JP3263724B2 - ２次元レーザパターンによる形状特徴抽出装置 - Google Patents

２次元レーザパターンによる形状特徴抽出装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、外観検査、形状特徴
抽出、ロボットの軌道生成など３次元計測に用いられる
２次元レーザパターンによる形状特徴抽出装置に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】パターン光を用いた３次元計測には以下
の方法が知られている（三次元画像計測，井口・佐藤
著，昭晃堂）。 スリット光を用いる方法 規則的なパターン（例えば市松格子パターン）を用
いる方法 リングパターンを投影する方法 (a) 回転ミラーを用いてリングパターンを投影する (b) 円錐レンズを用いてリングパターンを投影する (c) レーザビームをリング状に走査し、リングパターン
を投影する (d) ｘ−ｙ走査型ミラーで，リングパターンを投影する
【０００３】＜スポット光やスリット光を用いたセンサ
のロボットへの応用＞スポット光やスリット光を用いた
センサはロボット溶接に応用されている（特開昭59-223
817 号「縁および継目追従用マイクロベクトル制御方
法」や「ロボット溶接におけるセンサシステムの応用
例」, 関野, 溶接学会誌,Vol.60(1991)No.1,pp.74-80)
。このようなロボット溶接においては、センサを用い
て対象形状の特徴に従ってロボットの軌道を生成するシ
ステムが多くある（図２２参照）。
【０００４】図２２において、ロボットアームの先端に
は、ツール１００、スリット光を用いたレンジセンサ１
０１、２次元位置検出回路１０２を備え、自律的にロボ
ットが特徴形状（例えば、Ｌ字やＶ字形状）の溶接線を
抽出して移動する。これらのシステムでは、センサ１０
１に固定された座標系ｃで観察される対象の３次元位置
Ｐｃは、ロボットに固定された座標系ｐにおける対象の
３次元位置Ｐｐに、Ｐｐ＝ＴＰｃ（ここで、変換行列Ｔ
は座標系ｃの原点の位置と傾きで決まる）で変換され
る。
【０００５】＜２次元レーザパターン発生装置＞また、
リングパターンに関しては、従来、図２４に示すよう
に、回転ミラーを用いた２次元レーザパターン発生装置
がある。この装置は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１１、回転ミ
ラー１１２および１１３、レンズ１１４、ＣＣＤ撮像素
子１１５からなり、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１１から射出し
たレーザビームＬＢは、回転ミラー１１２，１１３によ
りθx およびθy の方向に偏向され、図示しない物体に
照射される。物体に照射されたレーザビームＬＢの散乱
反射光は、レンズ１１４を介してＣＣＤ撮像素子１１５
に結像され、物体の形状の観測に供される。ここで、レ
ンズ１１４の光軸１１６は、レーザビームＬＢの照射点
の三角測量のため、レーザビームＬＢの物体への照射方
向とは、一般的に一致しない。
【０００６】図２５は、図２４の装置における２次元レ
ーザビームの走査光軸を説明する図であり、図の
（イ），（ロ）においてｚはレーザビームの光軸方向の
位置を、ｘは回転ミラー１１２の回転θx による偏向の
位置を、ｙは回転ミラー１１３の回転θy による偏向の
位置を示す。ｚ1 は回転ミラー１１２の位置を、ｚ2 は
回転ミラー１１３の位置を、ｚ3 およびｚ4 はレーザビ
ームＬＢの光軸方向のある位置を示している。図の
（ハ）においてａおよびｂは、ｚ3 およびｚ4 の位置に
おけるｘ−ｙ方向のレーザビームのＬＢの偏向パターン
の軌跡を表している。ｚ3の位置では偏向パターン軌跡
ｃは円形であるが、ｚ4 の位置では偏向パターンの軌跡
ｄは楕円形となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
＜スポット光やスリット光を用いたセンサのロボットへ
の応用＞しかしながら、前述のような従来のスポット光
やスリット光を用いたロボットでは、溶接する箇所と軌
道を決定する点として同じ点、またはある固定の長さだ
け離れた点を用いているため、形状の変化に追従でき
ず、図２３に示すように、鋭角に変化する部分を溶接す
ることができない。また、スポット光やスリット光の像
を２次元画像処理で特徴抽出して処理しているため、特
徴抽出がヒューリスティックな画像処理に依存し、画像
処理パラメータを調節する必要があり、時間がかかる、
一画面対応の多量の記憶エリアを必要とするなどの問題
があった。
【０００８】＜２次元レーザパターン発生装置＞従来の
２次元レーザパターン発生装置の場合、次のような問題
点がある。 (1) 図２４の従来装置において、θx-θy 方向の回転ミ
ラー１１２，１１３の位置が一致していないため、偏向
パターンの軌跡を円形にしようとするとき２つの回転ミ
ラーの回転角度の大きさを変えていることから、ある特
定の光軸方向の距離では偏向パターンの軌跡が円形にな
るものの、それ以外の光軸距離では偏向パターンの軌跡
が楕円になる（図２５参照）。このように、距離によっ
てレーザビームで描画されるパターンの相似形状が変化
すると、三角測量の場合には、あたかも対象とする物体
面の光軸に対する傾斜が変化したのと同等に観測され、
計測の誤差を生じる問題があった。
【０００９】(2) また、このような２次元レーザパター
ン発生装置は投影パターンの観測装置とともにロボット
の可動アームの先端などに取り付けられて外観検査や作
業位置制御などに用いられる。このように装置全体が移
動しながら動作すると、機構部が加速度を受け、例えば
図２５における回転ミラー１１２，１１３の支持部材や
可動ミラーなどが励振され、支持部材や可動ミラーなど
の重心と支持点のアンパランスにより外力による意図し
ないミラーの回転や、支持部材の撓みなどによる本来の
回転方向以外のミラーの並進や回転などが発生する。こ
のように機構に振動があると、レーザパターンが変形
し、正確な投射パターンの観測ができなくなり、結果と
して振動が収まるまで観測測定が行えず、作業速度が低
下する問題があった。
【００１０】(3) さらに、偏向機構については、２つの
回転ミラー１１２，１１３によりθxおよびθy の方向
に偏向させる構成をとっており、光学系が大型となり、
小型のロボットのアームに取り付ける場合にはアーム系
の剛性を低下させる問題があった。
【００１１】この発明は、前述のような問題点を解消す
べくなされたもので、その目的は、対象物の形状変化に
容易に追従することができ、パラメータ調節の必要がな
く、少ない記憶エリアで短時間に３次元計測を行うこと
のできる２次元レーザパターンによる形状特徴抽出装置
を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この発明は前記目的を達
成するために、次のような構成とした。即ち、この発明
に係る形状特徴抽出装置は、複数の面から構成される対
象物の形状抽出を行う装置であって、レーザ光を任意の
２次元パターン状に投影する２次元レーザパターン発生
装置と、レーザ発光タイミングと２次元の点検出タイミ
ングの同期をとり、レーザ光の当たった点の３次元位置
を計算し、複数の点の３次元位置で決定される面のパラ
メータを求める３次元位置計算装置と、得られた面のパ
ラメータの状態に応じて投影するパターンを変更するパ
ターン情報生成装置と、複数の平面により決定される稜
・頂点などの特徴をもとに投影対象の形状変化を検出す
るパターン解釈装置から構成する。
【００１３】３次元位置計算装置では、複数の点の３次
元位置から面パラメータを決定し、順次３次元位置が計
算される毎に面パラメータを比較することで構成面の数
を定める。パターン情報生成装置では、３次元位置計算
装置で求まる複数の面パラメータから構成される面のモ
デルに分類し、その結果に応じて投影パターンを変更す
る。
【００１４】ちなみに、２次元レーザパターン発生装置
は、半導体レーザと、この半導体レーザの光レーザビー
ムを平面波ビームに変換する集光レンズと、回転可能に
支持された２つの回転ミラーと、これら回転ミラーの間
に配置された２つのリレーレンズと、前記回転ミラーで
偏向されたレーザビームの光路中に配置されたビームス
プリッタと、このビームスプリッタで分割されたビーム
の偏向位置を検出する光学的位置検出素子とを備え、前
記２つの回転ミラーを前記リレーレンズにより共役結像
関係に配置し、かつ前記光学的位置検出素子によりレー
ザビームの偏向位置を制御するように構成できる。
【００１５】また、２次元レーザパターン発生装置は、
半導体レーザと、この半導体レーザの光レーザビームを
平面波ビームに変換する集光レンズとを備え、この集光
レンズを光軸に直角な方向に位置制御することによりレ
ーザビームの偏向を制御するように構成できる。
【００１６】また、レーザパターン発生装置は、半導体
レーザと、集光レンズと、回転ミラーと、レンズとを備
え、前記半導体レーザからのレーザビームを前記回転ミ
ラーに結像する共役光学系に前記集光レンズを配置し、
かつ回転ミラーを前記レンズの後側焦点位置に配置す
る。なお、各２次元レーザパターン発生装置において、
半導体レーザにはマルチビームレーザを用いる構成とす
ることもできる。
【００１７】
【作用】以上のような形状特徴抽出装置の構成におい
て、レーザ光の当たった対象物の３次元位置から面のパ
ラメータが求められ、面パラメータが変化する点を形状
の特徴点とする。この特徴点の個数をもとに面の状態を
複数のケースに分類する。複数のケース毎にロボットの
位置と姿勢を定める。これにより、対象物の形状の変化
に容易に追従することができ、また溶接線等が面の交線
であることを利用したパラメータ調節のいらない形状抽
出により、記憶エリアを少なくできるとともに、迅速な
３次元計測を行うことができる。
【００１８】ちなみに、２次元レーザパターン発生装置
においては、２つの回転ミラー間に配置した２つのリレ
ーレンズにより共役光学系が構成され、レーザビームで
描画されたパターンの相似形状が距離によって変化しな
いようにすることができる。また、ビームスプリッタと
光位置検出素子によりレーザビームの偏向位置を検出
し、フィードバック制御することにより、ミラーの支持
部材や回転ミラーなどの振動があっても、正確な投射レ
ーザパターンを生成することができる。
【００１９】また、半導体レーザの集光レンズを光軸に
直角な方向に移動させるなどして２次元レーザパターン
発生装置を構成することにより、装置を小型化すること
ができ、ロボットアーム等の剛性の低下を解消すること
ができる。
【００２０】
【実施例】以下、この発明を図示する実施例に基づいて
詳細に説明する。 ＜２次元レーザパターン発生装置＞ 図１は、この発明の実施例に係る２次元レーザパターン
発生装置の構成と、パターンの観測装置を説明する図で
あり、２次元レーザパターン発生装置は、半導体レーザ
１、集光レンズ２、回転ミラー３、リレーレンズ４、リ
レーレンズ５、回転ミラー６、ビームスプリッタ７、Ｐ
ＳＤ（Position Sensing Device）素子８から構成す
る。観測装置は、レンズ９、半導体レーザ１の波長をバ
ンドパス帯域に有する光学フィルター１０、光照射位置
を検出するＰＳＤ撮像素子１１から構成されている。
【００２１】半導体レーザ１および集光レンズ２により
生成された平面波のレーザビームＬＢは、回転ミラー３
によりθx の方向に偏向され、２つのリレーレンズ４，
５を通り、回転ミラー６によりθｙの方向に偏向され
る。ここで、第１のリレーレンズ４は、回転ミラー３よ
りリレーレンズ４の後側焦点距離だけ離れた位置に配置
し、第２のリレーレンズ５はリレーレンズ４より２つの
リレーレンズ４・５の前側焦点距離の和だけ離れた位置
に配置し、回転ミラー６は第２のリレーレンズ５よりリ
レーレンズ５の後側焦点距離だけ離れた位置に配置し、
回転ミラー３の像が回転ミラー６の位置に結像される共
役光学系が構成されるようにする。
【００２２】さらに、回転ミラー６で反射・偏向された
レーザビームＬＢは、ビームスプリッタ７により一部が
分波されてＰＳＤ素子８に入射する。ここで、レーザビ
ームＬＢで描画されたパターンの相似形状は、回転ミラ
ー６から観測位置までの距離によって変化しないので、
ＰＳＤ素子８によりレーザビームＬＢの描画パターンを
監視できる。
【００２３】図示されない物体に照射されたレーザビー
ムＬＢの散乱反射光は、レンズ９によりＰＳＤ撮像素子
１１に結像され、物体の形状の観測に供される。ここ
で、レンズ９の光軸１２は、レーザビームＬＢの照射点
の三角測量のため、レーザビームＬＢの図示されない物
体の照射方向とは一般的には一致しない。また、光学フ
ィルター１０は、レーザビームＬＢの波長帯域のみを透
過することにより、背景光などの雑音の取り込みを少な
くすることができる。
【００２４】図２は、図１の装置における２次元レーザ
ビームの走査光軸を説明する図であり、図の（イ），
（ロ）においてｚはレーザビームの光軸方向の位置を、
ｘは回転ミラー３の回転θx による偏向の位置を、ｙは
回転ミラー６の回転θy による偏向の位置を示す。ｚ1
は回転ミラー３の位置を、ｚ2 はリレーレンズ４の位置
を、ｚ3 はリレーレンズ５の位置を、ｚ4 は回転ミラー
６の位置を、ｚ5 およびｚ6 はレーザビームＬＢの光軸
方向のある位置を示している。図の（ハ）においてａお
よびｂは、ｚ5 およびｚ6 の位置におけるｘ−ｙ方向の
レーザビームのＬＢの偏向パターンの軌跡を表してい
る。ｚ5 およびｚ6 の位置ともに偏向パターンの軌跡
ａ，ｂは円形であり、θx-θy 方向の回転ミラー３と６
とを光学的に共役で一致させたため、光軸距離によって
レーザビームで描画されたパターンの相似形状が変化し
ない。
【００２５】図３に示すのは、２次元レーザパターン発
生装置および観測装置の一部の制御回路の構成を説明す
る図であり、制御信号発生回路２１、レーザ駆動回路２
２、比較回路２３および２４、ミラー駆動回路２５およ
び２６、位置検出回路２７および２８、サンプルホール
ド回路２９および３０からなる。
【００２６】２次元レーザビームの描画パターンは、図
示しない中央制御装置ＣＰＵにより制御信号発生回路２
１へ形状データとして入力され、さらに制御信号発生回
路２１から比較回路２３，２４を介してミラー駆動回路
２５，２６へ回転ミラーの回転角駆動量が入力され、ミ
ラー電流ｉa ，ｉb により回転ミラー３，６を駆動制御
する。ここで、レーザビームＬＢで描画されたパターン
の相似形状を監視するＰＳＤ素子８からの出力は、位置
検出回路２７により回転ミラー３，６の角回転方向成分
に変換され、比較回路２３，２４においてＣＰＵからの
描画形状データと比較され、それらの誤差が抑圧される
ように帰還制御される。これにより、装置全体が加振さ
れて回転ミラーに誤差となる振動が生じてもこれらを補
正することが可能となる。
【００２７】一方、レーザ駆動回路２２は、半導体レー
ザ１の出力を制御するレーザ電流ｉ a を供給する回路で
あり、制御信号発生回路２１により連続点灯あるいは間
欠点灯の制御を行う。このとき、図示されない物体に照
射されたレーザビームＬＢの散乱反射光のレンズ９によ
る結像のＰＳＤ撮像素子１１の出力は、位置検出回路２
８から２方向の座標成分として出力されるが、サンプル
ホールド回路２９，３０により、半導体レーザ１の点滅
時のみのデータが出力される。
【００２８】図４ないし図７は、前記制御回路の動作と
２次元レーザの生成パターンを説明する図であり、図４
においては、ミラー電流ｉa およびｉb は周期Ｔ0 、位
相差Ｔ0/４の正弦波信号で、レーザ電流ｉc を連続点灯
することで、円形パターンのレーザビーム描画パターン
を得ることができる。図５においては、ミラー電流ｉ a
およびｉb は周期Ｔ0 、位相差Ｔ0/４の正弦波信号で、
レーザ電流ｉc を周期Ｔ0/４、停止期間Δｔで間欠点灯
することで、４つの円弧で構成されたレーザビーム描画
パターンを得ることができる。
【００２９】図６においては、ミラー電流ｉa は周期Ｔ
0 の三角波信号、ミラー電流ｉb は周期Ｔ0/２の鋸歯状
波信号で、レーザ電流ｉc を周期Ｔ0/２、停止期間Δｔ
で間欠点灯することで、Ｘ字形のレーザビーム描画パタ
ーンを得ることができる。図７においては、ミラー電流
ｉa およびｉb は周期Ｔ0 、起伏位相の反転した垂直尾
翼形状信号で、レーザ電流ｉc を周期Ｔ0 、停止期間Δ
ｔで間欠点灯することで、逆Ｌ字形のレーザビーム描画
パターンを得ることができる。以上のように、ミラー電
流ｉa およびｉb 、レーザ電流ｉc の制御により、任意
のレーザビーム描画パターンを生成することが可能であ
る。
【００３０】次に、図８、図９に示すのは、集光レンズ
の移動によりレーザビームを偏向させる２次元レーザパ
ターン発生装置の例であり、半導体レーザ３１、集光レ
ンズ３２、支持部３３、支持バネ３４、レンズ治具３
５、可動コイル３６、磁気回路３７からなる。半導体レ
ーザ３１から射出されたレーザビームＬＢは、集光レン
ズ３２で平面波ビームに変換されるが、光軸が半導体レ
ーザ３１の光軸に一致する集光レンズ位置では、射出ビ
ームＬＢａは直進する。集光レンズ３２がδx だけ光軸
に直角に移動すると、射出ビームＬＢｂはレンズ光軸か
らθx だけ偏向する。ここで、集光レンズ３２の焦点距
離をｆとすると、ｔａｎθx ＝δx ÷ｆの関係が成り立
つ。
【００３１】この集光レンズ３２を移動させる機構は、
集光レンズ３２を光軸に直角な２方向に移動させる構造
である。集光レンズ３２はレンズ治具３５により支持さ
れ、このレンズ治具３５を半導体レーザ３１を固定する
支持部３３に対して４本の支持バネ３４ａ〜３４ｄを介
して取り付けることにより２方向に移動自在とされ、ま
た平面波ビームが得られるように配置される。レンズ治
具３５の４辺に接続された可動コイル３６ａ〜３６ｄ
は、固定側の磁気回路３７ａ〜３７ｈによりモータを構
成し、可動コイル３６の電流制御により、集光レンズ３
２を光軸に直角な２方向に駆動できる。
【００３２】ここで、各磁気回路３７は可動コイル３６
をヨークで挟む配置で、コイルに直角な方向に磁束を与
える構造であり、支持部に連結される図示しない保持部
に固定されている。支持バネ３４はワイヤバネであり、
レンズ光軸に直角な撓み変形が可能な構成である。この
実施例では、４本のワイヤバネを用いたが、ボールベア
リング摺動部材を用いて光軸直角方向に自由度を与える
構造を用いてもよい。駆動についても、可動磁石型の電
磁機構や圧電素子の利用が可能である。以上のように、
集光レンズ３２を光軸に直角な方向に駆動する機構構成
は、構造を小型にできる利点がある。
【００３３】図１０，図１１は、１つの回転ミラーの回
動によりレーザビームを偏向させる２次元レーザパター
ン発生装置の例であり、半導体レーザ４１、集光レンズ
４２、回転ミラー４３、レンズ４４、コイル４５、支持
部４６、可動磁石４７、支持針４８、支持バネ４９から
なる。
【００３４】半導体レーザ４１および集光レンズ４２
は、レーザビームＬＢが回転ミラー４３に集光するよう
に配置され、回転ミラー４３からの反射ビームＬＢａ，
ＬＢｂはレンズ４４により平面波ビームに変換するよう
に配置される。すなわち、半導体レーザ４１と回転ミラ
ー４３は共役結像位置に、回転ミラー４３はレンズ４４
の後側焦点位置に配置されているため、レンズ４４透過
後の反射ビームＬＢａ，ＬＢｂは、常に光軸に平行に照
射される。したがって、従来の光軸距離によってレーザ
ビームで描画されたパターンの大きさの変化を防止でき
る利点がある。
【００３５】回転ミラー４３は、図１１に示すように、
中央部が支持針４８、周辺部が支持バネ４９により支持
されて傾動自在とされ、回転ミラー４３の４辺に取り付
けた可動磁石４７と、支持部４６に固定されたコイル４
５とにより構成されるモータにより回転制御される。こ
のモータの構造は図９の実施例と基本的に同じである
が、この場合には可動磁石４７がコイル４５により移動
する。
【００３６】図１２は２本のレーザビームを用いた２次
元レーザパターン発生装置の例であり、半導体レーザ５
１、集光レンズ５２、回転ミラー５３、スクリーン５４
からなる。マルチビームの半導体レーザ５１からのレー
ザビームＬＢ1 ，ＬＢ2 は、集光レンズ５２により平面
波ビームに変換され、回転ミラー５３によりθx-θy方
向に偏向された反射ビームＬＢ1 ，ＬＢ2 に変換され
る。
【００３７】図１２の（ロ）、（ハ）は反射ビームＬＢ
1 ，ＬＢ2 のスクリーン５４上の照射パターンを示して
おり、回転ミラー５３の回転角θx-θy の大きさが異な
る例である。半導体レーザ５１のマルチビームの間隔を
２ｄ、集光レンズ５２の焦点距離をｆ1 、回転ミラー５
３と集光レンズ５２との間隔をｆ1 に設定すると、スク
リーン５４上の反射ビームの軌跡ｉとｊの間隔、反射ビ
ームｋとｌの間隔は、照射パターンによらず２ｘｄだけ
離れている。ここで、回転ミラー５３からスクリーン５
４までの距離をｌとすると、ｘｄ＝ｄ×ｌ÷ｆ1 の関係
が成り立つ。このように、光源にマルチビームの半導体
レーザを用いることにより、相似パターンを同時に一定
間隔離れた位置に生成することができ、光源の点灯制御
と組み合わせて複雑なパターン生成を高速に行うことが
できる。
【００３８】＜パターン光を利用した形状特徴抽出装置
＞ この発明の実施例に係る２次元レーザパターンによる形
状特徴抽出装置は、図１３に示すように、２次元レーザ
パターン発生装置６１、３次元位置計算装置６２、パタ
ーン情報生成装置６３、パターン解釈装置６４から構成
する。
【００３９】２次元レーザパターン発生装置６１は、レ
ーザ光を任意の２次元パターン状に投影する装置であ
り、前述した装置を使用する。
【００４０】３次元位置計算装置６２は、対象物に投影
されたレーザ光（図１のＰＳＤ素子８で観察されるレー
ザ投射方向の（ｘp,ｙp ）でフィードバック制御され
る）を、図１のＰＳＤ撮像素子１１で点（ｘc,ｙc ）と
して検出する。レーザ発生装置のレイアウトから決定で
きる（ｘp,ｙp ）と３次元位置との投影関係、および
（ｘc,ｙc ）と３次元位置との投影関係から、レーザ光
のあたった対象物の３次元位置（Ｖ＝（ｘ，ｙ，ｚ））
を計算する。（ｘc,ｙc ）が検出されない時は、レーザ
光の投影方向に対象物が存在しない時か、反射光が図１
のＰＳＤ撮像素子１１に入力されない時である。
【００４１】さらに、複数の点の計測データからのそれ
らの点が存在する面を計算する。例えば、面が平面の時
は、同一直線上にない３点の３次元位置（Ｖi-2,Ｖi-1,
Ｖi) から、３点の存在する平面のパラメータＰi ＝
（ａ1,ａ2,ａ3 ）（ａ1*ｘ＋ａ 2*ｙ＋ａ3*ｚ＝１）を求
める。点数を多くすることで、面が２次曲面の時なども
求めることができる。
【００４２】図１５，図１６は３次元位置計算の一例を
示したもので、ある計測時点ｔi における３次元位置Ｖ
i に対し、Ｖi を含む複数の３次元位置を用いて新しい
面のパラメータＰi が決定される。パラメータＰi とパ
ラメータＰi-1 が同一ならば、パラメータＰi とパラメ
ータＰi-1 を計算するのに用いられたＶi , Ｖi-1 を含
む点は同じ面上にある。逆にパラメータＰi とパラメー
タＰi-1 が異なれば、Ｖi はＶi-1 を含む他の点と異な
る面上にある。面パラメータが変化する点を形状の特徴
点とし、２次元パターンを構成する点に対する面パラメ
ータを求めて、複数の面から構成される特徴点を決定す
る。
【００４３】パターン解釈装置６４は、３次元位置計算
装置６２で出力される特徴点の個数をもとに面の状態
を、図１７に示すように、（ケース１）複数の面から構
成される凸の頂点に２次元パターンの一部が投影されて
いる、（ケース２）２つの面から構成される辺に２次元
パターン全体が投影されている、（ケース３）３つの面
から構成される頂点に２次元パターン全体が投影されて
いる、（ケース４）複数の面から構成される一つまたは
複数の頂点に２次元パターン全体が投影されている、の
４つに分類する。
【００４４】パターン情報生成装置６３は、３次元位置
計算装置６２とパターン解釈装置６４の結果をもとに投
影パターンを変更する。３次元位置計算装置６２では面
パラメータを求めるのに用いる点は、例えば同一直線上
にない必要がある。３次元位置Ｖi が面パラメータを求
める条件を満たしていない位置にある時、レーザの投影
方向の指令（ｘp,ｙp ）を変更し、条件を満足するよう
にする。パターン解釈装置６４では、解釈結果がケース
４の時、任意性がある。投射するパターンの大きさを小
さくし、ケース４をケース１、ケース２、ケース３のい
ずれかに、または必要な精度で複数の面から構成される
一つの頂点と特定する。
【００４５】パターン解釈装置６４は、さらに複数の面
から構成される辺を追跡するように、工業ロボットを制
御する方法において、図１８，図１９に示すように、
（ケース１）２次元パターンの全体が計測できるよう
に、特徴点の重心を通り、特徴点を含む平面の法線方向
にレーザのｚ軸が一致するように、ロボットの位置と姿
勢を定める、（ケース２）２つの特徴点のうち、進行方
向に対して遠くにある点が近くになるようにロボットの
位置と姿勢を定める、（ケース３）３つの面から構成さ
れる頂点が、次の特徴点になるようにロボットの位置と
姿勢を定める、ことでロボットの移動する軌道を定め
る。
【００４６】
【発明の効果】この発明は以上のような構成からなるの
で、次のような効果を奏する。 ＜パターン光を利用した形状特徴抽出装置＞ (1) ２次元レーザパターン発生装置のレーザをΔｔ0 だ
け発光し、ＰＳＤ撮像素子で２次元位置（ｘc , ｙc )
を計測し、Δｔ1 で３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）を計算
し、Δｔ2 で面パラメータを計算し、Δｔ3 で面パター
ンを計算することにより、１点の計測にΔｔ0 からΔｔ
3 の時間で処理することができ、Ｔ時間の間にＴ／（Δ
ｔ0 ＋Δｔ1 ＋Δｔ2 ＋Δｔ3 ）個の点が計測できる。
さらに、Δｔ＝ max｛Δｔ0,Δｔ1,Δｔ2,Δｔ3 ｝を単
位に、各計算の同期をとることにより、Ｔ時間の間に
（〔Ｔ／Δｔ〕−３）個の点が計測できる（図１４参
照）。
【００４７】(2) ３次元位置の計測に必要な入力データ
格納用記憶エリアは（ｘp , ｙp ) と（ｘc , ｙc ) の
エリアであり、従来の一画面対応の記憶エリアと比較す
るとすくなくてすむ。 (3) 従来の一本のスリット光に基づく軌道生成では、ス
リット光の位置が溶接トーチに近い程正確な位置を計測
できるが、溶接速度が限定される。高速にロボットを動
かすにはできるだけ軌道を先読みすることが望ましい
が、経路の曲率があると生成された軌道のずれが大きく
なる。頂点においてレーザラインが消失すると対処でき
ない（図２０参照）。これに対して、本発明では２次元
のパターン（例えばリングパターン）を辺の真ん中あた
りに投影・計測することで１回の計測で２個の特徴点が
計測される。一方、複数の辺の交差する頂点付近におい
ては、２次元パターンの一部の３次元位置が計測できな
かったり、特徴点の個数が変化したりするが、複数の面
から構成される辺に沿ったロボットの軌道を生成するこ
とができる。
【００４８】(4) 従来の一本のスリット光に基づく軌道
生成では、３つの辺から構成される頂点の位置を測定す
るには、３つの辺のうち２つの辺を含む軌道を計測し、
その軌道を合成する必要があり、特徴抽出による装置は
ロボットの手先に装着してあるため、ロボットの位置制
御誤差によりに計測された２つの軌道とが一致しな
い状況が生じる（図２１参照）。これに対して本発明で
は、リングパターンを投影・計測することで１回の計測
で３個以上の特徴点が計測された時、次回の投影するリ
ングパターンを頂点に近づくように投影することで、同
一のロボット位置・姿勢（同じロボットの位置制御誤
差）で頂点を計測することができる。
【００４９】(5) 対象物にレーザ光を投影し、投影面の
傾きを求めることを利用して、既知の多面体の姿勢や位
置を計測するケースにおいて、計測したい物体にあった
特定パターンを投影することや、計測したい特徴に応じ
てパターンを変更することにより、容易に物体を識別す
ることができる。 (6) おおよその位置に置かれる溶接対象に対して、溶接
の開始点を検出するのはスリット光やスポット光ではで
きないため、別の接触センサを用意する必要があった。
本発明を利用することで、別のセンサを用意したり、開
始軌道を求めるためにロボットを移動することなく開始
点を検出し、軌道を求めることができる。
【００５０】(7) ロボットの手先位置を正確に制御する
には、キャリブレーションと呼ばれる作業で、実際のロ
ボットの３次元の位置と姿勢と制御目標との誤差からロ
ボット機構のパラメータを求める必要がある。実際のロ
ボットの３次元の位置と姿勢を計測するには、機械的な
３次元物差しで位置を計る方法があるが、姿勢を求める
ことができなかった。本発明をロボットの手先に付け、
機械的な３次元物差しに設定された基準対象物を計測す
ることにより、容易に実際のロボットの３次元の位置と
姿勢を計測することができる。
【００５１】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に係る２次元レーザパターン
発生装置とパターン観測装置の構成を示す概略斜視図で
ある。
【図２】図１の装置における２次元レーザビームの走査
光軸を示す線図である。
【図３】図１の２次元レーザパターン発生装置とパター
ン観測装置の一部の制御回路を示す回路図である。
【図４】図３の制御回路の動作と生成パターンの一例を
示す線図である。
【図５】図３の制御回路の動作と生成パターンの一例を
示す線図である。
【図６】図３の制御回路の動作と生成パターンの一例を
示す線図である。
【図７】図３の制御回路の動作と生成パターンの一例を
示す線図である。
【図８】この発明の実施例に係るレンズ移動式の偏向機
構の構成と動作を示す概略図である。
【図９】図８の偏向機構の詳細を示し、（イ）は断面
図、（ロ）は側面図、（ハ）は平面図である。
【図１０】この発明の実施例に係るレンズ回転式の偏向
機構の構成と動作を示す概略図である。
【図１１】図１１の偏向機構の詳細を示し、（イ）は断
面図、（ロ）は側面図、（ハ）は平面図である。
【図１２】この発明の実施例に係る２本のレーザビーム
を用いた２次元レーザパターン発生装置の構成と動作を
示し、（イ）は概略図、（ロ）および（ハ）は生成パタ
ーンの線図である。
【図１３】この発明の実施例に係る２次元レーザパター
ンによる形状特徴抽出装置を示すブロック図である。
【図１４】図１３におけるタイムチャートである。
【図１５】複数の面から構成される特徴の抽出を示す説
明図である（その１）。
【図１６】複数の面から構成される特徴の抽出を示す説
明図である（その２）。
【図１７】複数の面から構成される辺および頂点の特徴
抽出を示す説明図である。
【図１８】辺に沿ったロボット軌道生成アルゴリズムを
示す説明図である（その１）。
【図１９】辺に沿ったロボット軌道生成アルゴリズムを
示す説明図である（その２）。
【図２０】辺に沿ったロボットの軌道生成を従来と本発
明の実施例で比較した概略斜視図である。
【図２１】頂点座標の計測を従来と本発明の実施例で比
較した概略斜視図である。
【図２２】従来のロボットにレンジセンサを付けて溶接
するシステムを示す概略斜視図である。
【図２３】図２２における溶接時の問題点を示す斜視図
である。
【図２４】従来の２次元レーザパターン発生装置とパタ
ーン観測装置を示す概略斜視図である。
【図２５】図２４の装置における２次元レーザビームの
走査光軸を示す線図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ ２ 集光レンズ ３ 回転ミラー ４ リレーレンズ ５ リレーレンズ ６ 回転ミラー ７ ビームスプリッタ ８ ＰＳＤ素子 ９ レンズ １０ 光学フィルター １１ ＰＳＤ撮像素子 １２ 光軸 ２１ 制御信号発生回路 ２２ レーザ駆動回路 ２３，２４ 比較回路 ２５，２６ ミラー駆動回路 ２７，２８ 位置検出回路 ２９，３０ サンプルホールド回路 ３１ 半導体レーザ ３２ 集光レンズ ３３ 支持部 ３４ 支持バネ ３５ レンズ治具 ３６ 可動コイル ３７ 磁気回路 ４１ 半導体レーザ ４２ 集光レンズ ４３ 回転ミラー ４４ レンズ ４５ コイル ４６ 支持部 ４７ 可動磁石 ４８ 支持針 ４９ 支持バネ ５１ 半導体レーザ ５２ 集光レンズ ５３ 回転ミラー ５４ スクリーン ６１ ２次元レーザパターン発生装置 ６２ ３次元位置計算装置 ６３ パターン情報生成装置 ６４ パターン解釈装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−11815（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−271315（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−210805（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−120917（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G02B 26/10 - 26/10 109 G06T 1/00 G06T 7/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の面から構成される対象物の形状抽
    出を行う形状特徴抽出装置であって、レーザ光を任意の
    ２次元パターン状に投影する２次元レーザパターン発生
    装置と、レーザ発光タイミングと２次元の点検出タイミ
    ングの同期をとり、レーザ光の当たった点の３次元位置
    を計算し、複数の点の３次元位置で決定される面のパラ
    メータを求める３次元位置計算装置と、得られた面のパ
    ラメータの状態に応じて投影するパターンを変更するパ
    ターン情報生成装置と、複数の平面により決定される稜
    ・頂点などの特徴をもとに投影対象の形状変化を検出す
    るパターン解釈装置から構成することを特徴とする２次
    元レーザパターンによる形状特徴抽出装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の形状特徴抽出装置にお
    いて、３次元位置計算装置では、複数の点の３次元位置
    から面パラメータを決定し、順次３次元位置が計算され
    る毎に面パラメータを比較することで構成面の数を定め
    ることを特徴とする２次元レーザパターンによる形状特
    徴抽出装置。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の形状特
    徴抽出装置において、パターン情報生成装置では、３次
    元位置計算装置で求まる複数の面パラメータから構成さ
    れる面のモデルに分類し、その結果に応じて投影パター
    ンを変更することを特徴とする２次元レーザパターンに
    よる形状特徴抽出装置。
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