JP2020091157A - 光学式距離計測装置及び移載システム - Google Patents

Abstract

【課題】距離計測誤差を従来よりも抑制する。【解決手段】対象物に向けてレーザパルスを出射する出射部と、レーザパルスの対象物における反射光を受光する受光部と、レーザパルスの出射タイミングと反射光の受光タイミングとの時間差に基づいて対象物までの距離を演算する距離演算部とを備える光学式距離計測装置であって、距離演算部は距離の反射光の光強度に応じた誤差を補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学式距離計測装置及び移載システムに関する。

下記特許文献１には、測定対象物に向けてパルスレーザ光線を出射し、当該パルスレーザ光線の反射光を受光して距離を計測する距離測定装置が開示されている。この距離測定装置は、所謂ＴＯＦ（Time of Flight）方式の光学式距離計測装置であり、パルスレーザ光線の出射タイミングと反射光の受光タイミングとの時間差を測定することにより測定対象物までの距離を計測する。

特開２００７−０７１５９５号公報

ところで、このようなＴＯＦ（Time of Flight）方式の光学式距離計測装置は、測定対象物の光反射率が異なると反射光の強度に差異が発生し、この差異が測定誤差となる。例えば透明な袋に収容された物や鏡面状の蓋を備える瓶等の測定対象物と表面が黒色の測定対象物とでは、光反射率が異なるので、距離測定における誤差が比較的大きくなるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、反射光の強度の差異に基づく距離計測誤差を補正することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、光学式距離計測装置に係る第１の解決手段として、対象物に向けてレーザパルスを出射する出射部と、前記レーザパルスの前記対象物における反射光を受光する受光部と、前記レーザパルスの出射タイミングと前記反射光の受光タイミングとの時間差に基づいて前記対象物までの距離を演算する距離演算部とを備える光学式距離計測装置であって、前記距離演算部は、前記距離の前記反射光の光強度に応じた誤差を補正する、という手段を採用する。

本発明では、光学式距離計測装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記距離演算部は、予め取得した前記距離と前記光強度との関係に基づいて前記反射光の光強度に応じた誤差を補正する、という手段を採用する。

本発明では、光学式距離計測装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記距離演算部は、前記距離の前記環境温度に応じた誤差を補正する、という手段を採用する。

本発明では、光学式距離計測装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、規定の導光長を有する導光路と、前記レーザパルスの出射先を前記対象物と前記導光路とに切換える光路切換手段とを備え、前記距離演算部は、前記導光路を経由した前記レーザパルスの受光タイミングに基づいて前記環境温度に応じた誤差を補正する、という手段を採用する。

本発明では、光学式距離計測装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記受光部は、前記対象物に対して前記レーザパルスを走査状に出射し、前記受光部は、前記対象物の各部位で反射して発生する前記反射光を受光し、前記距離演算部は、前記各部位までの距離を演算する、という手段を採用する。

本発明では、及び移載システムに係る解決手段として、前記対象物を移載する移載機構と、上記第1〜第５のいずれかの解決手段に係る光学式距離計測装置と、当該光学式距離計測装置の計測距離に基づいて前記移載機構を制御する制御装置とを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、距離計測誤差を従来よりも抑制することが可能である。

本発明の一実施形態に係る移載システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る光学式距離計測装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る光学式距離計測装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態における受光誤差の補正データを示す特性図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る移載システムは、図１に示すように三次元レーザセンサ１、計測コンピュータ２、ピッキングシステム制御コンピュータ３、上位制御コンピュータ４、ロボットコントローラ５及びピッキングロボット６を備えている。

このら各構成要素のうち、三次元レーザセンサ１は、本発明における光学式距離計測装置に相当する。また、ピッキングシステム制御コンピュータ３、上位制御コンピュータ４及びロボットコントローラ５は、本発明における制御装置を構成しいている。このような移載システムは、物流倉庫等において所定容器に収容された物品Ｗ（ワーク）をピックアップして他の容器に詰め替えるピッキングシステムである。また、上記物品Ｗ（ワーク）は、例えば三次元形状を有する箱体である。

三次元レーザセンサ１は、所謂ＴＯＦ（Time of Flight）方式の光学式距離計測装置であり、ピッキングロボット６の先端部に装着されている。この三次元レーザセンサ１は、レーザパルスＰを物品Ｗに向けて出射すると共に当該レーザパルスＰの物品Ｗにおける反射光Ｒを受光し、上記レーザパルスＰの出射タイミングと上記反射光Ｒの受光タイミングとの時間差Ｔに基づいて物品Ｗまでの距離Ｄを演算する。なお、この距離Ｄは、本発明における計測距離である。

このような三次元レーザセンサ１は、図２に示すように、信号処理基板１ａ、水平走査ドライバ１ｂ、水平軸ポリゴンミラー１ｃ、垂直走査ドライバ１ｄ、垂直走査モータ１ｅ、垂直走査ミラー１ｆ、パルス電流増幅器１ｇ、レーザダイオード１ｈ、フォトダイオード１ｉ、電圧増幅器１ｊ、計時カウンタ１ｋ及び基準光ファイバ１ｍを備えている。

ここで、三次元レーザセンサ１の各構成要素のうち、信号処理基板１ａ、水平走査ドライバ１ｂ、水平軸ポリゴンミラー１ｃ、垂直走査ドライバ１ｄ、垂直走査モータ１ｅ、垂直走査ミラー１ｆ、パルス電流増幅器１ｇ及びレーザダイオード１ｈは、物品Ｗに向けてレーザパルスＰを出射する出射部を構成している。

また、三次元レーザセンサ１の各構成要素のうち、信号処理基板１ａ、水平走査ドライバ１ｂ、水平軸ポリゴンミラー１ｃ、垂直走査ドライバ１ｄ、垂直走査モータ１ｅ、垂直走査ミラー１ｆ、フォトダイオード１ｉ及び電圧増幅器１ｊは、レーザパルスＰの物品Ｗにおける反射光Ｒを受光する受光部を構成している。

さらに、三次元レーザセンサ１の各構成要素のうち、信号処理基板１ａ及び計時カウンタ１ｋは、レーザパルスＰの出射タイミングと反射光Ｒの受光タイミングとの時間差Ｔに基づいて物品Ｗまでの距離Ｄを演算する距離演算部を構成している。

信号処理基板１ａは、信号処理回路が実装されたプリント回路基板である。この信号処理基板１ａは、水平走査ドライバ１ｂに水平走査制御信号を出力すると共に垂直走査ドライバ１ｄに垂直走査制御信号を出力することにより、水平走査ドライバ１ｂ及び垂直走査ドライバ１ｄを制御する。

また、信号処理基板１ａは、上記レーザパルスＰ（光信号）の元となる送信パルスＳ１（電気信号）をパルス電流増幅器１ｇ及び計時カウンタ１ｋに出力すると共に、上記送信パルスＳ１及び後述する増幅受光信号Ｓ２に基づいて計時カウンタ１ｋから入力される計時信号Ｓ５に基づいて距離Ｄを演算し、当該距離Ｄを計測コンピュータ２に出力する。なお、上記計時信号Ｓ５は、時間差Ｔを示すパルス信号である。

ここで、詳細については後述するが、信号処理基板１ａは、上記距離Ｄの演算処理の一環として、レーザダイオード１ｈにおけるレーザパルスＰの出射タイミングを環境温度に応じて補正する。また、信号処理基板１ａは、上記受光タイミングを補正するための補正データを予め記憶しており、フォトダイオード１ｉにおける反射光Ｒの受光タイミングを反射光Ｒの光強度に応じて補正する。

水平走査ドライバ１ｂは、信号処理基板１ａから入力される水平走査制御信号に基づいて水平軸ポリゴンミラー１ｃを回転駆動する駆動回路である。すなわち、水平走査ドライバ１ｂは、水平走査制御信号に基づいて水平駆動信号を生成して水平軸ポリゴンミラー１ｃに出力する。

水平軸ポリゴンミラー１ｃは、水平駆動信号によって駆動されるモータと、レーザダイオード１ｈから入射するレーザパルスＰの入射方向に直行する向きの回転軸を備える。また、この水平軸ポリゴンミラー１ｃは、互いに直行する４平面から形成されると共に中心に上記回転軸が設けられた鏡面を周面として備える回転鏡である。このような水平軸ポリゴンミラー１ｃは、レーザダイオード１ｈから入射するレーザパルスＰ及び垂直走査ミラー１ｆから入射する反射光Ｒを回転角に応じた方向に反射する。

ここで、水平軸ポリゴンミラー１ｃは、レーザパルスＰの最大水平走査範囲に相当する最大回動角範囲で回動することによりレーザパルスＰを水平方向に走査する。また、水平軸ポリゴンミラー１ｃには上記最大水平走査範囲よりも狭い計測回動角範囲が設定されている。この計測回動角範囲は、物品Ｗに対するレーザパルスＰの水平走査範囲に相当するものである。

垂直走査ドライバ１ｄは、信号処理基板１ａから入力される垂直走査制御信号に基づいて垂直走査モータ１ｅを回転駆動する駆動回路である。すなわち、垂直走査ドライバ１ｄは、垂直走査制御信号に基づいて垂直駆動信号を生成して垂直走査モータ１ｅに出力する。

垂直走査モータ１ｅは、上記垂直駆動信号に基づいて垂直走査ミラー１ｆを揺動させる。垂直走査ミラー１ｆは、回動軸が面一に設けられた平面鏡であり、水平軸ポリゴンミラー１ｃから入射したレーザパルスＰを揺動角に応じた方向に反射すると共に、物品Ｗから入射した反射光Ｒを揺動角に応じた方向に反射する。

このような信号処理基板１ａ、水平走査ドライバ１ｂ、水平軸ポリゴンミラー１ｃ、垂直走査ドライバ１ｄ、垂直走査モータ１ｅ及び垂直走査ミラー１ｆは、レーザダイオード１ｈから入射するレーザパルスＰを水平方向及び垂直方向に走査状に出射する光走査部を構成している。すなわち、この光走査部は、レーザパルスＰを物品Ｗの各所に二次元的（水平方向及び垂直方向）に照射すると共に、上記各所で各々発生する反射光Ｒをフォトダイオード１ｉに向けて出射する。

パルス電流増幅器１ｇは、信号処理基板１ａから入力される送信パルスＳ１を電流増幅してレーザダイオード１ｈに出力する電流増幅回路である。すなわち、このパルス電流増幅器１ｇは、送信パルスＳ１を電流増幅することにより駆動パルスを生成してレーザダイオード１ｈに出力する。レーザダイオード１ｈは、上記駆動パルスをレーザパルスＰに変換する光電変換素子（半導体素子）である。このレーザダイオード１ｈは、レーザパルスＰを水平軸ポリゴンミラー１ｃに向けて出射する。

フォトダイオード１ｉは、水平軸ポリゴンミラー１ｃから入射した反射光Ｒ（光信号）を受光信号（電気信号）に変換する光電変換素子（半導体素子）である。このフォトダイオード１ｉは、受光信号を電圧増幅器１ｊに出力する。電圧増幅器１ｊは、受光信号を電圧増幅する電圧増幅回路である。この電圧増幅器１ｊは、受光信号を電圧増幅した増幅受光信号Ｓ２を計時カウンタ１ｋに出力する。

計時カウンタ１ｋは、信号処理基板１ａから入力される送信パルスＳ１を計時開始信号として、電圧増幅器１ｊから入力される増幅受光信号Ｓ２を計時終了信号とするカウンタ回路である。この計時カウンタ１ｋは、送信パルスＳ１に同期する計時開始パルスＳ３と増幅受光信号Ｓ２に同期する計時終了パルスＳ４とを含む計時信号Ｓ５を信号処理基板１ａに出力する。なお、計時カウンタ１ｋは、増幅受光信号Ｓ２を所定のしきい値と比較することにより二値化することにより計時終了パルスＳ４を生成する。

基準光ファイバ１ｍは、規定の導光長を有する導光路であり、一端（入射端）から水平軸ポリゴンミラー１ｃから入射したレーザパルスＰが入射し、他端（出射端）からレーザパルスＰをフォトダイオード１ｉに向けて出射する。この基準光ファイバ１ｍの一端（入射端）の位置は、上述した水平軸ポリゴンミラー１ｃの計測回動角範囲から外れた位置に位置設定されている。

なお、詳細については後述するが、基準光ファイバ１ｍは、レーザパルスＰの出射タイミングの環境温度に応じた変動の補正に用いる光学部品である。また、上述した水平軸ポリゴンミラー１ｃは、レーザパルスＰの出射先を物品Ｗ（対象物）と上記基準光ファイバ１ｍ（導光路）とに切換える光路切換手段でもある。

このように構成された三次元レーザセンサ１つまり信号処理基板１ａは、三次元レーザセンサ１（ピッキングロボット６の先端部）から物品Ｗまでの距離Ｄを計測コンピュータ２に出力する。計測コンピュータ２は、この距離Ｄに基づいてピッキングロボット６に固有のロボット座標系における物品Ｗの位置を演算して中継装置３に出力する。

ピッキングシステム制御コンピュータ３は、計測コンピュータ２及びロボットコントローラ５と上位制御コンピュータ４との間通信を中継する装置である。このピッキングシステム制御コンピュータ３は、ロボット座標系における物品Ｗの位置を示す物品位置情報を上位制御コンピュータ４及びロボットコントローラ５に送信すると共に、上位制御コンピュータ４から入力されるピッキング作業指令をロボットコントローラ５に送信する。

上位制御コンピュータ４は、ピッキングロボット６が行う物品Ｗのピッキング作業を含めた周辺機器（ベルトコンベア等）を統括的に制御する制御装置であり、上記ピッキング作業指令をロボットコントローラ５に出力する。ロボットコントローラ５は、ピッキング作業指令と三次元レーザレーダ１と計測コンピュータ２から得られた物品位置情報とに基づいてピッキングロボット６にピッキング作業を行わせるためのロボット制御信号、つまりピッキングロボット６の各可動部を制御する制御信号を生成してピッキングロボット６に出力する。

ピッキングロボット６は、先端部に物品Ｗを把持する把持部を備えた多関節ロボットであり、また物品Ｗ（対象物）を移載する移載機構である。このピッキングロボット６は、関節及び把持部が上記可動部であり、各可動部がロボット制御信号に基づいて作動することにより所定容器に収容された物品Ｗを把持して他の容器に詰め替える。

次に、本実施形態に係る移載システムの動作、特に本実施形態に係る三次元レーザセンサ１（光学式距離計測装置）の動作について、図３及び図４を用いて説明する。

最初に移載システムの全体的な動作を説明すると、ピッキングロボット６は、上位制御コンピュータ４からピッキングシステム制御コンピュータに入力されるピッキング作業指令及び三次元レーザセンサ１からピッキングシステム制御コンピュータ３に入力される物品位置情報に基づいてロボットコントローラ５が生成するロボット制御信号に基づいて動作することによりピッキング作業を行う。

このようなピッキング作業では、ピッキングロボット６が物品Ｗを的確に把持することが所定の作業品質や作業効率を確保する上で極めて重要である。そして、この物品Ｗの的確な把持を実現する上で、物品位置情報の精度が極めて重要である。本実施形態に係る三次元レーザセンサ１（光学式距離計測装置）は、レーザパルスＰ及び反射光Ｒを用いたＴＯＦ方式に基づいて物品Ｗまでの距離Ｄを計測するが、この距離Ｄは、計時カウンタ１ｋに入力される送信パルスＳ１及び増幅受光信号Ｓ２に基づいて計測される。

図３は、三次元レーザセンサ１における距離Ｄの計測方法を示すタイミングチャートである。信号処理基板１ａは、計時カウンタ１ｋから計時開始パルスＳ３と計時終了パルスＳ４とを含む計時信号Ｓ５が入力されると、図３の計時信号Ｓ５に示すように、計時開始パルスＳ３の立上タイミングｔ0と計時終了パルスＳ４の立上タイミングｔ1との時間差（計測時間Ｔ）を検出し、この計測時間Ｔに光伝搬速度を乗算することにより距離Ｄを演算する。

ここで、計時開始パルスＳ３の立上タイミングｔ0と物品Ｗに実際に出射されるレーザパルスＰの出射タイミングとの間には、図３のレーザパルスＰに示すように一定の時間差（時間遅延）が存在する。この時間遅延は、レーザダイオード１ｈの環境温度つまり移載システムの周囲温度に起因する距離Ｄの計測誤差（出射誤差ΔＴ_１）である。

また、増幅受光信号Ｓ２の振幅は、図３の増幅受光信号Ｓ２に示すように、物品Ｗの光反射率つまり反射光Ｒの光強度に応じて変化する。すなわち、増幅受光信号Ｓ２のタイミングつまり反射光Ｒの受信タイミングは、物品Ｗの光反射率に起因する距離Ｄの計測誤差（受光誤差ΔＴ_２）となる。

本実施形態に係る三次元レーザセンサ１（光学式距離計測装置）は、このような出射誤差要因及び受光誤差要因を以下のようにして補正する。

すなわち、信号処理基板１ａは、基準光ファイバ１ｍを経由してフォトダイオード１ｉが受光したレーザパルスＰの受光タイミングＴａを示す第１パルスと物品Ｗを介してフォトダイオード１ｉが受光した反射光Ｒの受光タイミングＴｂを示す第２パルスとを計時カウンタ１ｋから取得し、受光タイミングＴａと受光タイミングＴｂとの時間差を出射誤差ΔＴ_１として計測する。

そして、信号処理基板１ａは、計測時間Ｔから出射誤差ΔＴ_１を減算することにより当該出射誤差ΔＴ_１を補正する。より詳細には、計測時間Ｔと、基準温度における基準光ファイバ１ｍを経由した、計測時間Ｔ0との差分に基づき、出射誤差ΔＴ１を推定する。あるいは、距離データとして出力し、基準の距離との比較により出射誤差の影響を推定する。

また、信号処理基板１ａは、予め記憶している補正データを用いることにより受光誤差ΔＴ_２を補正する。この補正データは、図４に示すように反射光Ｒの光強度と距離Ｄとの関係を示す特性Ｑであり、標準光強度Ａ_０に対する反射光Ｒの光強度の偏差に応じて標準光強度Ａ_０に対応する標準距離Ｄ_０に対する補正量を示すものである。

本実施形態に係る三次元レーザセンサ１（光学式距離計測装置）によれば、このようにして出射誤差ΔＴ_１及び受光誤差ΔＴ_２を補正するので、物品Ｗまでの距離Ｄの計測における距離計測誤差を従来よりも抑制することが可能である。したがって、本実施形態に係る移載システムによれば、物品Ｗを従来よりも的確に把持することが可能であり、よってピッキング作業の作業品質や作業効率を従来よりも向上させることが可能である。

また、本実施形態によれば、物品Ｗに対してレーザパルスＰを二次元的に走査して照射し、物品Ｗの各部位の反射光Ｒを受光して物品Ｗまでの距離Ｄを取得するので、例えば物品Ｗの１点にレーザパルスＰを照射する場合に比較して、三次元形状を有する物品Ｗ（箱体）までの距離Ｄを的確に計測することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、三次元レーザセンサ１（光学式距離計測装置）を移載システムに適用したが、本発明はこれに限定されない。本発明に係る光学式距離計測装置は、移載システム以外の様々なシステムに適用することが可能である。また、本発明に係る光学式距離計測装置は単独の計測装置として構成してもよい。

（２）上記実施形態では、移載機構としてピッキングロボット（多関節ロボット）を採用したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、ピッキングロボット（多関節ロボット）以外の機構を移載機構として採用してもよい。

（３）上記実施形態では、出射誤差ΔＴ_１及び受光誤差ΔＴ_２を補正したが、本発明はこれに限定されない。出射誤差ΔＴ_１と受光誤差ΔＴ_２とを比較すると、出射誤差ΔＴ_１は光誤差ΔＴ_２よりも小さいので、場合によっては出射誤差ΔＴ_１の補正を省略してもよい。また、出射誤差ΔＴ_１及び受光誤差ΔＴ_２の具体的な補正方法は上記実施形態に限定されない。

（４）上記実施形態では、反射光Ｒの光強度と距離Ｄとの関係を示す特性Ｑを補正データとして信号処理基板１ａに記憶させたが、本発明はこれに限定されない。例えば、特性Ｑに代えて反射光Ｒの光強度と時間差Ｔとの関係を示す補正データを採用してもよい。

Ｗ 物品（対象物）
Ｐ レーザパルス
Ｒ 反射光
Ｓ１ 送信パルス
Ｓ２ 増幅受光信号
Ｓ３ 計時開始パルス
Ｓ４ 計時終了パルス
Ｓ５ 計時信号
Ｔ 計測時間
ΔＴ_１ 出射誤差
ΔＴ_２ 受光誤差
１ 三次元レーザセンサ（光学式距離計測装置）
１ａ 信号処理基板
１ｂ 水平走査ドライバ
１ｃ 水平軸ポリゴンミラー（光路切換手段）
１ｄ 垂直走査ドライバ
１ｅ 垂直走査モータ
１ｆ 垂直走査ミラー
１ｇ パルス電流増幅器
１ｈ レーザダイオード
１ｉ フォトダイオード
１ｊ 電圧増幅器
１ｋ 計時カウンタ
１ｍ 基準光ファイバ
２ 計測コンピュータ
３ ピッキングシステム制御コンピュータ
４ 上位制御コンピュータ
５ ロボットコントローラ
６ ピッキングロボット（移載機構）

Claims (6)

1. 対象物に向けてレーザパルスを出射する出射部と、前記レーザパルスの前記対象物における反射光を受光する受光部と、前記レーザパルスの出射タイミングと前記反射光の受光タイミングとの時間差に基づいて前記対象物までの距離を演算する距離演算部とを備える光学式距離計測装置であって、
   前記距離演算部は、前記距離の前記反射光の光強度に応じた誤差を補正することを特徴とする光学式距離計測装置。
2. 前記距離演算部は、予め取得した前記距離と前記光強度との関係に基づいて前記反射光の光強度に応じた誤差を補正することを特徴とする請求項１に記載の光学式距離計測装置。
3. 前記距離演算部は、前記距離の前記環境温度に応じた誤差を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の光学式距離計測装置。
4. 規定の導光長を有する導光路と、
   前記レーザパルスの出射先を前記対象物と前記導光路とに切換える光路切換手段とを備え、
   前記距離演算部は、前記導光路を経由した前記レーザパルスの受光タイミングに基づいて前記環境温度に応じた誤差を補正することを特徴とする請求項３に記載の光学式距離計測装置。
5. 前記受光部は、前記対象物に対して前記レーザパルスを走査状に出射し、
   前記受光部は、前記対象物の各部位で反射して発生する前記反射光を受光し、
   前記距離演算部は、前記各部位までの距離を演算することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学式距離計測装置。
6. 前記対象物を移載する移載機構と、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学式距離計測装置と、
   当該光学式距離計測装置の計測距離に基づいて前記移載機構を制御する制御装置と
   を備えることを特徴とする移載システム。

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