JP2018091696A - レーザセンサ、及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交差する２平面を簡易な操作で計測するレーザセンサを提供する。
【解決手段】レーザセンサ１はセンサケース２と、レーザマーカ３と、レーザマーカ固定具と、シャッターと、サーボモータと、モータ保持部材と、カメラ８と、カメラブラケットとを有している。レーザマーカは、上方のセンサ窓を介して十字ポインタのレーザ光を照射するよう配置されている。シャッターはサーボモータに接続されている。サーボモータでシャッターを駆動することにより、カバー部でセンサ窓を覆う閉位置と、センサ窓を露出させる開位置とを切り換える。カメラは撮像光学系が配設されているレンズ鏡筒が下方のセンサ窓に対向するよう配置されている。レーザマーカによりレーザ光が照射された計測対象を下方のセンサ窓を介してカメラで撮影する。カメラの撮影画像に写し込まれたレーザ光に基づいて、計測対象の２平面２０，３０の位置関係を算出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、交差する２平面の位置情報を計測するレーザセンサ、及びその計測方法に関する。

従来より、２つの平面で構成された計測対象にスリット状のレーザ光を照射して、２平面の角度、交差ライン、ギャップ量を計測することが行われている。例えば、隅肉溶接において、溶接対象の２部材がなす角度や２部材間のギャップ量などにより溶接条件は異なってくる。そのため、自動溶接装置での施工前に溶接対象物のセンシングを行い、適切な溶接条件の選択や継手位置の計測が行われる。例えば、特許文献１に記載されている溶接のための制御装置では、被溶接部材にスリット状光線を照射して撮影し、得られたスリット画像から溶接部の開先位置と溶接電極の先端位置を検出している。また、特許文献２には、一方の板状部材に隅肉溶接される状態に配置された他方の板状部材の開先位置を計測するために、他方の板状部材の開先面を横切るように双方の板状部材にスリット光を照射し、そのスリット光画像に基づいて双方の板状部材の相対的位置関係を算出し、他の板状部材の開先位置を算出する計測方法が記載されている。

特開２００２−３５９３３号公報 特開２００６−２００８９９号公報

しかしながら、上述のスリット光画像に基づいて２平面の相対的位置関係を計測する場合、計測対象とスリット光を照射する手段との位置関係が不明な場合、スリット光が計測対象の２平面をどのような角度で横切っているか不明である。このような場合、２平面の相対的位置関係を算出することができない。そのため、スリット光の照射手段、若しくは計測対象の位置を複数回移動させ、スリット光の照射、計測対象の撮影、撮影画像に基づく計測対象の位置情報の計測を行わなければならないという問題がある。

本発明は、上述のような課題を背景としてなされたものであり、計測対象である２平面との位置関係が不明であっても、２平面の位置関係の計測を可能とするレーザセンサ、及びその計測方法を提供することを目的としている。

本発明に係るレーザセンサは、交差する２平面を計測対象とするレーザセンサであって、交差する２本のスリットレーザ光を出射する照射機構と、カメラと、制御部とを備え、前記制御部は、前記照射機構を駆動し、前記２平面に前記交差する２本のスリットレーザ光を照射し、前記交差する２本のスリットレーザ光が照射された前記計測対象を前記カメラにより撮影し、前記カメラから得られた撮影画像から前記２平面の位置情報と前記２平面の位置関係とを計測するものである。

また、本発明に係る計測方法は、交差する２平面の位置情報及び位置関係を計測する方法であって、交差する２本のスリットレーザ光が照射された状態で撮影された前記２平面の撮影画像から前記レーザ光の画像を抽出するステップと、前記レーザ光の画像から、２本のスリットレーザ光に対応する線分の、前記撮影画像に設定される２次元座標のデータを取得するステップと、前記線分の前記２次元座標のデータを３次元座標のデータに変換するステップと、前記線分の前記３次元座標のデータに基づいて、前記３次元座標において前記２平面を特定するステップと、前記２平面の前記３次元座標のデータに基づいて、前記２平面の位置情報と前記２平面の位置関係とを算出するステップとを含んでいる。

本発明によれば、計測対象である交差する２平面に照射されるレーザ光は交差する２本のレーザ光であり、撮影画像において２平面にはそれぞれ２本のレーザ光が写し込まれることになる。２本の線分を特定することにより、その２本の線分が存在する平面を特定することができる。従って、撮影画像からレーザ光に対応する線分を抽出することにより、２本のレーザ光が存在している平面を特定することができ、３次元座標空間への変換で計測対象の２平面の位置情報と位置関係を求めることが可能となる。すなわち、本発明によれば、レーザセンサと計測対象である２平面との位置関係が不明であっても、２平面の位置情報と位置関係を計測することができる。

本発明の実施の形態に係るレーザセンサの構成図である。 本発明の実施の形態に係るレーザセンサの正面図である。 本発明の実施の形態に係るレーザセンサの機能ブロック図である。 本発明の実施の形態におけるレーザセンサと計測対象との位置関係を示す図である。 レーザ光が照射された状態の計測対象と、その撮影画像とを示す図である。 本発明の実施の形態に係る２面計測の処理手順の前半を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る２面計測の処理手順の後半を示すフローチャートである。 ２平面のギャップ量の算出を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態に係るレーザセンサを溶接ロボットシステムに適用した例を示す図である。

以下、本発明のレーザセンサの好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面における各構成部材の大きさ、形状は、説明のためにわかりやすく表しており、実際の大きさ、形状と異なる場合がある。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザセンサの構成図である。図２は、本発明の実施の形態に係るレーザセンサの正面図である。図１の紙面中、右側がレーザセンサ１の正面、左側がレーザセンサ１の背面である。レーザセンサ１はセンサケース２と、レーザマーカ３と、レーザマーカ固定具４と、シャッター５と、サーボモータ６と、モータ保持部材７と、カメラ８と、カメラブラケット９とを有している。センサケース２は断面形状が五角形の箱形の部材であり、レーザマーカ３、レーザマーカ固定具４、サーボモータ６、モータ保持部材７、カメラ８、及びカメラブラケット９はセンサケース２の内部に収容されている。シャッター５は、センサケース２の正面の外周面上に配置されている。センサケース２の正面には円形のセンサ窓２Ａ（第１の開口部）及びセンサ窓２Ｂ（第２の開口部）が形成されている。センサ窓２Ａ及びセンサ窓２Ｂは、図１及び図２の上下方向に沿って並んで形成されており、それぞれ透明部材が配設されている。センサケース２には不図示のケースカバーが取り付けられ、上述の各部材が保護される。

レーザマーカ３は、交差する２本のスリットレーザ光で構成される十字ポインタのレーザ光を出射するクロスレーザであり、レーザマーカ固定具４により、センサケース２の内部において、センサケース２の上面に沿うよう固定されている。レーザマーカ３は、センサ窓２Ａを介してレーザ光を照射するよう配置されている。

シャッター５は薄板状の部材であり、図２に示されるように、カバー部５１、カバー部５２、及びカバー部５１と５２とを連結する連結部５３を有している。シャッター５は、連結部５３に配設されているねじ部材により、センサケース２の正面に沿って回動可能に、センサケース２の正面に取り付けられている。シャッター５の裏面、すなわちセンサケース２と対向している面には、シリコン系の材料若しくはフェルト状の材料から成るシール部材（不図示）が配設されている。サーボモータ６はセンサ窓２Ａと２Ｂとの間において、モータ保持部材７により固定されている。シャッター５はサーボモータ６に接続されている。サーボモータ６でシャッター５を駆動することにより、カバー部５１でセンサ窓２Ａを覆い、かつカバー部５２でセンサ窓２Ｂを覆う閉位置と、図２に示されるようにセンサ窓２Ａ及び２Ｂを露出させる開位置とを切り換えることができる。カバー部５１及び５２の大きさは、シャッター５が閉位置に位置づけられているとき、センサケース２の正面からはみ出すことがなく且つセンサ窓２Ａ及び２Ｂの全体を覆うことができるよう、また、シャッター５が開位置に位置づけられているとき、クロスレーザ光とカメラの視野が遮られる事のないよう、設定されている。

カメラ８は、センサケース２の内部において、センサケース２の下面に、カメラブラケット９により固定されている。カメラ８は、撮像光学系（図示せず）が配設されているレンズ鏡筒８１がセンサ窓２Ｂに対向するよう配置されている。すなわち、カメラ８は、センサ窓２Ｂを介して撮影するよう配置されている。

図３は、本発明の実施の形態に係るレーザセンサの機能ブロック図である。制御部１００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、Ｉ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）ポート等を備えたマイクロコンピュータを有しており、レーザセンサ１を全体的に制御する。制御部１００からシャッター５を上述の閉位置若しくは開位置に切り換える制御信号がサーボモータ６に出力されると、サーボモータ６が駆動される。サーボモータ６の駆動力がシャッター５に伝達され、シャッター５が回動する。制御部１００からレーザマーカ３に駆動信号が出力されると、レーザマーカ３から十字ポインタのレーザ光が出射される。制御部１００からカメラ８に撮影を指令する制御信号が出力されると、カメラ８により後述する計測対象の撮影が実行される。カメラ８により撮影された画像は制御部１００に入力され、後述する計測処理が制御部１００において実行される。制御部１００によるレーザマーカ３への駆動信号の出力及びカメラ８への制御信号の出力は、シャッター５を開位置に位置づけた状態で行われる。

図４は、本発明の実施の形態におけるレーザセンサと計測対象との位置関係を示す図である。カメラ８の撮像光学系の光軸ＯＰとレーザマーカ３から出射される十字ポイントのレーザ光ＬＳの中心軸ＡＸが交差するよう、センサケース２内におけるカメラ８及びレーザマーカ３の姿勢は定められている。そして、カメラ８の光軸ＯＰとレーザマーカ３のレーザ光ＬＳの中心軸ＡＸが計測対象のいずれかの位置で交差するよう、レーザセンサ１は配置される。本実施の形態では、計測対象においてカメラ８の光軸ＯＰとレーザマーカ３のレーザ光ＬＳの中心軸ＡＸとが交差する位置を基準位置とする。図４に示す例では、交差する２平面である平面２０と平面３０が計測対象であり、光軸ＯＰとレーザ光ＬＳの中心軸ＡＸは平面２０上で交差するよう、レーザセンサ１は配置されている。すなわち、平面２０上に基準位置が設定されている。

尚、カメラ８の光軸ＯＰとレーザマーカ３のレーザ光ＬＳの中心軸ＡＸとがなす角度を大きく設定するほど、後述する計測の精度を上げることができる。一方、当該角度を大きく設定するほど、レーザセンサ１の全体の装置サイズが大きくなる。従って、レーザセンサ１の用途に応じて計測精度と装置サイズとを比較考慮し、カメラの光軸ＯＰとレーザ光ＬＳの中心軸ＡＸとがなす角度が設定されることが望ましい。

さらに、レーザ光ＬＳの十字のラインが、カメラ８の光軸ＯＰとレーザマーカ３の照射口とを結ぶ線Ｑと、光軸ＯＰとで定義される平面に対し４５度回転させた状態となるよう、レーザマーカ３の姿勢は定められている。これにより、レーザ光ＬＳの十字を構成する２本のライン上の３次元位置が得られる。ただし、予め較正を行い、カメラ８により撮影された画像の画素に対応するレーザ光ＬＳの３次元座標を計算できるようにしておく。

ここで、本実施の形態における計測処理の概略を説明する。図５は、レーザ光が照射された状態の計測対象と、その撮影画像とを示す図である。図５（ａ）は撮影画像を示し、図（ｂ）はレーザ光が照射された状態の計測対象を示している。計測対象は、交差する平面２０と平面３０である。図５（ｂ）中、線分Ｌ１〜Ｌ４はレーザマーカ３から照射された十字ポインタのレーザ光である。レーザマーカ３からレーザ光が照射された状態で、平面２０、３０をカメラ８で撮影すると、図５（ａ）に示す撮影画像が得られる。撮影画像には、４本の線分ＬＡ＿１、ＬＡ＿２、ＬＢ＿１、及びＬＢ＿２が写し込まれる。線分ＬＡ＿１は線分Ｌ１に対応し、線分ＬＡ＿２は線分Ｌ２に対応し、線分ＬＢ＿１は線分Ｌ３に対応し、線分ＬＢ＿２は線分Ｌ４に対応している。線分ＬＡ＿１、ＬＡ＿２、ＬＢ＿１、及びＬＢ＿２のデータは、撮像画像をレーザ光の強度が検出できるようなグレースケール変換をした上で、そのグレースケール画像を構成する画素の中からピークとなる画素を特定し、それらの画素が形成している群から、ハフ変換や最小二乗法を用いて求められる。

４本の線分は隣り合う２本で１つの面を形成している可能性がある。そこで、２次元の画像上の線分ＬＡ＿１、ＬＡ＿２、ＬＢ＿１、及びＬＢ＿２から３次元上の線分に変換計算した上で、同一平面であるかどうかを判定することにより、２つの平面２０、３０が求められる。そして、平面２０及び３０のそれぞれの法線ベクトルの角度から平面２０、３０のなす角度、及び交差する三次元上の直線が算出される。

次に、４本の線分ＬＡ＿１、ＬＡ＿２、ＬＢ＿１、及びＬＢ＿２のそれぞれについて、同一方向の２本の線分のうちの一方の線分側（ＬＡ＿１であればＬＡ＿２、ＬＢ＿２であればＬＢ＿１）に近い端点と、その線分が属さない平面との位置関係がチェックされる。カメラ８から見て、直線の端点が、その直線が存在していない平面より手前に位置している場合、２つの平面の交差とレーザ光の十字の交点とのギャップとなる。従って、線分ＬＡ＿１、ＬＡ＿２、ＬＢ＿１、及びＬＢ＿２のそれぞれについてチェックした上述の位置関係に基づいて、平面２０と平面３０とのギャップが算出される。

図６は、本発明の実施の形態に係る２面計測の処理手順の前半を示すフローチャートである。図７は、本発明の実施の形態に係る２面計測の処理手順の後半を示すフローチャートである。図５を参照しながら、本実施の形態に係る２面計測の処理について説明する。センサケース２内でレーザマーカ３及びカメラ８の姿勢が上述のように定められているレーザセンサ１を図５に示す計測対象に位置づける。そして、サーボモータ６を駆動し、シャッター５を回動して図２に示す開位置に位置づけた後、ステップＳ１が実行される。ステップＳ１では、制御部１００からカメラ８に制御信号が出力され、カメラ８により計測対象が撮影される。本実施の形態では、計測対象の撮影は２回実行される。１回目はレーザマーカ３を停止した状態で撮影処理が実行され、２回目はレーザマーカ３を駆動した状態で撮影処理が実行される。すなわち、ステップＳ１の処理により、レーザ光が照射されていない計測対象の画像と、図５に示されるレーザ光が照射されている計測対象の画像が得られる。

ステップＳ２では、ステップＳ１で取得された画像からレーザ光の画像のみを抽出し、グレースケール変換する処理が実行される。本実施の形態では、レーザ光が照射されていない計測対象の撮影画像の各画素の輝度情報とレーザ光が照射されている計測対象の撮影画像の各画素の輝度情報との差分を演算することにより、レーザ光の画像が抽出される。そして、このレーザ光の画像に対しグレースケール変換処理を行う。

ステップＳ３において、線分を構成していると思われる画素を検出する。輝度が所定の閾値よりも高い画素を検出する。次いで、その画素を開始点とし、カメラ８により取得された画像に設定される２次元座標における４５度の方向（第１の方向）及び１３５度の方向（第２の方向）へ画素の検索を行い、所定の閾値より高い輝度を有する画素が連続する範囲を検出する。そして、その範囲の幅を算出する。次いで、ステップＳ４において、この幅が所定の設置値内にある場合のみ、その連続する範囲において輝度のピークとなる複数の画素を線分候補となる点群とし、その位置情報を保存する。この４５度方向への走査及び１３５度方向への走査を、開始点を変えながら全ての画素について実行する。

ステップＳ５において、４５度方向への検索で抽出した点群と、１３５度方向への検索で抽出した点群とが交差している画素群を交点候補の点群として抽出し、その位置情報を保存する。ステップＳ４で用いられる設定値は、画像に写し込まれているレーザ光の幅に基づいて設定されている。すなわち、２本のレーザ光が交差する領域は、設定値よりも大きい幅を有することになる。そのため、ステップＳ３の４５度方向への検索及び１３５度方向への検索では、２本のレーザ光が交差する領域に相当する画素群は抽出されない。そこで、ステップＳ５において、ステップＳ４の処理では所定の設定値以上と判断される画素群も交点候補として抽出する。そして、交点候補として抽出された点群を交差点群として作成し、２次元座標におけるその位置情報を保存する処理が実行される。

ステップＳ６において、ステップＳ４及びステップＳ５で保存した位置情報をハフ変換し、線分を検出する。ステップＳ６の処理により、４５度方向への検索で得られた画素群、及び１３５方向への検索で得られた画素群に対応する複数の線分が検出される。

次いで、ステップＳ７において、４５度方向への検索で得られた画素群の位置情報に基づいて検出された複数の線分を、ステップＳ４で算出した幅と交差する長さでソートし、長い方の上位２本を特定し、それぞれの２次元座標のデータを取得する。この上位２本の線分は、図５においてＬＡ＿１、ＬＡ＿２で示されている。同様に、１３５度方向への検索で得られた画素群の位置情報に基づいて検出された複数の線分を、ステップＳ４で算出した幅と交差する長さでソートし、長い方の上位２本を特定し、それぞれの２次元座標のデータを取得する。この上位２本の線分は、図５においてＬＢ＿１、ＬＢ＿２で示されている。このように、ステップＳ７では４本の線分が特定される。

ステップＳ８で、線分ＬＡ＿１、ＬＡ＿２、ＬＢ＿１、ＬＢ＿２のそれぞれの交点を計算する。すなわち、線分ＬＡ＿１と線分ＬＢ＿１の交点、線分ＬＡ＿１とＬＢ＿２との交点、線分ＬＡ＿２と線分ＬＢ＿１の交点、線分ＬＡ＿２と線分ＬＢ＿２の交点を検出し、その２次元座標のデータを取得する。図５に示す例では、線分ＬＡ＿１と線分ＬＢ＿１が交差しており、この交点Ｐ０の２次元座標のデータが計算される。

次いで、図７のステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、線分ＬＡ＿１、ＬＡ＿２、ＬＢ＿１、ＬＢ＿２の２次元座標のデータ、及びステップＳ８で取得した交点の２次元座標のデータを、レーザセンサ１に設定される３次元座標へ変換する処理を行う。この２次元座標から３次元座標への変換は、予め較正しておいた変換式に基づいて実行される。そして、得られた３次元座標から平面２０及び平面３０を特定する。図５に示す例では、線分ＬＡ＿１と線分ＬＢ＿１が交差しており、平面２０上に存在している。また、交差していない残りの線分ＬＡ＿２と線分ＬＢ＿２は、平面３０上に存在している。従って、線分ＬＡ＿１、線分ＬＢ＿１、及びこれらの交点の３次元座標から平面２０が特定される。また、線分ＬＡ＿２と線分ＬＢ＿２の３次元座標から平面３０が特定される。

ステップＳ１０では、特定された２つの平面２０及び平面３０の３次元座標から、平面２０と平面３０が成す角度、及び平面２０と平面３０が交差している直線の３次元座標のデータが算出される。

さらに、ステップＳ１１において、平面２０と平面３０のギャップ量が算出される。図８は、２平面のギャップ量の算出を説明するための模式図である。図８（ａ）に示すように、４５度方向への検索で検出されたデータに基づいて抽出された線分ＬＡ＿２及び線分ＬＡ＿１の相手線分に近い側の端点は、線分ＬＡ＿２であれば線分ＬＡ＿１に近い側で端点ＰＡ、線分ＬＡ＿１であれば線分ＬＡ＿２に近い側で端点ＰＢである。また、１３５度方向への検索で検出されたデータに基づいて抽出された線分ＬＢ＿２及び線分ＬＢ＿１の相手側に近い側の端点は、線分ＬＢ＿２であれば線分ＬＢ＿１に近い側で端点ＰＣ、線分ＬＢ＿１であれば線分ＬＢ＿２に近い側で端点ＰＤである。端点ＰＡと端点ＰＢのどちらが手前に位置しているか、また、端点ＰＣと端点ＰＤのどちらが手前に位置しているか、チェックする。レーザマーカ３の照射口とこれらの端点とを結ぶ直線に、相手平面との交点がない方を手前点として識別する。ここで、相手平面とは、各線分にとって、その線分が存在していない側の平面を意味する。線分ＬＡ＿１及び線分ＬＢ＿１は平面２０に存在しているので、これらの線分の相手平面は平面３０である。また、線分ＬＡ＿２及び線分ＬＢ＿２は平面３０に存在しているので、これらの線分の相手平面は平面２０である。

図８（ａ）に示す例では、４５度方向への検索で検出されたデータに基づいて抽出した線分については端点ＰＢが手前点として識別され、１３５度方向への検索で検出されたデータに基づいて抽出した線分については端点ＰＤが手前点として識別される。さらに、図８（ｂ）に示されるように、端点ＰＢに最も近い平面３０上の点をＰＥ、端点ＰＤに最も近い平面３０の点をＰＦとすると、端点ＰＢと端点ＰＥとの距離、端点ＰＤと端点ＰＦとの距離が、平面２０と平面３０のギャップ量となる。

尚、同一角度で検索して得られたデータから検出した線分の間にノイズの画素群が存在する場合がある。この場合は、平面２０と平面３０との間に異物が存在する可能性があるため、ギャップ量は０とする。

本実施の形態では、図６のステップＳ１〜Ｓ２において、レーザ光を照射していない状態で撮影した画像とレーザ光を照射した状態で撮影した画像の輝度情報の差分を抽出することにより、レーザ光画像を抽出しているが、これに限るものではない。レーザ光を照射した状態で撮影したカラー画像の各画素の色成分をＲＧＢからＨＳＶへ変換する処理を行い、レーザ光の色成分を抽出してもよい。また、カメラ８のレンズ鏡筒８１の前にレーザ光の波長を含む狭帯域の光成分のみを透過させるバンドパスフィルタを配設しておき、レーザ光の色成分のみが撮影画像に写し込まれるよう構成し撮像したグレースケール画像を使用してもよい。

また、本実施の形態では、ステップＳ８で線分ＬＡ＿１、ＬＡ＿２、ＬＢ＿１、ＬＢ＿２のそれぞれの交点を計算し、ステップＳ９で３次元座標への変換処理が行われるがこれに限るものではない。ステップＳ７で特定された４本の線分のいずれの組み合わせでも交差しておらず、交点が求められない場合は、各線分の２次元座標データを３次元座標へ変換処理した後、４本の線分の組み合わせをチェックし、同一平面に存在している線分の組み合わせを特定すればよい。

図９は、本発明の実施の形態に係るレーザセンサを溶接ロボットシステムに適用した例を示す図である。レーザセンサ１は、溶接ロボットシステムのツール先端において溶接トーチ２００の近傍に固定されている。図９中、Ｓ座標系はレーザセンサ１に設定される３次元座標系、Ｔ座標系は溶接トーチ２００の先端に設定され溶接ロボットシステムの位置及び姿勢の制御に用いられる３次元座標系、Ｒｔ座標系は溶接ロボットのツールフレームに固定された座標系である。Ｒ座標系は、溶接ロボットシステムの全体座標である３次元座標系である。このような溶接ロボットシステムにおいては、図７のステップＳ９において、２次元座標のデータをＳ座標系へ変換し、さらにＴ座標系に変換し、計測対象である２平面の計測を行う事で、撮像時のツール座標系であるＴ座標系の情報から、溶接ロボットシステムの全体座標系であるＲ座標系への変換が可能となる。

以上のように、本実施の形態によれば、レーザセンサ１から十字ポイントのレーザ光が計測対象の２平面に照射される。そのため、２平面のそれぞれに２本のレーザ光が照射される、レーザ光が照射されている状態で撮影される画像には、各平面にそれぞれ２本のレーザ光が写し込まれることになる。平面は２本の線分により特定できる。従って、レーザ光を１回照射すれば、撮影画像に基づいて、平面２０、３０の成す角度、交差する直線、ギャップ量を計測することができる。すなわち、レーザセンサ１と計測対象の平面２０、３０との相対的位置関係が不明であっても、従来のスリットセンサを用いた計測のように照射角度を変えながら複数回、レーザ光を照射する必要がない。従って、計測時間を短縮することができる。

本実施の形態では、センサケース２の正面にシャッター５が取り付けられており、上述の計測処理を行わないときは、シャッター５によりセンサ窓２Ａ及びセンサ窓２Ｂが覆われている。従って、センサ窓２Ａ及びセンサ窓２Ｂにゴミ等が付着することが防止されるため、レーザ光を良好な状態で照射することができると共に、カメラ８による撮影される画像にノイズが写し込まれることを防止することができる。特に、図９に示すように、レーザセンサ１を溶接ロボットシステムに適用する場合、溶接施工時に発生するスパッタや溶接ヒュームによりセンサ窓２Ａ及びセンサ窓２Ｂがダメージを受けることが防止される。

また、シャッター５は薄板状の部材であり、センサケース２の正面に沿って回動するよう取り付けられている。従って、上述の開位置及び閉位置のいずれの位置に位置づけられた状態においても、レーザセンサ１全体のサイズをコンパクトな状態に維持することができる。例えば、溶接施工において、狭隘部の計測をする場合等に、シャッター５が計測対象に接触することが防止され、計測を妨害することが回避される。

また、シャッター５の裏面には、シリコン系の材料やフェルト状の材料から成るシール部材が取り付けられており、センサケース２との間に間隙が生じるのを防止することができる。従って、シャッター５が閉位置に位置づけられているとき、センサ窓２Ａ及びセンサ窓２Ｂをより効果的に保護することができる。

変形例．
ここで、実施の形態の変形例について説明する。十字ポイントのレーザ光を照射する代わりに、２本のスリットレーザ光を照射してもよい。センサケース２内にスリットレーザ光を出射する第１のスリットレーザと第２のスリットレーザとを配設する。そして、それぞれのレーザから出射されるスリットレーザ光が、上述の計測対象における基準位置（カメラ８の光軸ＯＰとレーザマーカ３のレーザ光ＬＳの中心軸ＡＸとが交差する位置）で交差するよう、第１及び第２のスリットレーザの姿勢を定める。若しくは、スリットレーザ光を出射するレーザは１つとし、スリットレーザ光を回転させる機構を設け、スリット方向を９０度回転させて２回撮影してもよい。

１ レーザセンサ、２ センサケース、２Ａ センサ窓、２Ｂ センサ窓、３ レーザマーカ、４ レーザマーカ固定具、５ シャッター、６ サーボモータ、７ モータ保持部材、８ カメラ、９ カメラブラケット、２０ 平面、３０ 平面、５１ カバー部、５２ カバー部、５３ 連結部、８１ レンズ鏡筒、１００ 制御部、２００ 溶接トーチ、ＡＸ 中心軸、Ｌ１ 線分、Ｌ２ 線分、Ｌ３ 線分、Ｌ４ 線分、ＬＡ＿１ 線分、ＬＡ＿２ 線分、ＬＢ＿１ 線分、ＬＢ＿２ 線分、ＬＳ レーザ光、ＯＰ 光軸、Ｐ０ 交点、ＰＡ 端点、ＰＢ 端点、ＰＣ 端点、ＰＤ 端点、ＰＥ 端点、ＰＦ 端点。

本発明に係るレーザセンサは、交差する２平面を計測対象とするレーザセンサであって、交差する２本のスリットレーザ光を出射する照射機構と、カメラと、制御部とを備え、前記制御部は、前記照射機構を駆動し、前記２平面に前記交差する２本のスリットレーザ光を照射し、前記交差する２本のスリットレーザ光が照射された前記計測対象を前記カメラにより撮影し、前記カメラから得られた撮影画像から前記２本のスリットレーザ光の画像を抽出し、抽出された前記画像の画素の中から、輝度が所定の閾値よりも高い画素を検出し、当該画素を開始点とし、前記撮影画像に設定される２次元座標における第１の方向、及び前記第１の方向と直交する第２の方向へ走査を実行し、輝度が所定の閾値より高い画素が連続する範囲の幅を算出し、前記幅が所定の設定値以内であった場合に、前記連続する範囲において輝度がピークとなる複数の画素を線分の候補となる点群として抽出した後に、前記点群を前記２本のスリットレーザ光に対応する線分として特定し、前記線分の前記２次元座標のデータを取得し、前記線分の前記２次元座標のデータを３次元座標のデータに変換し、前記線分の前記３次元座標のデータに基づいて、前記３次元座標において前記２平面を特定し、前記２平面の前記３次元座標のデータに基づいて、前記２平面の位置情報と前記２平面の位置関係とを計測するものである。

また、本発明に係る計測方法は、交差する２平面の位置情報及び位置関係を計測する方法であって、交差する２本のスリットレーザ光が照射された状態で撮影された前記２平面の撮影画像から前記２本のスリットレーザ光の画像を抽出するステップと、前記２本のスリットレーザ光の画像から、前記２本のスリットレーザ光に対応する線分の、前記撮影画像に設定される２次元座標のデータを取得するステップと、前記２本のスリットレーザ光の画像の画素の中から、輝度が所定の閾値よりも高い画素を検出し、当該画素を開始点とし、前記２次元座標における第１の方向、及び前記第１の方向と直交する第２の方向へ走査を実行し、輝度が所定の閾値より高い画素が連続する範囲の幅を算出するステップと、前記幅が所定の設定値以内であった場合に、前記連続する範囲において輝度がピークとなる複数の画素を線分の候補となる点群として抽出した後に、前記点群を前記２本のスリットレーザ光に対応する線分として特定し、前記線分の前記２次元座標のデータを取得するステップと、前記線分の前記２次元座標のデータを３次元座標のデータに変換するステップと、前記線分の前記３次元座標のデータに基づいて、前記３次元座標において前記２平面を特定するステップと、前記２平面の前記３次元座標のデータに基づいて、前記２平面の位置情報と前記２平面の位置関係とを算出するステップとを含んでいる。

Claims (11)

1. 交差する２平面を計測対象とするレーザセンサであって、
   交差する２本のスリットレーザ光を出射する照射機構と、
   カメラと、
   制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記照射機構を駆動し、前記２平面に前記交差する２本のスリットレーザ光を照射し、
   前記交差する２本のスリットレーザ光が照射された前記計測対象を前記カメラにより撮影し、
   前記カメラから得られた撮影画像から前記２平面の位置情報と前記２平面の位置関係とを計測するレーザセンサ。
2. 前記照射機構は、十字ポイントのレーザ光を出射するクロスレーザである請求項１に記載のレーザセンサ。
3. 前記照射機構は、スリットレーザ光を出射する第１のスリットレーザと、スリットレーザ光を出射する第２のスリットレーザとを有し、
   前記第１のスリットレーザから出射されるスリットレーザ光と前記第２のスリットレーザから出射されるスリットレーザ光とが、前記計測対象において交差するよう、前記第１のスリットレーザ及び前記第２のスリットレーザは構成されている請求項１に記載のレーザセンサ。
4. 前記制御部は、
   前記撮影画像から前記２本のスリットレーザ光の画像を抽出し、
   抽出された前記画像から、前記２本のスリットレーザ光に対応する線分の、前記撮影画像に設定される２次元座標のデータを取得し、
   前記線分の前記２次元座標のデータを３次元座標のデータに変換し、
   前記線分の前記３次元座標のデータに基づいて、前記３次元座標において前記２平面を特定し、
   前記２平面の前記３次元座標のデータに基づいて、前記２平面の成す角度と、前記２平面が交差している直線と、前記２平面のギャップとを算出する請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザセンサ。
5. 前記制御部は、
   前記撮影画像をグレースケール変換した画素の中から、輝度が所定の閾値よりも高い画素を検出し、当該画素を開始点とし、前記２次元座標における第１の方向、及び前記第１の方向と直交する第２の方向へ走査を実行し、輝度が所定の閾値より高い画素が連続する範囲の幅を算出し、
   前記幅が所定の設定値以内であった場合に、前記連続する範囲において輝度がピークとなる複数の画素を線分の候補となる点群として抽出した後に、前記点群を前記線分として特定する請求項４に記載のレーザセンサ。
6. 前記制御部は、
   前記第１の方向への走査により得られた複数の前記線分を前記幅と交差する長さでソートし、該長さが上位２本である第１の線分と第２の線分を抽出し、
   前記第２の方向への走査により得られた複数の前記線分を前記幅と交差する長さでソートし、該長さが上位２本である第３の線分と第４の線分を抽出し、
   前記第１の線分と、前記第２の線分と、前記第３の線分と、前記第４の線分とのそれぞれの交点を求める請求項５に記載のレーザセンサ。
7. 前記制御部は、
   前記第１の線分、前記第２の線分、前記第３の線分、前記第４の線分、及び前記交点の前記２次元座標のデータを前記３次元座標のデータに変換し、
   前記第１の線分、前記第２の線分、前記第３の線分、及び前記第４の線分のうち、前記交点で交差している２本の線分に基づいて、前記２平面の一方の面を特定し、
   前記第１の線分、前記第２の線分、前記第３の線分、及び前記第４の線分のうち、交差していない残りの２本の線分に基づいて、前記２平面の他方の面を特定する請求項６に記載のレーザセンサ。
8. さらに、センサケースを備え、
   前記クロスレーザと前記カメラは前記センサケースに収納されており、
   前記センサケースにおいて、
   前記クロスレーザは、前記センサケースに形成された第１の開口部を介して前記レーザ光を照射するよう配置され、
   前記カメラは、前記センサケースにおいて前記第１の開口部が形成されている面に形成されている第２の開口部を介して前記計測対象を撮影するよう配置されており、
   前記センサケースには、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を露出させる開位置と前記第１の開口部及び前記第２の開口部を覆う閉位置に切り換えられるシャッターが設けられている請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザセンサ。
9. 前記シャッターは、前記面に沿って前記開位置と前記閉位置との間で回動するよう前記面に取り付けられている板状部材である請求項８に記載のレーザセンサ。
10. 前記シャッターにおいて前記面と対向する面にシール部材が設けられている請求項９に記載のレーザセンサ。
11. 交差する２平面の位置情報及び位置関係を計測する方法であって、
    交差する２本のスリットレーザ光が照射された状態で撮影された前記２平面の撮影画像から前記レーザ光の画像を抽出するステップと、
    前記レーザ光の画像から、２本のスリットレーザ光に対応する線分の、前記撮影画像に設定される２次元座標のデータを取得するステップと、
    前記線分の前記２次元座標のデータを３次元座標のデータに変換するステップと、
    前記線分の前記３次元座標のデータに基づいて、前記３次元座標において前記２平面を特定するステップと、
    前記２平面の前記３次元座標のデータに基づいて、前記２平面の位置情報と前記２平面の位置関係とを算出するステップとを含んでいる計測方法。

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