JPH0148996B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超音波を利用した被測定物の位置検出
装置に関する。

従来例の構成とその問題点 従来の被測定物の位置検出装置としては超音波
送受波素子を被測定物に対して回転走査して得ら
れた反射信号強度から、被測定物の位置と姿勢を
検出するものがある。以下その内容の概略を説明
する。

第１図は従来の装置の概略の構成を示すシステ
ム図である。第２図は従来の装置を用いた形状検
出を示す斜視図である。第１図において超音波送
受波素子１に第３図に示す高電圧パルス１７を印
加すると空気中に所定の周波数の超音波パルスが
発射される。この超音波パルスが第２図の対象物
体１３で反射され、対象物体１３の各辺１４，１
５，１６からの反射信号が超音波送受波素子１に
到着し、受波信号増巾器３で増幅された後、アナ
ログ−デジタル変換されてメモリ１５に記憶され
る。第３図は、メモリ１５に記憶された超音波送
受波素子１の動作波形を示すもので、３７，３
８，３９はそれぞれ対象物体１３の各辺１４，１
５，１６からの反射信号を示す。メモリ１５に記
憶された反射信号は小型電子計算機６に転送さ
れ、第３図に示した反射信号３７，３８，３９の
伝播時間４０，４１，４２及び反射信号４３，４
４，４５を検出している。

また第２図において超音波送受波素子１は、小
型電子計算機６からの制御信号によりパルスモー
タドライバ１１とパルスモータ１０を介して矢印
Ａ，Ｂ方向に回転走査する構成となつており、超
音波送受波素子１を所定の角度でステツプしなが
ら前述の被測定物間で反射信号の伝播時間及び強
度の検出を行なつている。第４図は、超音波送受
波素子１を回転走査させた時の被測定物１３から
の反射信号強度を横軸に超音波送受波素子の回転
角、縦軸に反射信号強度をつてプロツトしたもの
である。４６，４７，４８はそれぞれ被測定物１
３の各辺１４，１５，１６からの反射信号を整理
したものであり、それぞれの反射信号強度が最大
となるときの超音波送受波素子１の回転走査角度
から被測定物１３の各辺１４，１５，１６の方向
を検出している。また前述の反射信号の伝播時間
から被測定物の各辺までの距離が得られるので被
測定物１３の各辺１３，１４，１５の座標を求め
ることができ、被測定物１３の位置と姿勢を検出
することができる。

しかしながら、従来の位置姿勢検出装置を穴・
溝の形状検出に適用した場合、大径穴あるいは大
巾溝ではその形状検出が可能であるが、小径穴あ
るいは小巾溝では、穴・溝の各辺からの反射信号
が重量され、超音波送受波素子の減衰性を大幅に
向上しないと形状検出ができないという問題点が
あつた。

発明の目的 本発明者らは、超音波送受波素子の大幅な減衰
性向上なしに上述の小径穴・小幅溝の形状検出を
行なう装置について鋭意検討し、前記超音波送受
波素子を小径穴・小幅溝に対して概ね一定の距離
で平行走査し、前記小径穴・小幅溝からの反射信
号強度を信号処理する手段を用いることにより上
記問題をすべて解決できることを見出し本発明に
到つた。

すなわち本発明は、上述の欠点をなくし、簡易
な構成で、小径穴・小幅溝の高精度な位置検出が
出来る装置を提供することを目的とする。

発明の構成 この目的を達成するため本発明の被測定物の位
置検出装置は、被測定物の中心軸に対して傾斜し
て配置された超音波送受波素子を用いて前記被測
定物に超音波を送受波する手段と、前記被定物に
対して一定の距離を保つて前記超音波送受波素子
を走査する手段と、前記被測定物の反射信号強度
の極小値を求め、前記被測定物の溝または穴の中
心位置を検出する手段とを備えてなるものであ
る。

実施例の説明 以下本発明の第１の実施例について、図面を参
照しながら説明する。

第５図は本発明の第１実施例における溝形状検
出装置の概略を示すシステム図である。また第６
図は本発明の第１実施例の形状検出装置を用いた
形状検出の斜視図、第７図は同平面図である。

第５図において５０はロボツトのマニピユレー
タであり、データ処理制御装置５１からの制御信
号によりマニピユレータ制御装置５２を介して動
作を制御している。またマニピユレータ５０上に
は、第６図に示すように送受波兼用の超音波トラ
ンスデユーサ５３が設置されている。

超音波トランスデユーサ５３は、発振器５５に
より所定の周波数の超音波を対象物体５４の溝６
５に向けて送波し、またその反射信号を受波して
いる。超音波トランスデユーサ５３が出力する受
波信号は受波信号増幅器５６を経て、アナログ−
デジタル変換器５７（以下Ａ／Ｄ変換器という。）
によつてデジタル値に変換され、メモリ５８に記
憶される。さらにデータ処理制御装置５１が設け
られるが、このデータ処理制御装置５１はインタ
フエスコントロールユニツト５９（以下ICUとい
う。）・フロツピデイスクドライブ装置６０（以下
FDDという。）および小型電子計算機６１（以下
CPUという。）から構成される。ICU５９はFDD
６０おびCPU６１に接続されるとともに、前述
の発振器５５とメモリ５８に接続される。FDD
６０は本形状検出装置を用いて形状検出を行なう
ためのプログラム或は諸条件を入力する。このデ
ータ処理制御装置５１においては、発振器５５を
動作させるための制御信号の出力、マニピユレー
タ５０の動作を制御するマニピユレータ制御装置
５２への制御信号の出力を行なうとともにメモリ
５８から転送された入力データの前処理を行い、
FDD６０から予め入力ストアされたプログラム
に従つてCPU６１で反射信号強度の検出、対象
物体の溝の形状の演算処理、マニピユレータ５０
の移動量の演算処理を行なう。

次に上記のように構成した形状検出装置の動作
を説明する。なお本実施例では、第６図に示す超
音波トランスデユーサ５３の直径が36mm、対象物
体５４と超音波トランスデユーサ５３の距離が
100mm、対象物体５４の溝６４の幅が５mm、深さ
10mmで、超音波トランスデユーサ５３の送受波面
は対象物体５４及び対象物体５４の溝６５に対し
て所定の角度θ₁（本実施例では10゜）傾斜して配置
されており、0.1mmのステツプで矢印Ａ方向へ、
対象物体５４と一定の距離を保つて平行走査した
場合について説明する。

位置検出はFDD６０から予め入力ストアされ
た第８図のフローチヤートに示す形状検出プログ
ラムの手順に従つて行なわれる。第８図のフロー
チヤートにおいて、まずステツプ１でデータ処理
制御装置５１からの制御信号によりマニピユレー
タ制御装置５２を介してマニピユレータ５０を駆
動して超音波トランスデユーサ５３をセンシング
開始位置に移動する。第６図において６２は超音
波トランスデユーサ５３から送波される超音波ビ
ームの中心位置を示す。また６３はセンシング開
始時の、また６４はセンシング完了時の、超音波
ビームの中心位置と対象物体５４の交点を示し、
センシングは、この区間内で行なわれる。なお本
実施例ではセンシング区間は40mmである。

次にステツプ２でデータ処理制御装置５１から
の制御信号により発振器５５を動作させ超音波ト
ランスデユーサ５３で所定の周波数の超音波を被
測定物５４に向けて送波すると同時に、Ａ／Ｄ変
換器５７、メモリ５８を動作させて、対象物体５
４からの反射信号をメモリ５８に記憶する。第９
図にはメモリ５８に記憶された反射信号を示す。

６８は対象物体５４の平面部分６６からの反射
信号、６９は対象物体５４の溝６５の底面部分６
７からの反射信号を示す。

次にステツプ３でメモリ５８に記憶された反射
信号をICU５９を介してCPU６１に転送する。
CPU６１でFDD６０から予め入力ストアされて
いるプログラムに従つて対象物体５４の平面部分
６６からの反射信号６８の反射信号強度Ｐを検出
する。

次にステツプ４ではマニピユレータ５０を矢印
Ａ方向へ0.1mm移動して上記ステツプ１、ステツ
プ２を繰返して所定のセンシング回数（本実施例
では400回）を完了すればステツプ５へ進む。

ステツプ５では、上記ステツプ２、ステツプ３
で得られた検出対象溝６５を含む対象物体５４か
らの反射信号強度をもとにして検出対象溝６５の
中心位置・幅を検出する。第１０図は、超音波ト
ランスデユーサ５３を矢印Ａ方向に平行走査した
時の対象物体５４からの反射信号強度を、横軸に
超音波トランスデユーサ５３の平行走査量、縦軸
に反射信号強度をとつて10点おきにプロツトした
ものであり、CPU６１では、FDD６０から予め
入力ストアされたプログラムに従つて反射信号強
度の極小値を検出して溝６５の中心位置を検出し
ている。さらに閾値強度７０を設定し、閾値強度
７０が前記反射信号強度とクロスする区間に該当
する超音波トランスデユーサ５３の平行走査量Ｗ
を検出することにより検出対象溝６５の幅を検出
している。

なお溝検出感度Ｓは−16dBであつた。

以上のように本実施例によれば、溝６５を有す
る対象物体５４に対して超音波トランスデユーサ
５３の送受波面を10゜傾斜して超音波送受波する
と同時に、マニピユレータ５０を動作させて対象
物体５４に対して超音波トランスデユーサ５３を
一定の距離を保つて平行に走査することにより得
られる対象物体５４からの反射信号強度の中で溝
５３を有する対象物体５４からの反射信号強度
は、溝５３が存在しない対象物体からの反射信号
強度に対して大幅に減少するので、その極小値を
検出することにより検出対象溝６５の中心位置を
検出することができ、本実施例では0.1mmの位置
精度が得られた。さらに、前記閾値強度７０が反
射信号強度とクロスする区間に該当する超音波ト
ランスデユーサ５３の平行走査量から検出対象溝
６５の幅が検出でき、本実施例では0.1mmの精度
が得られた。

つぎに本発明の第２の実施例について図面を参
照しながら説明する。

第１１図は本発明の第２の実施例における穴の
位置検出装置の概略を示すシステム図である。第
１１図においてマニピユレータ制御装置７１はマ
ニピユレータ７２をＸ・Ｙ軸の直交２軸で動作可
能な構成になつている。これ以外のシステム構成
は前述の第１実施例と同様である。第１２図は本
実施例の形状検出装置による穴形状検出を示す斜
視図、第１３図は同平面図である。

次に上記のように構成した形状検出装置の動作
を説明する。なお本実施例では、第１２図に示す
超音波トランスデユーサ７３の直径が36mm、対象
物体８１と超音波トランスデユーサ７３の距離が
100mm、対象物体８１の穴８２の直径が５mm、超
音波トランスデユーサ７３を対象物体８１に対し
て0.1mmのステツプで、かつ一定の距離（本実施
例では100mm）を保ち平行走査した場合について
説明する。

なお詳細な説明は省略するが、超音波トランス
デユーサ７３の送受波面は検出対象穴８２の中心
軸に対してＸ及びＹ軸方向に独立して10゜傾斜を
する構成である。

第１３図には超音波トランスデユーサ７３がＸ
軸方向へ移動する時の傾斜状態を示す。

形状検出はFDD７８から予め入力ストアされ
た第１４図のフローチヤートに示す形状検出プロ
グラムの手順に従つて行なわれる。第１４図のフ
ローチヤートにおいて、ステツプ１で前記第１実
施例と同様に超音波トランスデユーサ７３をＸ軸
のセンシング開始位置へ移動する。第１２図にお
いて８３は超音波トランスデユーサ７３から送波
される超音波ビームの中心位置を示す。また８４
はＸ軸方向のサンシング開始時の、８５はＸ軸方
向のセンシング完了時の、また８６はＹ軸方向の
センシング開始時の、８７はＹ軸方向のセンシン
グ完了時の超音波ビームの中心位置と対象物体８
１の交点を示し、Ｘ軸・Ｙ軸のセンシングは、そ
れぞれこの区間（本実施例では各40mm）内で行な
われる。この時超音波トランスデユーサ７３の送
受波面は穴８２の中心軸に対してＸ軸方向へ10゜
傾斜している。

次にステツプ２、３、４では前記第１実施例と
同様にマニピユレータ７２を動作させ、超音波ト
ランスデユーサ７３をＸ軸方向へ平行走査して得
られた検出対象穴８２を含む対象物体８１からの
反射信号強度をもとにして検出対象穴８２のＸ軸
方向の中心位置を検出する。第１５図にはメモリ
７６に記憶された反射信号を示す。９０は対象物
体８１からの反射信号を示す。

次にステツプ５ではＹ軸方向のセンシングをす
べくマニピユレータ７２を動作させ超音波トラン
スデユーサ７３をＹ軸のセンシング開始位置へ移
動する。この時の超音波ビームの中心位置と対象
物体８１の交点のＸ座標は上述のＸ軸方向のセン
シングで検出した穴の中心位置座標と同一に設定
している。この時超音波トランスデユーサ７３の
送受波面は、穴８２の中心軸に対してＹ軸方向へ
10゜傾斜している。

次にステツプ２、３、４では、前記第１実施例
と同様にマニピユレータ７２を動作させ、超音波
トランスデユーサ７３をＹ軸方向へ平行走査して
得られた検出対象穴８２を含む対象物体８１から
の反射信号強度をもとにして穴８２のＹ軸方向の
中心位置を検出する。これにより穴８２の中心位
置の座標が検出できる。さらに前記第１実施例と
同様にして検出対象穴８２の直径を検出してい
る。なお穴８２の検出感度は−16dBであつた。

なお本実施例では、超音波トランスデユーサ７
３の送受波面は、検出対象の穴８２の中心軸に対
して走査方向に10゜傾斜して構成したものについ
て述べたが、この傾斜角度を変化することにより
穴８２の検出感度も変化する。第１６図は本実施
例と同様の構成で超音波トランスデユーサ５３の
送受波面を穴８２の中心軸に対してＸ軸方向に傾
斜させＸ軸方向に平行送査した時の対象物体５４
からの反射信号強度を、横軸に超音波トランスデ
ユーサ５３の傾斜角度、縦軸に穴８２の検出感度
をとつたものであり、傾斜角度が10゜の時に穴８
２の検出感度が最大値を示した。

以上のように本実施例によれば、穴８２を有す
る対象物体８１の穴８２の中心軸に対して超音波
トランスデユーサ７３の送受波面を10゜傾斜して
超音波を送受波すると同時に、マニピユレータ７
２を動作させて対象物体８１に対して超音波トラ
ンスデユーサ７３を一定の距離を保つて平行に走
査することにより得られる対象物体８１からの反
射信号強度の中で穴８２を有する対象物体８１か
らの反射信号強度は、穴８２が存在しない対象物
体８１からの反射信号強度に比して大幅に減少す
るので、その極小値を検出することにより穴８２
のＸ・Ｙ軸方向の中心位置を検出でき、本実施例
では0.1mmの位置精度が得られた。さらに、超音
波トランスデユーサ７３をＹ軸方向に平行走査し
て得られる反射信号強度が閾値強度とクロスする
区間に該当する超音波トランスデユーサ７３の平
行走査量から穴８２の直径が検出でき、本実施例
では、0.1mmの精度が得られた。

次に本発明の第３の実施例について図面を参照
しながら説明する。

第１７図は本発明の第３の実施例における溝の
形状検出装置による溝形状検出の斜視図、第１８
図は同平面図である。なお本実施例の形状検出装
置のシステムは前述の第１実施例と同様である。

次に上記のように構成した形状検出装置の動作
を説明する。なお本実施例では第１７図に示す対
象物体１０２溝１０３の幅が５mm、深さ10mm、対
象物体１０２が超音波トランスデユーサ５３と対
向する面は曲率100mmの曲面１０８、超音波トラ
ンスデユーサ５３の送受波面は対象物体１０２の
溝１０３の中心軸に対して所定の角度θ₃（本実施
例では10゜）傾斜して配置されており0.1mmのステ
ツプで、矢印Ａ方向へ、対象物体１０２の曲面１
０８と一定の距離（本実施例では100mm）を保つ
て走査した場合について説明する。

形状検出は前述の第１実施例と同様の第８図の
フローチヤートに示す形状検出プログラムの手順
に従つて行なわれる。なお本実施例では超音波ト
ランスデユーサ５３を設置したマニピユレータ５
０はデータ処理制御装置５１からの制御信号によ
りマニピユレータ制御装置５２を介して対象物体
１０２の曲面１０８と一定の距離を保ち（本実施
例では100mm）0.1mmのステツプで走査した。

第１７図において１０５は超音波トランスデユ
ーサ５３から送波される超音波ビームの中心位置
を示す。また１０６はセンシング開始時の、また
１０７はセンシング完了時の超音波ビーム中心位
置と対象物体１０２の交点を示し、センシングは
この区間（本実施例では40mm）で行なわれる。

ステツプ１、２、３、４、５では前述の第１実
施例と同様にして、検出対象溝１０３を含む対象
物体１０２からの反射信号強度をもとにして溝１
０３の中心位置、幅を検出している。本実施例で
は前述の第１実施例と同様の溝検出感度を得た。

以上のように本実施例によれば溝１０３を有す
る対象物体１０２に超音波を送受波すると同時
に、対象物体１０２に対して超音波トランスデユ
ーサ５３の送受波面を10゜傾斜して超音波を送受
波すると同時にマニピユレータ５０を動作させて
対象物体１０２の曲面１０８に対して超音波トラ
ンスデユーサ５３を一定の距離を保つて走査する
ことにより得られる反射信号強度を処理すること
により0.1mmの溝位置精度、0.1mmの溝幅精度が得
られた。

発明の効果 以上のように本発明は、被測定物の中心軸に対
して配置された超音波送受波素子から被測定物に
送波された超音波パルスの反射信号強度の極小値
を求めて、被測定物の溝または穴の中心位置を精
度よく検出することができるという効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波位置検出装置の概略の構
成を示すシステム図、第２図は従来の装置を用い
た位置検出の斜視図、第３図は従来の装置の動作
波形を示す図、第４図は従来の装置の動作波形を
整理した図、第５図は本発明の第１実施例におけ
る装置の概略の構成を示すシステム図、第６図は
本発明の第１実施例における溝形状検出の斜視
図、第７図は同平面図、第８図は本発明の第１実
施例における溝形状検出のためのプログラムの１
例を示すフローチヤート図、第９図は本発明の第
１実施例における位置検出装置の動作波形を示す
図、第１０図は本発明の第１実施例における装置
の動作波形を整理した図、第１１図は本発明の第
２実施例における装置の概略の構成を示すシステ
ム図、第１２図は本発明の第２実施例における穴
位置検出の斜視図、第１３図は同断面図、第１４
図は本発明の第２実施例における穴位置検出のた
めのプログラムの１例を示すフローチヤート図、
第１５図は本発明の第２実施例における装置の動
作波形を示す図、第１６図は本発明の第２実施例
における穴検出感度を示す図、第１７図は本発明
の第３実施例における溝形状検出の斜視図、第１
８図は同平面図である。 ５０，７２……マニピユレータ、５３，７３…
…超音波トランデユーサー、６１……CPU、６
５……溝、８２……穴、１０３……溝。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定物の中心軸に対して傾斜して配置され
   た超音波送受波素子を用いて前記被測定物に超音
   波を送受波する手段と、前記被測定物に対して一
   定の距離を保つて前記超音波送受波素子を走査す
   る手段と、前記被測定物の反射信号強度の極小値
   を求め、前記被測定物の溝または穴の中心位置を
   検出する手段とを備えてなる被測定物の位置検出
   装置。