JP5002268B2 - 防護域の監視装置 - Google Patents

Description

本発明は防護域を光学的な方法で監視するための装置に関する。

このような装置は、例えば危険領域の保安に利用される。

防護域の監視装置の一例が特許文献１に開示されている。この装置は、位置分解能を有する受光器、受信光を前記受光器に収束させる結像光学系、及び、前記防護域のうち前記結像光学系とは反対側に配置された少なくとも一つの反射器を備えている。更にこの装置は、前記防護域の外部及び／又は前記防護域のうち前記反射器とは反対側に配置された光源、物体が存在しない状態で前記受光器により撮影された前記防護域の画像を保存するための記憶装置、及び、実際に撮影された画像と前記記憶装置に保存された画像とを比較する比較装置を含んでいる。また、実際に撮影された画像と前記記憶装置に保存された画像との間の偏差が所定量以上になった場合に信号を発する信号出力装置が備えられている。

しかし、この装置には根本的な欠点がある。すなわち、上記公知の装置では、防護域の広さが受光器の手前の結像光学系と同じ広さしかない。そこで得られる防護域は、例えば打ち型式曲げ機の上部工具の下にあるような、比較的幅の狭い危険領域の保安に適している。防護域がもっと広い場合は結像光学系を大型化する必要があるが、それには多大なコストがかかる。防護域を広くするために、上記公知の装置を複数並べることも考えられるが、費用の節約という観点からは意味を成さない。

また、特許文献２には、危険領域の保安装置、特に自動機械の危険領域の保安装置が開示されている。この装置は、光学的に監視される仮想的な柵を作り出すための第１の手段、及び、前記柵が破られた場合に機械を停止するためのスイッチ信号を発生させるための第２の手段を有している。第１の手段は、撮像ユニットと、該撮像ユニットによりその画像が撮影される所定の標的とを備えている。また第２の手段は、撮影された画像と、参照用画像の特徴量とを比較する比較ユニットを備えている。

この装置には三角形の防護域しか実現できないという欠点がある。長方形の防護域を形成するには前記公知の装置を２つ、対向配置しなければならない。従って、撮像ユニットと、それに欠かせない電圧供給手段を、防護域の両側に設ける必要がある。
DE 101 14 784 A1 DE 199 38 639 A1

本発明は、位置分解能を有する受光器、及び、受信光を前記受光器に収束させる結像光学系を備える防護域の監視装置を改良するために成されたものである。

上記課題は本願請求項１に記載の装置によって解決される。すなわち、本発明に係る防護域の監視装置は、位置分解能を有する受光器、受信光を前記受光器に収束させる結像光学系、前記受光器に対向する少なくとも１つのマーク、及び、前記マークを照明する少なくとも１つの発光器を備えており、前記マーク、発光器及び受光器の間に防護域が形成されている。更にこの装置は、物体が存在しない状態で前記受光器により撮影された前記防護域の画像を保存するための記憶装置、実際に撮影された画像と前記記憶装置に保存された画像とを比較する比較装置、及び、実際に撮影された画像と前記記憶装置に保存された画像との間の偏差が所定量以上になった場合に信号を発する信号出力装置を備えている。前記マークには複数の模様要素があり、各模様要素はマーク毎に１箇所だけに存在する。複数の発光器が互いに間隔を空けて一列に、前記マークに平行に並んでいる。そして、発光器の列の全長はマークの長さに概ね等しくなっている。

防護域の一方の側には、受光器や発光器など、装置の能動的な構成要素が配置され、他方の側には、模様要素付きマークなど、受動的な構成要素が配置されている。従って、電圧供給手段は装置の一方側だけに設ければよい。長方形の防護域を形成するには、前記マーク１つと、前記受光器の側に配置された複数の安価な発光器がありさえすればよい。

複数の発光器を使用することで、非常に広い防護域を形成することも可能である。防護域の大きさは、マークの大きさ並びに発光器の数及び間隔により決まる。防護域の解像度は、受光器の解像度、長さあたりの発光器の数、及び、マークの模様要素の数により決まる。マークは細長いストライプ状とすることができる。複数の発光器はマークの向かい側に、マークの長さ方向に沿って配置する。

前記異なる模様要素は、それぞれマーク毎に１箇所だけに配置されている。これにより、防護域の特定領域を一意に分類し、分析すべき領域を一意に識別することができる。このようにすると、マークの不正操作が難しくなる。防護域に侵入した物体により模様要素が隠されると、それが一意に識別され、発光器との関係からその位置を定めることができる。

複数の発光器により複数の模様要素を略平行な光線で照明することによって、略長方形の防護域を形成し、該防護域において照明されたマークを、位置分解能を有する受光器により観察し、撮影された画像を比較装置により評価することができる。マークの隠蔽部分は位置分解能を有する受光器により検出され、信号が出力される。

マークの各模様要素は、その形状を異なるものとすることが有利である。このようにすると、複数の光源でマーク上の異なる模様要素が照明される。受光器は異なる模様要素を有するマーク全体を撮影する。従って、認識防護域の各領域が、模様要素の異なる形状により識別される。

本発明の発展形態では、前記模様要素が、検出すべき捕捉対象物の最小の大きさよりも小さい。このようにすると、捕捉すべき最小の対象物が確実に認識されるようになる。模様要素の１つが必ず物体により完全に隠蔽されるようになる。いずれかの模様要素が完全に隠蔽されたところで初めて信号が出力される。このようにすれば、例えば汚れにより誤ってスイッチが切り替わることがなくなる。

発光器を順次制御して個々にパルス光を発生させる発光制御部を設けると有利である。このようにすると、常に発光器のいずれか１個だけが短時間点灯する。ある模様要素が物体の影に隠れるのは、いつも特定の１個の光源が点灯したときである。別の光源による光の照射は起きない。こうして、模様要素の隠蔽を特定の光源と正確に対応させることができる。

発光器は、そこから発する円錐状の光の広がりを制限するためのアパーチャを備えるものが有利である。このようにすると、円錐状の光をその広がり方向に制限し、例えば防護域の周縁部に存在することがある鏡状の面による迂回反射効果を避けることができる。発せられる棒状の光線は広がりが小さいので、マークの方へ導かれることはない。

更なる発展形態では、各発光器がマーク上の特定の模様要素に割り当てられている。このようにすると、防護域における物体の位置も検出可能になる。物体に光線を当てている発光器と、物体の影に隠れた模様要素とを特定することができるからである。

迂回反射効果を避けるために、受光器はマークの周囲には限られた視領域しか持っていない。このため、受光器からは防護域の周縁部にある鏡状の面が見えず、妨害要因や誤りの原因となり得る像が受光器に捕捉されるおそれがない。

模様要素の学習手段を設けると有利である。これにより、模様要素付きマークを粗めに調整して、学習手段により記憶させることができる。この方法により、手間のかかる調整作業を避けられる。これにより、装置が早く、簡単に立ち上がるようになる。また、模様要素の位置ずれや不正操作を認識して、エラーや警告を報知することも可能となる。

更に、前記受光器は色を感知できるものが有利である。このようにすると、様々な波長の光、ひいてはマークの様々な色を評価できる。これにより、装置が外乱光に強くなり、異なる模様要素を一層細かく区別できるようになる。

コスト的に有利であり、場所を取らない形で装置を設置するためには、前記受光器、結像光学系、記憶装置、比較装置及び発光器を、共通のケーシング内に、マークの長さ方向に平行に収納する。このようにすると、ケーシングを有する監視装置と、それに付随して一定の距離に置かれるマークを、簡単に、手早く設置することができる。これにより、装置を稼働させるまでの所要時間を最小化することができる。

安全性を一層高めるために、受光器を複数設けてもよい。各受光器は異なるマークに割り当てることができる。このようにすると、防護域に存在する物体が２つの受光器によって光学的に別々に、同じように認識及び評価されるようになる。

本発明の発展形態では、前記防護域のうち、前記マーク上への投影が少なくとも２つの受光器の視野の中に入るような領域を監視の対象外とすることができる。これは、例えば、防護域内に持ち込まれる機械部品である。そのためには、少なくとも２つの受光器がマーク全体を観察することができ、且つ、各受光器が監視の対象外とされた領域をそれぞれ異なる側から観察するように、それらの受光器を配置する。これにより、監視の対象外とされた領域は、２つの受光器とマークとの間の様々な位置にばらばらに存在することができる。

一又は複数の前記受光器は、前記発光器の間に配置すると有利である。このようにすると、防護域を長方形に維持したまま受光器をマークから最短距離に配置するという、最適な構成が得られる。

前記模様要素はコントラストの高い明領域と暗領域を備えるものとすることができる。このようにすると、受光器により極めて容易に模様要素を捕捉し、撮影することができる。更に、様々な周囲光や外乱光が存在する場合でも、模様要素を容易に見分けることができる。

前記比較装置は、前記模様要素の明領域と暗領域の間のコントラストを監視できる構成にすると有利である。このようにすると、マークの汚れの悪化やコントラストの変化を監視して、所定の汚れ度合いに達したらそれに応じた信号を出力することができる。

更なる発展形態では、周囲光と前記発光器の光線とを十分に分離するために、前記受光器の前に光学フィルタが配置される。このようにすると、外乱光の受信感度が低下し、装置利用の自由度が高まる。

前記発光器の発光面は、捕捉すべき物体よりも小さくすると有利である。このようにすると、単一の発光器だけで物体の周囲まで照明することはできなくなる。その上、光源から広い放射角で光線を射出しても、物体を一意に見つけ出すことができる。

前記位置分解能を有する受光器の特定の評価領域を、前記マーク上の特定の模様要素に割り当ててもよい。従って、基本的には、位置分解能を有する受光器の上で、該当する評価領域だけを評価すればよい。このようにすれば、位置分解能を有する受光器の評価時間を短縮することができることは明らかである。

前記発光器は発光ダイオードで構成することができる。発光ダイオードはコスト的に非常に有利であるとともに、多種多様な形に鋳造して使用することができる。例えば、光線を所望の方向に導入するために、発光ダイオードの一部をあらかじめ光学系に組み込んでおく。このようにすると、アパーチャや絞りを追加する必要がなくなる。発光ダイオードはまた、非常に簡単に、コストをかけずに機械で表面実装し、加工することができる。また、発光ダイオードを使えば、使用する波長に関する様々な条件を満たすことができる。ある好ましい実施形態では、赤外光を発する発光ダイオードが用いられる。

個々の発光器により順次照明される一連の模様要素についての情報は、記憶装置に保存されている。これにより、受光器による模様要素の撮影像や、撮影された隠蔽部分や影を、記憶装置に保存された模様要素とを比較して、両者に差異がある場合には信号出力装置により信号を発生させることができる。

比較装置は、順次照明される一連の模様要素を監視するための手段を備えている。このようにすると、順次照明される一連の模様要素の変化を発見して、信号を出力することができる。順次照明される一連の模様要素を監視することにより、装置の自己検査を行うことができる。発光器、受光器及びマークといった個々の部品について、それが存在するか、そしてその機能に欠陥がないかを調べることができる。このような自己検査を実行することにより、装置の安全性が高まる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施形態に基づいて詳しく説明する。図１は本発明に係る装置の概略図、図２は模様要素を有するマークの概略図、図３は、暗くなった領域を有する、本発明に係る装置の概略図である。

図１は、防護域１０を監視するための、本発明に係る装置１の概略図である。この装置１では、発光器１２〜１２''、位置分解能を有する受光器（以下、位置分解型受光器）２、集光光学系（レンズ）４、記憶装置１４、比較装置１６及び信号出力装置１８が共通のケーシング３６．１に収納されている。ケーシング３６．１から発光器１２の発光側の方向には、マーク８がケーシング３６．１から距離をおいて対向配置されている。このマーク８の高さはケーシング３６．１の高さと同じである。

図２は異なる模様要素２２を有するマーク８を示す。模様要素２２は高いコントラストを有する様々な明領域と暗領域で構成されている。模様要素２２には様々な形状があり、それぞれマーク８において１箇所にだけ出現するように連続的に配置されている。マーク８の長さは模様要素２２の数及び大きさに応じて異なる。このようにすると、防護域の様々な高さに合わせてマーク８を製造又は調整することができる。模様要素２２の大きさは、所望の解像度に応じて変わる。模様要素２２は最小の検出対象物２６よりも小さく構成されている。

図１に示したように、発光器１２はマーク８の方向に光線を射出する。これら発光器１２はマーク８に平行であり、従ってそれぞれマーク８上の模様要素２２に割り当てられている。光線はアパーチャ又は絞りにより円錐状の光にすることができる。このようにすると、模様要素２２を含む非常に狭い領域だけが光源により照明される。従って、防護域１０の外側にある鏡状の面に発光器１２の光線が当たることはない。鏡状の面からの光はマーク８には届かない。発光器１２の光線は互いに略平行である。

発光器１２はパルス光が１個ずつ発生するように制御される。このパルス光はマーク８を照明し、位置分解型受光器２により受光される。パルス光を射出することで、例えば溶接の火花や周囲の照明光などの外光に強い装置となる。発光器２の順次制御により、所定の時点においては常に発光器１２が１個だけ駆動される。このようにすると、複数の発光器１２の光線が相互に重なり合わなくなるという利点がある。

発光器１２から射出された光線はマーク８に当たり、受光器２により検出される。位置分解型受光器２の前には集光レンズ４が配置されている。位置分解型受光器２の例としてはＣＣＤやＣＭＯＳが挙げられるが、その他の技術を応用した位置分解型受光器２も利用可能である。集光レンズ４と位置分解型受光器２は、マーク８を囲む周縁領域も含めて、マーク８が完全に捕捉されるように構成されている。マーク８を囲む周縁領域まで捕捉するようにすれば、マーク８を位置分解型受光器２の視野に入るように粗調整しさえすればよく、手間のかかる調整作業をせずに装置を稼働させることができる。捕捉領域をマーク８の周縁部までに限定したため、マーク８により反射された光線が防護域１０の外側にある鏡状の面を経て位置分解型受光器２に達する恐れはない。

位置分解型受光器２、集光レンズ４及び発光器１２などの光学部品を共通のケーシング３６．１に収納したため、装置の調整は非常に簡単である。このようにすると、ケーシング３６．１をマーク８に対して調整するだけでよい。ケーシング３６．１内における個々の部品の調整は装置の製造時に行う。

防護域１０を監視するための物体認識は、図１に、異なる位置にある３つの物体２６、２６'、２６''で示したように、様々な方法で行うことができる。

物体２６'は受光器２の視野の一領域３２'を隠蔽している。更に、発光器１２'と物体２６'により影３０'がマーク８上に投射されている。隠蔽された領域３２'と影３０'は位置分解型受光器２により撮影され、評価される。

物体２６はマーク８上の別の領域３２を隠蔽している。更に、レンズ４の隣にある発光器１２と物体２６とによって別の影３０がマーク８上に投射されている。この影３０は隠蔽領域３２と部分的に重なっている。領域３２と影３０もまた、位置分解型受光器２により撮影され、評価される。

物体２６''は防護領域１０の下部に位置している。この位置は受光器２の視野の範囲外であるので、マーク８上には影３０''だけが投射され、隠蔽領域は存在しない。しかし、それでも影３０''は位置分解型受光器２の捕捉領域に入っている。そのため、この場合も物体２６''を認識し、それに応じて信号を発生させることができる。この信号を利用して、機械の危険な動きを適宜制御することができる。

個々の、あるいは複数の模様要素は、図２に示したように、防護域にある物体２６により隠蔽されるか、その上に影が投射される。検出すべき最小の物体２６は、１個の模様要素２２をちょうど隠してしまう大きさである。模様要素２２の大きさにより装置の解像度が決まる。解像度は検出すべき物体２６に合わせることができる。解像度を変えるには、それに合わせて模様要素２２の大きさを決めればよい。

図１の装置の始動時に、マーク８の画像が記憶装置１４に保存される。加えて、この模様要素２２を学習手段により学習することができる。これは手動で実行してもよいし、自動的に実行させてもよい。これによりすべての模様要素が記憶される。比較装置１６により、記憶された模様要素と実際に捕捉された模様要素とを比較することができる。その比較結果に応じて、信号出力装置１８が信号を出力することができる。

位置分解型受光器２は色を感知できる構成とすることができる。このようにすると、色を使って構成されたマーク８を捕捉して評価することができる。単にマーク８とその周囲とを区別するだけでもよい。

図３に、複数の位置分解型受光器２及び２'並びにレンズ４及び４'を備える実施形態を示す。既に説明した部品に対応する部品には同じ符号を付している。この実施形態の配置では、防護域１０の内側の一領域３４を暗くすることができる。このようにすると、信号を発生させることなく、機械で防護域１０の中へ材料を入れることができる。第１の位置分解型受光器２は発光器１２の間及びケーシング３６．１と３６．３の間に取り付けられている。更に、第２の位置分解型受光器２'も取り付けられている。２つの受光器２及び２'はマーク８の全体を観察することができる。暗くなった領域は符号４０の方向に移動させることができる。更に、この移動の際に防護域１０全体を監視することができる。図１を参照しながら説明したように、物体２６及び２６'が捕捉される。

図１に記載した装置と異なり、位置分解型受光器２及び２'の出力を評価するための構成要素と、発光器１２を制御するための発光制御部２４は、１つのケーシング３９の中に配置されている。この構成は、発光器１２を有する複数のケーシング３６．１及び３６．３並びに位置分解型受光器２を有する複数のケーシング３６．２及び３６．４を使用しながらも、記憶装置１４、比較装置１６、信号出力装置１８、発光制御部２４及び学習手段をそれぞれ１つしか必要としないという点で有利である。マーク８は、発光器１２と位置分解型受光器２及び２'とを有するケーシング３６．１〜３６．４に対して配置される。

本発明に係る装置の概略図。 模様要素を有するマークの概略図。 暗くなった領域を有する、本発明に係る装置の概略図。

符号の説明

１…防護域の監視装置
２、２'…位置分解能を有する受光器（位置分解型受光器）
４、４'…集光光学系（レンズ）
６…受信光
８…マーク
１０…防護域
１２、１２'、１２''…発光器
１４…記憶装置
１６…比較装置
１８…信号出力装置
２０…信号
２２…模様要素
２４…発光制御部
２６、２６'、２６''…物体
２８…学習手段
３０、３０'、３０''…影
３２、３２'…隠蔽領域
３４…暗くなった領域
３６．１、３６．２、３６．３、３６．４…ケーシング
３８…射出光
３９…ケーシング
４０…方向

Claims (18)

1. 少なくとも１つの、位置分解能を有する受光器と、
   受信光を前記受光器に収束させる結像光学系と、
   前記受光器に対向する少なくとも１つのマークと、
   前記マークを照明する少なくとも１つの発光器と
   を備え、
   前記マーク、該発光器、及び前記受光器の間に防護域が形成され、かつ、
   物体が存在しない状態で前記受光器により撮影された前記防護域の画像を保存するための記憶装置と、
   実際に撮影された画像と前記記憶装置に保存された画像とを比較する比較装置と、
   実際に撮影された画像と前記記憶装置に保存された画像との間の偏差が所定量以上になった場合に信号を発する信号出力装置と、
   を備える防護域の監視装置であって、
   前記マークには互いに異なる複数の模様要素があり、
   前記互いに異なる複数の模様要素の各々はマーク毎に１箇所だけに存在し、
   複数の発光器が互いに間隔を空けて一列に、前記マークに平行に並び、かつ、
   前記発光器の列の全長がマークの長さに概ね等しいこと、
   を特徴とする防護域の監視装置。
2. 請求項１に記載の監視装置において、前記発光器が互いに略平行な光線を前記マークの方向へ射出する結果、略長方形の防護域が形成されていることを特徴とする監視装置。
3. 請求項１又は２に記載の監視装置において、前記マークの複数の模様要素がそれぞれ異なる形状を有することを特徴とする監視装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の監視装置において、前記模様要素が、検出すべき捕捉対象物の最小の大きさよりも小さいことを特徴とする監視装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の監視装置において、発光器を順次制御して個々にパルス光を発生させる発光制御部を備えることを特徴とする監視装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の監視装置において、前記発光器が、そこから発する円錐状の光の広がりを制限するためのアパーチャを備えることを特徴とする監視装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の監視装置において、各発光器が前記マーク上の特定の模様要素に割り当てられていることを特徴とする監視装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の監視装置において、迂回反射効果を避けるために、前記位置分解能を有する受光器の、各模様要素の周囲の視領域が制限されていることを特徴とする監視装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の監視装置において、前記模様要素の学習手段を備えることを特徴とする監視装置。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の監視装置において、前記位置分解能を有する受光器が色を感知できるように構成されていることを特徴とする監視装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の監視装置において、前記位置分解能を有する受光器、結像光学系、記憶装置、比較装置及び発光器が、縦長のケーシング内に、マークの長さ方向に沿って収納されていることを特徴とする監視装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の監視装置において、前記位置分解能を有する受光器を複数備えることを特徴とする監視装置。
13. 請求項１２に記載の監視装置において、前記防護域のうち、前記マーク上への投影が少なくとも２つの受光器の視野の中に入るような領域を監視の対象外とすることを特徴とする監視装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の監視装置において、前記位置分解能を有する受光器が発光器の間に配置されていることを特徴とする監視装置。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の監視装置において、前記比較装置が前記模様要素の明領域と暗領域の間のコントラストを監視できるように構成されていることを特徴とする監視装置。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の監視装置において、周囲光と前記発光器の光線とを十分に分離するために、前記位置分解能を有する受光器の前に光学フィルタが配置されていることを特徴とする監視装置。
17. 請求項１〜１６のいずれかに記載の監視装置において、前記発光器の発光面が、捕捉すべき物体よりも小さいことを特徴とする監視装置。
18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の監視装置において、前記位置分解能を有する受光器の特定の評価領域が、前記マーク上の特定の模様要素に割り当てられていることを特徴とする監視装置。

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