JP7329943B2 - 検出装置及び移動装置 - Google Patents

Description

この発明は、検出領域に存在する物体が有する穴の位置を検出する検出装置及び移動装置に関する。

フォークリフトでパレットを持ち上げて搬送を行う場合、作業者は、目視で、パレットが有する穴の位置にフォークの位置を合わせ、フォークを穴に挿入している。
また従来から、フォークリフト機能付きのＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）も知られている。このＡＧＶでは、パレットが所定の位置及び向きで置かれていることを前提とし、自動で、パレットが有する穴の位置にフォークの位置を合わせ、フォークを穴に挿入している。

しかしながら、従来のフォークリフトでは操作に技術を要するため、未熟な作業者が操作を行った場合に、操作ミスの発生する可能性が高くなる。
また、フォークリフト機能付きのＡＧＶでは、パレットが所定の位置及び向きで置かれていることを前提としている。そのため、何らかの原因でパレットの位置又は向きがずれている場合、このＡＧＶはフォークを穴に挿入できず、フォークがパレット自体に衝突してバンパーセンサ等により停止してしまう。そのため、このＡＧＶでは、停止時間によるロスタイムの増加が懸念される。

一方、従来から、検出領域に存在する物体の位置を検出するエリアセンサ（測域センサ）が知られている（例えば特許文献１参照）。そして、このエリアセンサをフォークに取付け可能であれば、パレットが有する穴の位置を検出可能とも考えられる。

特許５５９８８３１号

しかしながら、エリアセンサでは、レーザ光を反射するミラーを回転させるメカニカルな回転機構を有している。そのため、エリアセンサは外形が大きく、エリアセンサをフォークに取付けることはできない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、メカニカルな回転機構を用いずに、検出領域に存在する物体が有する穴の位置を検出可能な検出装置を提供することを目的としている。

この発明に係る検出装置は、光を検出領域に投光する投光部と、投光部により投光されて検出領域で反射された光を集光するレンズと、複数の受光素子を有し、レンズにより集光された光を当該受光素子毎に受光するイメージセンサと、イメージセンサによる受光結果に基づいて、ＴＯＦ方式により、検出領域に存在する物体までの距離を、受光素子が位置する受光位置毎に算出する距離演算部と、距離演算部により算出された受光位置毎の距離に基づいて、物体が有する穴の位置を算出する穴位置演算部とを備え、穴位置演算部は、距離演算部により得られた距離情報に基づいて、受光位置のうちの当該距離情報が示す距離が遠距離に変化する変化点の位置をイメージセンサに結像された物体の像の両エッジの位置として算出し、当該像の両エッジの位置、当該イメージセンサから当該物体までの距離、及び、レンズの焦点距離に基づいて、穴の位置を算出することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、メカニカルな回転機構を用いずに、検出領域に存在する物体が有する穴の位置を検出可能となる。

実施の形態１に係る検出装置の構成例を示す図である。 図２Ａ、図２Ｂは、実施の形態１におけるセンサヘッドの構成例を示す図であり、図２Ａはセンサヘッドの内部構造の一例を示す図であり、図２Ｂはセンサヘッドの外観の一例を示す図である。 実施の形態１に係る検出装置の動作例を示すフローチャートである。 実施の形態１における投光部及び受光部の動作例を示すタイミングチャートである。 図５Ａ、図５Ｂは、実施の形態１における距離演算部及び位置演算部の動作例を説明するための図であり、図５Ａは受光位置と受光時刻との関係の一例を示す図であり、図５Ｂは受光位置と距離との関係の一例を示す図である。 図６Ａ～図６Ｃは、実施の形態１における穴方向演算部の動作例を説明する図であり、図６Ａは穴方向の算出対象となる物体を示す図であり、図６Ｂは物体が検出装置に対して平行である場合での受光位置と距離との関係の一例を示す図であり、図６Ｂは物体が検出装置に対して斜めである場合での受光位置と距離との関係の一例を示す図である。 図７Ａ、図７Ｂは、実施の形態２に係る移動装置の構成例を示す図であり、図７Ａは移動装置の動作例を説明する図であり、図７Ｂは移動装置が有するフォークの先端側の構成を示す断面図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
検出装置１は、検出領域に存在する物体１０が有する穴１００１を検出する。この検出装置１は、産業用（工業用）のセンサとして用いられる。この検出装置１は、図１に示すように、計測制御部１０１、投光部１０２、受光部１０３、距離演算部１０４、位置演算部１０５、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０６、入出力部１０７、通信部１０８、表示部１０９及び操作部１１０を備えている。また、検出装置１は、投光部１０２が投光して検出領域で反射された光を受光部１０３が受光する反射型に構成されている。

なお、投光部１０２及び受光部１０３は、計測部１１１を構成する。また図２では、計測制御部１０１、投光部１０２、受光部１０３、距離演算部１０４、位置演算部１０５及びＭＰＵ１０６が、センサヘッド１１２に搭載されている。図２に示すセンサヘッド１１２の前面には、フィルタ１１２１が設けられている。なお図２では、計測制御部１０１、距離演算部１０４及び位置演算部１０５の図示を省略している。
また、入出力部１０７、通信部１０８、表示部１０９及び操作部１１０は、インタフェース部１１３を構成する。

計測制御部１０１は、ＭＰＵ１０６を介して入力された制御情報に基づいて、制御信号を生成する。制御信号は、イメージセンサ１０３３での光の受光動作に応じて、投光部１０２での光の投光タイミングを制御する信号である。この計測制御部１０１により生成された制御信号は、投光部１０２に出力される。

投光部１０２は、計測制御部１０１からの制御信号に従い、パルス状の光を検出領域に投光する。なお、投光部１０２が投光する光のビーム形状は、予め設定されている。図２では、投光部１０２は、回路基板である投光基板（不図示）１０２１と、光を発光する発光素子１０２２と、発光素子１０２２の前面に配置された絞りであるアパーチャー１０２３と、発光素子１０２２により発光されてアパーチャー１０２３を通過した光を拡散するディヒューザー１０２４とから構成されている。また、投光部１０２により投光される光の幅及び投光周期は、想定される物体１０までの距離又は移動速度等により決まる。また、投光部１０２は、投光する光を変調してもよい。

受光部１０３は、投光部１０２により投光されて検出領域で反射された光を受光する。図２では、受光部１０３は、回路基板である受光基板（不図示）１０３１と、レンズ１０３２と、イメージセンサ１０３３とから構成されている。

レンズ１０３２は、投光部１０２により投光されて検出領域で反射された光を集光する。このレンズ１０３２は、非テレセントリックレンズである。

イメージセンサ１０３３は、複数の受光素子を有し、レンズ１０３２により集光された光を当該受光素子毎に受光する。以下では、イメージセンサ１０３３はリニアタイプであり、複数の受光素子が一次元方向に配列されているものとする。リニアタイプのイメージセンサ１０３３は、産業用のセンサに求められる高速応答に対応可能である。このイメージセンサ１０３３による受光結果を示す情報は、距離演算部１０４に出力される。
なお、イメージセンサ１０３３は、上記受光結果を示す情報として、例えば、投光部１０２により光が投光された時刻（投光時刻）を基準として、各受光素子で光を受光した時刻（受光時刻）である遅れ時間を示す情報を出力してもよい。また、投光部１０２が光を変調している場合には、イメージセンサ１０３３は、上記受光結果を示す情報として、例えば、投光部１０２により投光された光と各受光素子で受光された光との位相差を示す情報を出力してもよい。

距離演算部１０４は、イメージセンサ１０３３による受光結果に基づいて、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により、イメージセンサ１０３３から物体１０までの距離を、受光素子が位置する受光位置毎に算出する。この距離演算部１０４により算出された受光位置毎の距離を示す情報（距離情報）は、位置演算部１０５及びＭＰＵ１０６に出力される。

位置演算部１０５は、距離演算部１０４により算出された受光位置毎の距離に基づいて、イメージセンサ１０３３に結像された物体１０の像の位置を算出する。この位置演算部１０５により算出された物体１０の像の位置を示す情報（位置情報）は、ＭＰＵ１０６に出力される。

ＭＰＵ１０６は、距離演算部１０４により算出された受光位置毎の距離及び位置演算部１０５により算出された物体１０の像の位置に基づいて、物体１０が有する穴１００１の位置を算出する。この際、ＭＰＵ１０６は、イメージセンサ１０３３に結像された物体１０の像の位置、イメージセンサ１０３３から物体１０までの距離、及び、レンズ１０３２の焦点距離に基づいて、物体１０が有する穴１００１の位置を算出する。このＭＰＵ１０６により算出された物体１０が有する穴１００１の位置を示す情報は、インタフェース部１１３に出力される。

なお、位置演算部１０５及びＭＰＵ１０６は、「距離演算部１０４により算出された受光位置毎の距離に基づいて、物体１０が有する穴１００１の位置を算出する穴位置演算部」を構成する。

また、計測制御部１０１、距離演算部１０４及び位置演算部１０５は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

入出力部１０７は、検出装置１に対する各種設定の入力を行い、制御情報を生成してＭＰＵ１０６に出力する。この制御情報には、例えば、投光部１０２による光の投光を指示するトリガ信号、又は、投光部１０２でレーザ光を用いる場合にはレーザ光の停止を指示する停止信号等が含まれる。
また、入出力部１０７は、ＭＰＵ１０６から入力された情報の出力を行う。この際、入出力部１０７は、例えば、アナログ出力を行ってもよいし、閾値判定を行って閾値を超えた場合にオン出力を行ってもよい。

通信部１０８は、イーサネット（登録商標）等のネットワークを介して外部装置と通信を行い、例えばＭＰＵ１０６から入力された情報を外部装置に送信する。
表示部１０９は、各種の動作表示を行う。また、表示部１０９は、ＭＰＵ１０６から入力された情報を表示する。例えば、表示部１０９は、物体１０が有する穴１００１の位置を表示する場合に、受光部１０３の光軸上を零点とし、穴１００１が光軸からどのくらい離れた場所に位置しているかを数値で表示する。
操作部１１０は、ユーザ操作を受付け、例えば、表示部１０９の表示切替え又は検出装置１に対する各種設定等を行う。

次に、実施の形態１に係る検出装置１の動作例について、図３を参照しながら説明する。
検出装置１の動作例では、図３に示すように、まず、投光部１０２は、計測制御部１０１からの制御信号に従い、パルス状の光を検出領域に投光する（ステップＳＴ１）。この投光部１０２により投光された光は、検出領域に存在する物体１０により反射され、レンズ１０３２を介してイメージセンサ１０３３に入射される。なお、検出領域に壁等の背景が存在する場合には、投光部１０２により投光された光は当該背景でも反射され、レンズ１０３２を介してイメージセンサ１０３３に入射される。

次いで、イメージセンサ１０３３は、入射された光を受光素子毎に受光する（ステップＳＴ２）。図４に示すように、イメージセンサ１０３３の各受光素子（Ｐｉｘｅｌ Ｎｏ．０～Ｎｏ．ｎ）での光（受光パルス）の受光タイミングは、投光部１０２による光（投光パルス）の投光タイミングに対し、物体１０との間の距離に応じて遅れる。なお以下では、イメージセンサ１０３３は、上記受光結果を示す情報として、各受光素子での受光時刻（遅れ時間）を示す情報を出力するものとする。このイメージセンサ１０３３により例えば図５Ａに示すような受光位置と受光時刻との関係が得られる。

次いで、距離演算部１０４は、イメージセンサ１０３３による受光結果に基づいて、ＴＯＦ方式により、物体１０までの距離を、受光素子が位置する受光位置毎に算出する（ステップＳＴ３）。

この際、距離演算部１０４は、まず、イメージセンサ１０３３による受光結果に基づいて、下式（１）より、受光位置毎に、受光素子で受光した光が反射された位置（反射点）までの距離を算出する。式（１）において、ｄ_ｉはｉ番目の受光素子で受光した光の反射点までの距離を示し、ｃは光の速度を示し、ｔ_ｄｉはｉ番目の受光素子での受光時刻を示している。
ｄ_ｉ＝ｃ×ｔ_ｄｉ／２ （１）

ここで、式（１）により得られる受光位置から反射点までの距離は、受光部１０３の光軸に対してθ_ｉだけ傾いた方向の距離である。なお、θ_ｉは、レンズ１０３２上の光軸位置とｉ番目の受光位置とを結ぶ線分と、光軸との成す角度であり、既知である。そこで、距離演算部１０４は、受光位置毎に、θ_ｉを用いて、算出した反射点までの距離を、受光部１０３の光軸に平行（略平行の意味を含む）な距離に変換する。

そして、距離演算部１０４は、受光位置毎に、上記変換により得られた反射点までの距離から、物体１０までの距離を得る。ここで、距離演算部１０４は、上記変換により得られた反射点までの距離のうち、イメージセンサ１０３３から背景までの距離に相当するものは除外する。この距離演算部１０４により例えば図５Ｂに示すような距離情報が得られる。

次いで、位置演算部１０５は、距離演算部１０４により得られた距離情報に基づいて、イメージセンサ１０３３に結像された物体１０の像の位置を算出する（ステップＳＴ４）。この際、位置演算部１０５は、像の両エッジの位置を算出する。

次いで、ＭＰＵ１０６は、距離演算部１０４により得られた距離情報及び位置演算部１０５により得られた位置情報に基づいて、物体１０が有する穴１００１の位置を算出する（ステップＳＴ５）。

この際、ＭＰＵ１０６は、下式（２）より、物体１０が有する穴１００１の位置を算出する。式（２）において、ｘ_１は物体１０が有する穴１００１の位置を示し、ｘ_２は物体１０が有する穴１００１の像の位置（受光位置）を示している。物体１０が有する穴１００１の像の位置は、位置演算部１０５により算出された像の両エッジの位置の間の任意の位置である。また、ｄは物体１０とイメージセンサ１０３３との間の距離を示し、ｆはレンズ１０３２とイメージセンサ１０３３との間の距離（焦点距離）を示している。なお、式（２）における｛（ｄ－ｆ）／ｆ｝は光学系の倍率である。
ｘ_１＝｛（ｄ－ｆ）／ｆ｝×ｘ_２ （２）

ここで、実施の形態１に係る検出装置１は、センサ（投光部１０２及び受光部１０３）と検出領域とが対向配置された反射型に構成されている。これにより、実施の形態１に係る検出装置１は、検出領域の片側にのみセンサを設置すればよく、また、投光部１０２と受光部１０３との間での光軸合わせが不要となり、透過型を用いた場合に対して設置条件が緩くなる。また、実施の形態１に係る検出装置１は、検出範囲が広くなる。また、実施の形態１に係る検出装置１は、イメージセンサ１０３３と物体１０との間の距離が算出できるため、非テレセントリックレンズを用いても物体１０が有する穴１００１の位置を算出でき、従来構成に対して低コスト化が実現できる。

また、従来のエリアセンサは、レーザ光を反射するミラーを回転させるメカニカルな回転機構を有している。これに対し、実施の形態１に係る検出装置１は、上記のような回転機構は用いていない。そのため、実施の形態１に係る検出装置１は、小型化が可能であり、また、振動及び衝撃に対する耐性が高くなる。

以上のように、この実施の形態１によれば、検出装置１は、光を検出領域に投光する投光部１０２と、投光部１０２により投光されて検出領域で反射された光を集光するレンズ１０３２と、複数の受光素子を有し、レンズ１０３２により集光された光を当該受光素子毎に受光するイメージセンサ１０３３と、イメージセンサ１０３３による受光結果に基づいて、ＴＯＦ方式により、検出領域に存在する物体１０までの距離を、受光素子が位置する受光位置毎に算出する距離演算部１０４と、距離演算部１０４により算出された受光位置毎の距離に基づいて、物体１０が有する穴１００１の位置を算出する穴位置演算部とを備えた。これにより、実施の形態１に係る検出装置１は、メカニカルな回転機構を用いずに、検出領域に存在する物体１０が有する穴１００１の位置を検出可能となる。

また、検出装置１は、距離演算部１０４により算出された受光位置毎の距離に基づいて、物体１０が有する穴の方向を算出する穴方向演算部を備えていてもよい。すなわち、上記受光位置毎の距離から、物体１０における穴が形成された端面及び穴の内壁面のうちの少なくとも一方の面のイメージセンサ１０３３の受光面に対する傾きを算出可能であり、この傾きからイメージセンサ１０３３の受光面に対する物体１０の傾きを算出可能であるため、穴方向演算部は穴の方向を算出可能である。

例えば、図６Ａに示される物体１０に対し、穴方向演算部が穴の方向を算出する場合を考える。図６Ａに示される物体１０はパレット等であり、穴が形成された端面の幅が狭い。この場合、図６Ｂに示すように、穴方向演算部は、上記端面のイメージセンサ１０３３の受光面に対する傾きを算出できず、穴の方向を算出できない場合がある。このような場合には、図６Ｂに示すように、穴方向演算部は、穴の内壁面のイメージセンサ１０３３の受光面に対する傾きを算出し、その傾きから穴の方向を算出する。なお図６Ｃは、物体１０が検出装置１（イメージセンサ１０３３の受光面）に対して斜めに位置する場合を示している。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１に係る検出装置１が、一対のフォーク２０１を有する移動装置２に適用された場合を示す。移動装置２としては、フォークリフト又はフォークリフト機能付きのＡＧＶが挙げられる。

図７は実施の形態２に係る移動装置２の構成例を示す図である。図７では、移動装置２のうちの一対のフォーク２０１のみを図示している。
移動装置２は、一対のフォーク２０１を有し、パレット１０ａ（物体１０）を持ち上げて搬送を行う。なお、パレット１０ａは、１つの側面に対して一対の穴１００１を有している。なお、フォーク２０１の幅及び厚み、一対のフォーク２０１の配置間隔、パレット１０ａが有する穴１００１の幅及び厚み、並びに、一対の穴１００１の配置間隔は、規格等により事前に把握可能である。また、フォーク２０１は、先端側が、先に向かい細くなるテーパ状に構成されている。

また、フォーク２０１の先端側内部には、検出装置１が取付けられている。検出装置１は、実施の形態１に示した検出装置１であり、検出領域に存在するパレット１０ａが有する穴１００１の位置を検出する。なお、検出装置１は、メカニカルな回転機構を有していないため、従来のエリアセンサに対して小型化可能であり、フォーク２０１の先端側内部に取付け可能である。

なお図７Ａでは、検出装置１が、一対のフォーク２０１のうちの一方のみに取付けられた場合を示している。しかしながら、これに限らず、検出装置１は、一対のフォーク２０１のうちの両方に取付けられていてもよい。これにより、例えば、一方の検出装置１が故障した場合でも、他方の検出装置１で穴１００１の位置の検出を実施可能となる。

そして、実施の形態２に係る移動装置２では、フォーク２０１の先端側内部に検出装置１を設けることで、パレット１０ａが有する穴１００１の位置を検出可能となり、フォーク２０１と穴１００１との相対的なずれ量を容易に把握可能となる。

また、検出装置１が物体１０が有する穴の方向を算出可能な場合には、移動装置２はフォーク２０１の挿入方向を適切に調整可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 検出装置
２ 移動装置
１０ 物体
１０ａ パレット
１０１ 計測制御部
１０２ 投光部
１０３ 受光部
１０４ 距離演算部
１０５ 位置演算部
１０６ ＭＰＵ
１０７ 入出力部
１０８ 通信部
１０９ 表示部
１１０ 操作部
１１１ 計測部
１１２ センサヘッド
１１３ インタフェース部
２０１ フォーク
１００１ 穴
１０２１ 投光基板
１０２２ 発光素子
１０２３ アパーチャー
１０２４ ディヒューザー
１０３１ 受光基板
１０３２ レンズ
１０３３ イメージセンサ
１１２１ フィルタ

Claims (5)

1. 光を検出領域に投光する投光部と、
   前記投光部により投光されて前記検出領域で反射された光を集光するレンズと、
   複数の受光素子を有し、前記レンズにより集光された光を当該受光素子毎に受光するイメージセンサと、
   前記イメージセンサによる受光結果に基づいて、ＴＯＦ方式により、前記検出領域に存在する物体までの距離を、前記受光素子が位置する受光位置毎に算出する距離演算部と、
   前記距離演算部により算出された受光位置毎の距離に基づいて、前記物体が有する穴の位置を算出する穴位置演算部とを備え、
   前記穴位置演算部は、前記距離演算部により得られた距離情報に基づいて、受光位置のうちの当該距離情報が示す距離が遠距離に変化する変化点の位置を前記イメージセンサに結像された前記物体の像の両エッジの位置として算出し、当該像の両エッジの位置、当該イメージセンサから当該物体までの距離、及び、前記レンズの焦点距離に基づいて、前記穴の位置を算出する
   ことを特徴とする検出装置。
2. 前記距離演算部により算出された受光位置毎の距離に基づいて、前記物体が有する穴の方向を算出する穴方向演算部を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の検出装置。
3. 前記受光素子は、一次元方向に配列された
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の検出装置。
4. 前記レンズは、非テレセントリックレンズである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載の検出装置。
5. 一対のフォークと、
   前記フォークのうちの少なくとも一方における先端側内部に取付けられた検出装置とを備え、
   前記検出装置は、
   光を検出領域に投光する投光部と、
   前記投光部により投光されて前記検出領域で反射された光を集光するレンズと、
   複数の受光素子を有し、前記レンズにより集光された光を当該受光素子毎に受光するイメージセンサと、
   前記イメージセンサによる受光結果に基づいて、ＴＯＦ方式により、前記検出領域に存在するパレットまでの距離を、前記受光素子が位置する受光位置毎に算出する距離演算部と、
   前記距離演算部により算出された受光位置毎の距離に基づいて、パレットが有する穴の位置を算出する穴位置演算部とを備え、
   前記穴位置演算部は、前記距離演算部により得られた距離情報に基づいて、受光位置のうちの当該距離情報が示す距離が遠距離に変化する変化点の位置を前記イメージセンサに結像された前記パレットの像の両エッジの位置として算出し、当該像の両エッジの位置、当該イメージセンサから当該パレットまでの距離、及び、前記レンズの焦点距離に基づいて、前記穴の位置を算出する
   ことを特徴とする移動装置。

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