference point completely coincide with each other. In this case, by calculating the angle from the position of the step motor 8 and the deviation between the light receiving point and the reference point. Highly accurate measurement is possible.

第一レーザ光源1から可動ハーフミラー6に達したレーザ光の一部は可動ハーフミラー6を透過し第一CCD4に達し、位置の検出がなされ、互いに隣接する剛体のズレを検出することが出来る。  Part of the laser light that has reached the movable half mirror 6 from the first laser light source 1 passes through the movable half mirror 6 and reaches the first CCD 4, where the position is detected and the displacement of the rigid bodies adjacent to each other can be detected. .

第二レーザ光源2からのレーザ光は可動ハーフミラー6を透過し第一CCD4に達し、受光点の座標位置が測定がされる。第一CCD4上において第一レーザ光源1からのレーザ光の受光点と第二レーザ光源2からのレーザ光の受光点で決まる線分の長さと可動ハーフミラー6の傾きとから投光部13と受光部14の第一レーザ光の光軸方向の距離を算出することが出来る。  The laser light from the second laser light source 2 passes through the movable half mirror 6 and reaches the first CCD 4, and the coordinate position of the light receiving point is measured. From the light receiving point of the laser beam from the first laser light source 1 and the length of the line segment determined by the light receiving point of the laser light from the second laser light source 2 and the inclination of the movable half mirror 6 on the first CCD 4, The distance in the optical axis direction of the first laser light of the light receiving unit 14 can be calculated.

また、第一レーザ光源1からのレーザ光受光点と第二レーザ光源2からのレーザ光受光点で決まる線分の傾きから、第一レーザ光源の光軸まわりの捩じれを測定することが出来る。  Further, the twist around the optical axis of the first laser light source can be measured from the slope of the line segment determined by the laser light receiving point from the first laser light source 1 and the laser light receiving point from the second laser light source 2.

以上より、2つの剛体の相互位置関係を決定する座標変換に必要かつ十分条件である、X軸まわり、Y軸まわり、Z軸まわりの回転角と座標の平行移動ベクトルの3要素、あわせて6要素が一つの小型センサで全て求まることになる。  As described above, the three elements of the rotation angle around the X axis, the Y axis, and the Z axis and the coordinate translation vector, which are necessary and sufficient conditions for the coordinate transformation for determining the mutual positional relationship between the two rigid bodies, are 6 in total. All the elements are obtained with one small sensor.

発明を実施するための他の形態Other forms for carrying out the invention

以下、本発明の他の実施の形態を図1、図2及び図3に基づいて説明する。  Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1、2において、第一の課題解決手段の実施の形態を示す。姿勢認識センサはセンサ・ユニットと制御・演算部より構成され、さらにセンサ・ユニットは投光部13と受光部14とからなる。投光部13は互いに隣接する一方の剛体105に固定され、受光部14は他方の剛体に固定される。投光部13は第一レーザ光源10、第二レーザ光源11、第三レーザ光源12からなりシャーシに取り付け一体化して構成され、受光部14はCCD4からなる。また、制御・演算部は、CPU51とレーザ制御回路52とCCD読み出し回路53とからなる。  1 and 2 show an embodiment of the first problem solving means. The posture recognition sensor includes a sensor unit and a control / arithmetic unit. The sensor unit includes a light projecting unit 13 and a light receiving unit 14. The light projecting unit 13 is fixed to one rigid body 105 adjacent to each other, and the light receiving unit 14 is fixed to the other rigid body. The light projecting unit 13 includes a first laser light source 10, a second laser light source 11, and a third laser light source 12. The light projecting unit 13 is integrated with the chassis, and the light receiving unit 14 includes a CCD 4. The control / arithmetic unit includes a CPU 51, a laser control circuit 52, and a CCD readout circuit 53.

以下、上記構成の動作を説明する。第一レーザ光源11、第二レーザ光源12、第三レーザ光源13の光軸は互いに代数学的に線形関係になく、CCD14の面とは交わり、かつCCD14の受光面上では光軸どうしは互いに交わることがないものとする。  The operation of the above configuration will be described below. The optical axes of the first laser light source 11, the second laser light source 12, and the third laser light source 13 are not algebraically linearly related to each other, intersect the surface of the CCD 14, and the optical axes are mutually on the light receiving surface of the CCD 14. It shall not be exchanged.

関節部において相互に隣接する剛体の位置関係が変化するとCCD面上の受光点の位置関係が変化するのでこれによって剛体の位置関係を求めることができる。  If the positional relationship between the rigid bodies adjacent to each other in the joint changes, the positional relationship between the light receiving points on the CCD surface changes, so that the positional relationship of the rigid bodies can be obtained.

CCD14上の3点の受光点の位置をCCD読み出し回路53で読み取り受光点の座標を決定し、連立方程式を演算回路にて解くことにより座標変換パラメータの6要素を決定することが出来る。  By reading the positions of the three light receiving points on the CCD 14 with the CCD reading circuit 53, determining the coordinates of the light receiving points, and solving the simultaneous equations with the arithmetic circuit, the six elements of the coordinate conversion parameters can be determined.

さらに、本発明の他の実施の形態を図4、図5に基づいて説明する。  Furthermore, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図4,5において、姿勢認識センサはセンサ・ユニットと制御・演算部50より構成され、さらにセンサ・ユニットは投光部13と受光部14とからなり、投光部13は関節部23において互いに隣接する一方の剛体21に固定され、受光部14は他方の剛体22に固定される。投光部13は第一レーザ光源1とビーム・スプリッタ5、第二CCD3、及び第二レーザ光源2とをシャーシに取り付け一体化して構成され、受光部14は、第一CCD4とその前面にハーフミラー6とを一つのシャーシに取り付けられ一体化されている。また、制御・演算部50は、CPU51とレーザ制御回路52とCCD読み出し回路53とからなる。  4 and 5, the posture recognition sensor includes a sensor unit and a control / calculation unit 50, and the sensor unit includes a light projecting unit 13 and a light receiving unit 14. The light receiving unit 14 is fixed to the other rigid body 22 while being fixed to the adjacent one rigid body 21. The light projecting unit 13 is configured by integrally mounting the first laser light source 1, the beam splitter 5, the second CCD 3, and the second laser light source 2 on the chassis, and the light receiving unit 14 is half-mounted on the first CCD 4 and the front surface thereof. The mirror 6 is attached to and integrated with one chassis. The control / calculation unit 50 includes a CPU 51, a laser control circuit 52, and a CCD readout circuit 53.

以下、上記構成の動作を説明する。第一レーザ光源1からのレーザ光はビームスプリッタ5を透過し、ハーフミラー6の中心付近に入射し一部光線は反射して、ビームスプリッタに戻りほぼ90度光路を屈曲し、第二CCD3で受光され位置の検出がなされる。  The operation of the above configuration will be described below. The laser light from the first laser light source 1 passes through the beam splitter 5, enters near the center of the half mirror 6, reflects a part of the light beam, returns to the beam splitter, and bends the optical path by approximately 90 degrees. The light is received and the position is detected.

ハーフミラー6の反射光線が入射光線と同一の光路を取るとき、即ちハーフミラー6と第一レーザ光源1からのレーザ光軸とが直角を成す時、受光点が第二CCD3のほぼ中心部に来るようにあらかじめ調整されており、これを基準点とする。  When the reflected light beam of the half mirror 6 takes the same optical path as the incident light beam, that is, when the half mirror 6 and the laser optical axis from the first laser light source 1 form a right angle, the light receiving point is substantially at the center of the second CCD 3. It has been adjusted in advance to come, and this is taken as the reference point.

投光部13と受光部14の軸が平行でなくなったとき、すなわちハーフミラー6の面と第一レーザ光軸が直角でなくなったとき、第一CCD3上の受光点20は基準点からずれることになり、このズレを検出し座標を読み取ることにより投光部13と受光部14の軸のなす角度を検出する。  When the axes of the light projecting unit 13 and the light receiving unit 14 are not parallel, that is, when the surface of the half mirror 6 and the first laser optical axis are not perpendicular, the light receiving point 20 on the first CCD 3 is shifted from the reference point. Thus, the angle between the light projecting unit 13 and the light receiving unit 14 is detected by detecting this shift and reading the coordinates.

第一レーザ光源1からハーフミラー6に達したレーザ光の一部はハーフミラー6を透過し第一CCD4に達し、位置の検出がなされ、受光部14のズレを検出することが出来る。  A part of the laser light reaching the half mirror 6 from the first laser light source 1 passes through the half mirror 6 and reaches the first CCD 4, where the position is detected and the deviation of the light receiving unit 14 can be detected.

第二レーザ光源2からのレーザ光はハーフミラー6を透過し第一CCD4に達し、受光点位置の測定がなされる。第一レーザ光源1からのレーザ光の受光点と第二レーザ光源2からのレーザ光の受光点で決まる線分の長さとハーフミラー6の傾きとから投光部13と受光部14の第一レーザ光の光軸方向の距離を算出することが出来る。  The laser light from the second laser light source 2 passes through the half mirror 6 and reaches the first CCD 4, and the position of the light receiving point is measured. Based on the length of a line segment determined by the light receiving point of the laser light from the first laser light source 1 and the light receiving point of the laser light from the second laser light source 2 and the inclination of the half mirror 6, the first light projecting unit 13 and the first light receiving unit 14. The distance in the optical axis direction of the laser light can be calculated.

また、第一レーザ光源1からのレーザ光受光点と第二レーザ光源2からのレーザ光受光点で決まる線分の傾きから、主光軸まわりの捩じれを測定することが出来る。  Further, the twist about the main optical axis can be measured from the inclination of the line segment determined by the laser light receiving point from the first laser light source 1 and the laser light receiving point from the second laser light source 2.

以上より、2つの剛体の相互位置関係を決定する座標変換に必要かつ十分条件である、X軸まわり、Y軸まわり、Z軸まわりの回転角と座標の平行移動ベクトルの3要素、あわせて6要素が一つの小型センサで全て求まることになる。  As described above, the three elements of the rotation angle around the X axis, the Y axis, and the Z axis and the coordinate translation vector, which are necessary and sufficient conditions for the coordinate transformation for determining the mutual positional relationship between the two rigid bodies, are 6 in total. All the elements are obtained with one small sensor.

本発明の実施形態を示す姿勢認識センサの外観図External view of posture recognition sensor showing embodiment of the present invention 同センサの機能図Functional diagram of the sensor 同センサの関節部実装図Joint mounting diagram of the sensor 本発明の他の実施形態を示す姿勢認識センサの外観図External view of posture recognition sensor showing another embodiment of the present invention 同センサの機能図Functional diagram of the sensor 本発明の他の実施形態を示す姿勢認識センサの外観図External view of posture recognition sensor showing another embodiment of the present invention 同センサの機能図Functional diagram of the sensor 同センサの可動ハーフミラー構造図Structure of movable half mirror of the sensor

符号の説明Explanation of symbols

1 第一レーザ光源
2 第二レーザ光源
3 第二CCD
4 第一CCD
5 スプリッタ
6 ハーフミラー
7 受光部ベースプレート
8 ステップ・モータ
9 可動板
10 レーザ光源
11 レーザ光源
12 レーザ光源
13 投光部
14 受光部
20 受光点
21 剛体
22 剛体
23 関節部
50 演算・制御部
51 CPU
52 レーザ制御回路
53 CCD読み出し回路
54 モータ制御回路
55 ステップ・モータ駆動回路
56 エンコーダ回路
1 1st laser light source 2 2nd laser light source 3 2nd CCD
4 First CCD
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Splitter 6 Half mirror 7 Light-receiving part base plate 8 Step motor 9 Movable plate 10 Laser light source 11 Laser light source 12 Laser light source 13 Emitting part 14 Light-receiving part 20 Light-receiving point 21 Rigid body 22 Rigid body 23 Joint part 50 Calculation / control part 51 CPU
52 Laser control circuit 53 CCD readout circuit 54 Motor control circuit 55 Step motor drive circuit 56 Encoder circuit

Claims (3)

互いに隣接した剛体を連係する関節部を光線の経路とし、一方の剛体に固定された少なくとも3個のレーザ光源などの光線の放射手段を有する投光部と、他方の剛体に固定された平面状のスクリーンを有し光電変換デバイスによる受光点の認識手段を有する受光部とで一組が構成され、それらの複数組が前記関節部を介して連結されるようにした姿勢認識センサであって、前記投光部からの光線が前記受光部と交わり、前記受光部のスクリーン上の複数の受光点の座標を読み出す手段と、座標変換パラメータを取得する手段を備えて構成したことを特徴とする姿勢認識センサ。  A joint portion that links adjacent rigid bodies is a light beam path, a light projecting portion having light emitting means such as at least three laser light sources fixed to one rigid body, and a planar shape fixed to the other rigid body A posture recognition sensor in which one set is configured with a light receiving unit having a screen and a light receiving point recognition means by a photoelectric conversion device, and a plurality of the sets are connected via the joint portion, An attitude characterized by comprising means for reading out the coordinates of a plurality of light receiving points on the screen of the light receiving unit, and means for acquiring coordinate conversion parameters. Recognition sensor. 請求項1において、2個のレーザ光源と1個のビームスプリッタと1個のスクリーンを有する投光部を関節部の一方の剛体に固定し、1個のスクリーンと1個のハーフミラーを有する受光部を関節部の他方に固定して構成される姿勢認識センサであって、投光部の第一レーザ光源の光軸にほぼ垂直になるよう受光部のハーフミラーを配し、該ハーフミラーの後面と平行に第一スクリーンを配した受光部と、前記第一レーザ光源のビーム光を透過しかつ前記ハーフミラーでの反射光を90度程度の方向に曲げるビームスプリッタと該ビームスプリッタからの反射光を受ける第二スクリーンとを配し、更に前記第一スクリーンの面の法線に対し10度から80度の角度を持って前記第一スクリーンに入射する光軸を持つ前記第二レーザ光源とを有する投光部を備え、前記第一スクリーン上の前記第1レーザ光源及び前記第2レーザ光源からのビーム光の受光点位置座標及び第二スクリーン上の第1光源からの受光点位置座標を読み出す手段を備えて、前記3受光点の座標から座標変換パラメータを取得するように構成したことを特徴とする姿勢認識センサ。  2. The light receiving unit according to claim 1, wherein a light projecting unit having two laser light sources, one beam splitter, and one screen is fixed to one rigid body of the joint unit, and includes one screen and one half mirror. Is a posture recognition sensor configured by fixing the part to the other of the joint part, and a half mirror of the light receiving part is arranged so as to be substantially perpendicular to the optical axis of the first laser light source of the light projecting part. A light receiving portion having a first screen arranged in parallel with the rear surface, a beam splitter that transmits the beam light of the first laser light source and bends the reflected light from the half mirror in a direction of about 90 degrees, and the reflection from the beam splitter A second screen for receiving light, and a second laser light source having an optical axis incident on the first screen at an angle of 10 to 80 degrees with respect to the normal of the surface of the first screen; Have And a light receiving point position coordinate of the beam light from the first laser light source and the second laser light source on the first screen and a light receiving point position coordinate from the first light source on the second screen. And a posture recognition sensor, characterized in that a coordinate conversion parameter is obtained from the coordinates of the three light receiving points. 請求項2において、前記姿勢認識センサは、受光部のハーフミラーが電気的制御による可動式の手段を備えたものであって、前記第一レーザ光源からのビーム光が前記ハーフミラーで反射し、スプリッタを経て投光部の前記第二スクリーン上に作る受光点の位置と、可動式の前記ハーフミラーの傾きを検出する手段を備え、3受光点座標及びハーフミラーの傾きから座標変換パラメータを取得するように構成したことを特徴とする姿勢認識センサ。  The posture recognition sensor according to claim 2, wherein the half mirror of the light receiving unit includes movable means by electrical control, and the beam light from the first laser light source is reflected by the half mirror, Equipped with means to detect the position of the light receiving point created on the second screen of the light projecting unit through the splitter and the tilt of the movable half mirror, and obtain coordinate conversion parameters from the coordinates of the three light receiving points and the tilt of the half mirror A posture recognition sensor characterized by being configured to do so.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011257267A (en) * 2010-06-09 2011-12-22 Kawada Industries Inc Imaging plane detection device and working robot with the same
KR102022964B1 (en) * 2018-06-26 2019-09-19 주식회사 노바테크 Apparatus for inspecting the inside of a structure

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