JP2641552B2 - 物体の位置検出装置およびロボット制御システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は物体例えば被加工材表面に光を照射した際に
得られる反射像に基づき、物体の位置例えば加工すべき
位置を検出する物体の位置検出装置並びにこのような位
置検出装置を用いたロボツト制御システムに関する。

〔従来の技術〕

従来、光学系を用いた溶接位置検出装置の一般的な構
成例としては次のようなものがあつた。

すなわち、投光手段からの例えばレーザ光をスリツト
状に集光させることにより形成される線状集光光線を、
被溶接部材に斜め上方から照射し、このときの反射光を
ITVカメラなどの受光手段で検出し、得られた画像を解
析することにより、溶接すべき位置を求めるものであつ
た。この装置を溶接ロボツトに適用し、溶接トーチを制
御する場合には、アークを発生させて実際に溶接しなが
ら外部記憶手段に１度記憶された溶接位置の位置情報に
基づきながら倣う方法がある。

なお、この種の装置に関連するものとして特開昭54−
53646があげられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来、受光手段で得られた画像は、本来検出すべき縦
板からの反射像と下板からの反射像で構成される１次反
射像の他に、前記１次反射像がさらに被溶接部材表面に
反射して観測される２次反射像も同時に観測される。２
次反射像の明るさは、検出時の装置の姿勢によつては１
次反射像と同等以上の値となり、画像の解析が複雑とな
り、検出精度の低下をまねいていた。

さらに、従来の方法を用い溶接中の画像を撮像する
と、２次反射像のほかに、溶接中に発生するアーク光が
画面上にノイズとなつて発生する。本来検出すべき１次
反射像にアーク光が外乱となつて現われると、溶接位置
の検出処理が難しくなつていた。

本発明の目的は、物体の位置検出の際に障害となる２
次反射像やアーク光などの不要光を除去して精度の高い
位置検出を行うことのできる物体の位置検出装置並びに
このような位置検出装置を用いたロボツト制御システム
を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、円偏光を物体表面に対し
照射する投光手段と、該円偏光の物体からの反射光を受
光可能な位置に配され、該反射光を入射して撮像する受
光手段とを備えており、該受光手段は、該反射光を入力
して直線偏光に変換する1/4波長板と、該直線偏光に変
換された反射光のうち一次反射光を透過するようその透
過軸を合せた偏光板と、該偏光板を介して得られた反射
光を受光して画像信号に変換する撮像手段と、該画像信
号に基づいて物体の位置を検出する画像処理部を設けて
いる。

〔作用〕

このように構成することにより、円偏光照射光源から
照射された円偏光は、物体表面で反射すると偏光状態が
変化する。つまり、物体表面に１回反射することによつ
て得られる１次反射光と、２回反射することによつて得
られる２次反射光とでは偏光状態が異なる。これら２種
類の反射光を1/4波長板を透過させると、方位角の異な
る２種類の直線偏光となるため、偏光板を介すことによ
り、２次反射像を弱めることができる。また溶接中に発
生するアーク光も軽減できる。

さらに上述した装置によつて得られた画像信号の明る
さの微分を計算し、この微分値が走査線方向で局大とな
る点と次の局小となる点を取り出して位置情報とするこ
とにより、２次反射光、およびアーク光を取り除くこと
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明を具体的な実施例に基づき詳細に説明す
る。なお、以下では、本発明を溶接ロボツトに応用した
例を中心に説明するが、本発明はこの用途に限定される
ものではない。

第１図は、本発明の一実施例を示す図面である。この
実施例は、溶接ロボツトの手首部に加工位置検出装置を
取付けたものである。溶接トーチ１の外周に投光手段２
と受光手段３とが配設されている。投光手段２は、直線
偏光のレーザ光を出射するレーザ光源4,集光レンズ5,シ
リンドリカルレンズ6,1/4波長板７を有している。レー
ザ光源４より出射された光は、集光レンズ５を介してシ
リンドリカルレンズ６でスリツト状に集光した光（スリ
ツト光）８を形成する。1/4波長板７は、このスリツト
光８の偏光面に対して1/4波長板の主軸を45度の方向に
なるように配置されている。このように配置すると円偏
光の光に変換され、この円偏光が縦板９および下板10か
ら成る被溶接物表面のアーク点11に先行した位置に照射
される。図中、線分PQRは、前述の投光手段２によるス
リツト光８によつて被溶接物表面上に生じる光切断線を
表わす。受光手段３は、1/4波長板12,偏光板13,干渉フ
ィルタ14,結像レンズ15,絞り16および２次元撮像素子か
らなる撮像手段とで構成されている。受光手段３は、投
光手段２から出射されたスリツト光８が被溶接物表面に
照射されたことによつて得られる反射光を受光できる位
置に設置されている。1/4波長板12および偏光板13は、
反射光の光軸（第１図に示すＡ）に対して入射面が垂直
となるように配置されており、これにより反射光を受光
できる。円偏光の反射光が1/4波長板12に入射されるこ
とによつて、直線偏光の反射光に変換されて1/4波長板1
2から出射される。このとき、偏光板13は、円偏光の一
次反射光が1/4波長板12を通過することによつて変換さ
れる直線偏光の光の振動方向に対して透過軸が一致する
ように配置されている。この結果、偏光板13からは、後
述するように、偏光状態が異なる２次反射光の大部分が
遮蔽され、主として１次反射光が出射される。この偏光
板13は、入射光のうち、１次反射光のみを透過するよう
に配設されており、この結果、偏光板13からは主として
１次反射光が出射される。この偏光板13を出射した反射
光（１次反射光がほとんど）は、干渉フイルタ14を通
り、所定波長の光成分のみが透過される。干渉フイルタ
14を出射した反射光は結像レンズ15で結像され、絞り16
を介して撮像手段17に入射する。撮像手段17によつて、
反射光は、光電変換され、画像信号が信号線を介して画
像処理部19に入力される。画像処理部19では、後述する
ようなノイズ除去の処理を行うと共に、溶接線の位置を
検出し、出力する。ロボツトコントローラ100は、この
溶接線の位置を用いて、溶接トーチ１の先端から繰出さ
れる溶接ワイヤを溶接線に倣わせるための制御信号を演
算し、出力する。ロボツトアクチユエータ200は、この
制御信号により、溶接トーチを制御する。調光部300
は、コントローラ100からの指令によりレーザ光強度を
調節する。

次に、第２図と第３図を用いて、1/4波長板12と偏光
板13とを用いて、被溶接面を反射した反射光（１次反射
光と２次反射光とその他のノイズ光を含む。）から１次
反射光成分を取出す原理を説明する。

なお、光が被溶接物表面に入射したときの入射光と、
観測方向に反射する反射光を含む面を入射面と呼ぶ。ま
た、この入射面内で振動する光の成分をＰ偏光波、入射
面と垂直に振動する光の成分をＳ偏光波と呼ぶことにす
る。

さて、第２図において、レーザ光源より出射された直
線偏光20は、振動面に対し主軸の方向が45度となるよう
に1/4波長板７を配置しているので、Ｐ偏光波とＳ偏光
波に分かれて伝搬し、1/4波長板７を出射後は両者の光
の間に1/2πの位相差が発生する。両光の振幅は等しい
ため、光の進行方向に直垂な面での光の振動は、右回り
の円形の軌跡を描く（右回り円偏光）。この右回り円偏
光21を被溶接物表面斜め上方から照射する。その際、被
溶接物を構成している縦板９あるいは下板10に１回反射
する１次反射光と、縦板９で反射した光がさらに下板10
で反射あるいは下板10で反射した光がさらに縦板９で反
射する２次反射光を形成する。１次反射光を22,2次反射
光を23で表わす。

一般に、反射により、Ｐ偏光波とＳ偏光波は位相変化
と振幅変化を生じる。これは、入射光21と１次反射光と
の関係において生じ、また１次反射光と２次反射光との
関係においても同様に生じる。このため、一次反射光と
２次反射光とでは、偏光状態が異なる。ρ_ＳをＳ偏光波
の振幅反射率、ρ_ＰをＰ偏光波の振幅反射率、φ_ＳをＳ
偏光波の位相変化、φ_ＰをＰ偏光波の位置変化とし、振
幅反射率の比ｐを、ｐ＝ρ_S/ρ_Ｐとなり、位相差Δを、
Δ＝φ_Ｐ−φ_Ｓと表わすこととすれば、ｐおよびΔは反
射における偏光の変化を表わすパラメータとなる。この
ことは、辻内順平著の「光学概論II」（朝蔵書店発行）
の46頁から51頁に詳しく書かれている。

入射角θ_１に対するこのｐとΔの変化を夫々示してい
るのが第３図である。この図から明らかなように、被溶
接物表面上での反射におけるｐとΔは、入射角θ_１の大
きさにより異なる。入射角θ_１が60゜以下（０゜＜θ_１
≦60゜）の範囲で考えると、反射係数、位相変化は共に
緩やかな変化を示している。この図において、入射角θ
_１≒０゜とすれば、ｐ≒1.0,−Δ≒180゜であり、１次
反射光はＰ偏光波とＳ偏光波の位相差が３π/2となり、
左回りの円偏光となる。２次反射光は、１次反射でπ、
２回目の反射で更にπの位相変化を生じ、Ｐ偏光波とＳ
偏光波の位相差がπ/2となり、右回りの円偏光となる。
入射角θ_１が大きくなると、１次反射光はＰ偏光波とＳ
偏光波の位相差が３π/2以上となり、左まわりの楕円偏
光となる。２次反射光は、右まわりの楕円偏光となる。
しかし、第１図に示したように投光手段２と受光手段３
は溶接トーチ１に配設されており、通常入射角θ_１は60
゜以下となつている。したがつて、実質的に円偏光と考
えて良い。このようにして被溶接物からの反射によつて
得られた反射光22,23は、1/4波長板12を透過させること
によりＰ偏光波とＳ偏光波に1/2πの位相差をおこし、
１次反射像は1/4波長板12の主軸に対して3/4πの方位角
を持つ直線偏光24となる。一方、２次反射像は1/4πの
方位角をもつ直線偏光25となる。この１次反射光24と２
次反射光25の振動面は90度異なるため、偏光板13の透過
軸を１次反射像の振動方向に合わせることにより１次反
射像のみを透過させることができる。

実際には、完全な円偏光ではないので、これら２種類
の反射光22,23を1/4波長板12透過させ直線偏光24,25に
変換すると２種類の直線偏光24,25は完全には直交して
いない。そのため、偏光板13の透過軸を１次反射光の直
線偏光24に平行になるように配置しても１次反射光の直
線偏光、24に加え、２次反射光の直線偏光25もある程度
透過してしまう。

第４図は上記のように構成した受光手段３により得ら
れる画像を示している。この画像は、縦板からの１次反
射像31,下板からの１次反射像32,縦板に反射した光がさ
らに下板に反射する下板からの２次反射像34,下板に反
射した光がさらに縦板に反射する縦板からの２次反射像
36が観測される。第５図は、第４図の画像における走査
線30上の断面光量分布を示している。横軸は走査線30の
abに対応する位置、縦軸は画像の明るさを示している。
この図より、走査線30上の１次反射像31の明るさに比較
して２次反射像36の明るさが小さくなつている。このよ
うに光量が明らかに異なるので、溶接位置検出に障害と
なつている２次反射像を取り除くことは容易である。

第６図に従来の方法によつて観測した画像を示し、第
７図に上記実施例によつて観測した画像を示す。両図と
もねらい角48度、前進角５度で撮像したものである。従
来の方法では、２次反射像が広範囲に現われているのに
比較して、上記実施例によつて観測した画像は、２次反
射像部分が小さくなつている。

このようにして、撮像手段17は、２次反射光等のノイ
ズ分の少ない、言いかえれば主として一次反射光成分の
みの光を受光する。この結果、ノイズ分の少ない画像信
号が得られることになる。

しかし、実際の適用においては、まだかなりのノイズ
が含まれているのも事実である。

そこで、第１図において、画像処理部19は、ノイズ除
去のための処理、例えば微分局大局小値処理を行う。

続いて、この微分局大局小値処理について説明する。

第８図は、第１図に示した画像処理部19における画像
データの流れを示した図である。検出部18により観測さ
れた画像は、A/D変換器38に送られ明るさに比例したア
ナログ画像信号をデイジタル量に変換する。このデイジ
タル画像信号は画像メモリ39に記憶されるとともに、微
分処理部40により微分演算され微分メモリ41に記憶され
る。この微分メモリ41より微分データが演算処理部42に
読み出され、後述するような局大局小演算処理が行なわ
れる。この結果得られる局大局小位置は微分アドレスメ
モリ43に記憶される。この微分アドレスメモリ43に記憶
された情報をもとに溶接位置を検出する。

微分局大局小演算処理によるノイズ除去の手順を、第
９図〜第12図を用いて説明する。第９図は、撮像手段で
得られた画像例を示し、第10図は、第９図の走査線30上
における断面光量分布を示している。第９図から判るよ
うに、前述の如き光学的処理によつて、主として１次反
射光31,32が撮像されるが、この他に明るさの弱い２次
反射光33,34およびアーク光37も撮像される。ここで、
１次反射光31,32は走査線方向abに背景より急激に明る
さを増し、ピークに達したあと急激に明るさが減少す
る。そのため、この画像を走査線方向に微分すると第11
図に示すように、最初正方向にピークを持ち、次に負方
向にピークを持つ。よつてこの正方向のピーク（ｏ）と
負方向のピーク（ｘ）をとらえることにより、１次反射
像を取りだすことができる。その際、明るさの閾値との
距離の閾値とを定める。明るさの閾値は、微分値が０よ
りその閾値以上変化している点のみを対象とするために
用い、距離の閾値は、微分の局大値をとる位置と局小値
をとる位置との距離が大きいもの、つまり１次反射像の
線幅をこえるものは雑音として除去するために用いるも
のである。このようにして求めた正負のピーク位置をプ
ロツトしたのが第12図であり、このように不要光に係る
信号が除去できる。

第13図〜第15図は、第８図に示す如き微分局大局小演
算処理を行うための処理手順を示すフローチヤートであ
る。第13図において、まず、処理F1では、微分メモリよ
り微分値を読み出し、この走査線上ですでに局大点が見
つかつているかどうかを判断する。F1の処理において、
局大点が見つかつている場合、微分値と明るさの閾値と
の比較を行い（処理F2）、閾値をこえている微分値に対
しては局大値処理F3をする。負の明るさの閾値より小さ
いものに対しては局小値処理F4を行う。その他の場合は
処理は行なわない。

局大点が見つかつていない場合、処理F5に進み微分値
と明るさの閾値との比較を行い、負の明るさの閾値より
小さいものに対しては局小値処理F7を、閾値をこえてい
る微分値に対しては局大値処理F6を行う。

１組の局大局小値が見つかつたら、局大値座標と局小
値座標の距離と、距離の閾値との比較を行う（処理F
8）。閾値をこえているものに対しては雑音とみなし、
比較した局大値座標と局小値座標を微分アドレスメモリ
より消去する。この処理を１本の走査線について行なつ
たあと、局大値と局小値の間を１に、その他を０にす
る。局大値処理は第14図に示すような処理であり、局小
値処理は第15図に示す処理である。

局大値処理は、第14図に示すように、微分値が記憶さ
れている値以上の場合、局大値、局大値座標の更新を行
い、更新した局大値座標を微分アドレスメモリに記憶す
る。

局小値処理は第15図に示すように、微分値が記憶され
ている値以下の場合、局小値，局小値座標の更新を行
い、更新した局小値座標を微分アドレスメモリに記憶す
る。以上のような処理を全画面について行う。

このようにして、画像処理部19は、ノイズを除去した
後、この画像信号から溶接すべき位置を演算する。これ
によつて、溶接位置の検出を正確に行うことができ、極
めて信頼性の高い装置を提供することができる。

次に、本発明の他の実施例について説明する。第16図
は、本発明の他の実施例を示すものであり、第１図の場
合と同一部品については同一符号で示してある。

第16図において、50は揺動するモータ、51は該モータ
の軸に固定された全反射ミラーである。また、52は受光
面52a上に結像される光の位置（X,Y）に対応した出力電
圧信号（V_X,V_Y）を得ることのできる２次元位置検出器
である。図示したように、光源４から発せられるレーザ
光は、集光レンズ５で鋭く集光されたレーザビームとな
り、1/4波長板７と全反射ミラー51を介して被加工物9,1
0の表面の照射される。揺動モータ50を作動させること
によつて、レーザビームが被加工物表面を走査する。レ
ーザビームで被加工物表面を走査した際に生ずる反射像
（輝度）の位置を２次元位置検出器で逐次検出すること
によつて、スリツト光を用いた場合と同様の三角測量の
原理で被測定物の特徴点を求めることができる。本発明
装置によると、前述した偏光を利用した検出原理に基づ
き、不必要な２次反射による像を弱めることができるの
で精度の良い検出が可能となる。

第17図は、本発明の他の実施例を示す図であり、第１
図と同一の部品については同一符号で示した。図におい
て、53は受光面53a上に結像される光の位置Ｘに対応し
た出力電圧信号（V_X）を得ることのできる一次元光位置
検出器である。本発明装置は鋭いレーザビームを被測定
物54に照射した際に得られる反射像（輝点）の位置を、
前記一次元光位置検出器53で据え、上述と同様の三角測
量の原理で被測定物54の位置を検出するものである。本
発明によれば、レーザ光の偏光を利用して反射像を検出
しているので、前述したように２次反射像を弱め、所望
とする１次反射像を受光できるため、精度の良い位置検
出が可能となる。

なお、ここでは溶接用視覚センサについての応用例を
説明したが、本発明は円偏光の光を物体に照射した際の
反射光の偏光状態により偏光板を用いて２次反射像を弱
め、さらに画像処理により２次反射を完全に取り除く方
法であり、用途は上記に限定されない。すなわち、一般
的に物体を照明する投光手段を、物体からの反射像を撮
像する撮像手段と、撮像した反射像を画像処理して加工
位置を検出する方法において、照明方法が難しいという
問題があるが、その問題点の１つは、撮像素子に入射す
る反射光は上述のように１次反射光と２次反射光があら
われるために、加工位置の検出が困難になるということ
がある。本発明の方法によるとこの場合でも物体の位置
の検出がしやすくすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、物体から反射される
反射光のうち検出に必要な１次反射光を選択的に撮像手
段に入射させるようにしたので、精度の高い位置検出を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は加工物か
らの反射光から１次反射光成分を透過する原理を説明す
るための図、第３図は入射角に対する振幅反射率の比の
関係と位相差の関係を示す図、第４図と第５図は撮像手
段で撮像後の画像状態を示す図、第６図は従来の方法に
よつて観測した画像例を示す図、第７図は本発明の方法
によつて観測した画像例を示す図、第８図は画像処理部
の画像データの流れを示す図、第９図〜第12図は微分局
大局小によりノイズ除去を説明するための図、第13図〜
第15図は第１図における画像処理部の処理フロー図、第
16図と第17図とは夫々本発明の他の実施例を示す図であ
る。 １……溶接トーチ、２……投光手段、３……受光手段、
４……レーザ光源、７……1/4波長板、12……1/4波長
板、13……偏光板、17……２次元撮像素子、20……照射
光（直線偏光）、21……照射光（右まわり円偏光）、22
……１次反射光（左まわり楕円偏光）、23……２次反射
光（右まわり楕円偏光）、25……１次反射光（直線偏
光）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川崎 恭一 千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号 株式会社日立製作所習志野工場内 (56)参考文献 特開 昭63−65303（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−66952（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−175705（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−182455（ＪＰ，Ｕ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円偏光を物体に対し照射する投光手段と、
   該円偏光の物体からの反射光を受光可能な位置に配さ
   れ、該反射光を入射して画像信号を出力する受光手段と
   を備えており、該画像信号から該物体の特異点の位置を
   検出するものにおいて、該受光手段は、該反射光を入射
   して直線偏光に変換する1/4波長板と、該直線偏光に変
   換された反射光のうち１次反射光を透過するようその透
   過軸を合せた偏光板と、該偏光板を透過した反射光を受
   光して画像信号に変換する撮像手段とを含むことを特徴
   とする物体の位置検出装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の物体位置検出装置におい
   て、前記撮像手段で得られた画像信号を入力し、該画像
   信号から不要光を除去する画像処理演算部を設けたこと
   を特徴とする加工位置検出装置。
3. 【請求項３】レーザ光を発するレーザ光源と、該レーザ
   光を集光する集光レンズと、該集光されたレーザ光をス
   リット光に形成するシリンドリカルレンズと、該スリッ
   ト光を円偏光のスリット光に変換する第１の1/4波長板
   とを含む投光手段を有し、該投光手段を物体表面に照射
   して得られる反射光を受光できる位置に受光手段を配
   し、該受光手段の出力により物体の位置検出を行うもの
   において、該受光手段は、該反射光を入射して直線偏光
   に変換する第２の1/4波長板と、該直線偏光に変換され
   た反射光のうち１次反射光を透過するようにその透過軸
   を合せた偏光板と、該偏光板を透過した反射光を受光し
   て画像信号に変換する撮像手段とを含むことを特徴とす
   る物体の位置検出装置。
4. 【請求項４】請求項３に記載の物体の位置検出装置にお
   いて、前記投光手段と前記受光手段とを、前記物体を加
   工する加工手段に取付けたことを特徴とする物体の位置
   検出装置。
5. 【請求項５】円偏光物体に照射する投光手段と、該円偏
   光による該物体からの反射光を受光可能な位置に配され
   該反射光を入射して直線偏光に変換する1/4波長板と、
   該直線偏光に変換された反射光のうち１次反射光を透過
   するようその透過軸を合せた偏光板と、該偏光板を透過
   した反射光を受光した画像信号に変換する撮像手段とを
   設けたことを特徴とする物体位置検出装置。
6. 【請求項６】請求項５記載の物体の位置検出装置におい
   て、前記撮像手段で得られた画像信号を入力し、該画像
   信号から不要光を除去し、前記被加工物の特異点を抽出
   する画像処理部を設けたことを特徴とする加工位置検出
   装置。
7. 【請求項７】請求項６記載の物体位置検出装置におい
   て、前記特異点から加工すべき位置を判別し、加工手段
   を該加工すべき位置に移動させるロボットコントローラ
   を設けたことを特徴とするロボット制御システム。