JPH0232210A - 空間中の物体の位置を求めるシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、空間中の物体の位置を参照位置に対する緯度
および経度で示すシステムに関する。

従来の技術 光源を有する物体の位置を求める方法としては、カメラ
によるものが公知である。この形式のシステムの分解能
は、カメラの分解能、すなわち、カメラが記録可能な画
素数に関係している。更に、この分解能は、カメラの複
数の画素が同時に励起される場合に低下することがある
。その場合、それらの励起された画素群の重心を求める
とよい。

全幅１０ｍの視野の中の物体の位置を求めようとする場
合には、この方法ではｌ　ｃｍよりも高い分解能で求め
ることは不可能であり、応用面で不適当であることがあ
った。

また、ロボット溶接を行う際には、溶接する部品の接合
部の位置を求める方法も公知である。この方法は、レー
ザビームで部品を走査すること、およびそのレーザビー
ムが当たって形成される光スポットをＰＩＮ型ダイオー
ドの位置センサ上に合わせることからなる。位置信号は
、複数の電極間の電荷分布によって得られる。さらに、
この方法は、物体の平らな部分の位置を求める場合に制
限を受け、また、上述のような視野の場合には解像力が
不十分である。

発明が解決しようとする課題 従来の物体の位置を求める方法では、上記のように分解
能が低く、また、各種の制限を受けていた。

本発明の目的は、上記の従来技術の欠点を解決すること
にある。

課題を解決するための手段 本発明によれば、光ビームを発する光源と、光ビームが
、物体の存在する空間の緯度および経度の２方向の走査
を行うよう、時間の関数として光ビームを偏向させる装
置と、前記光ビームの偏向方向を測定する装置と、物体
に固定されており、前記の光ビームを感知するセンサと
、前記センサが前記光ビームを感知した瞬間の前記偏向
された光ビームの方向を測定する手段とを具備すること
を特徴とする空間中の物体の位置を求めるシステムが提
供される。

作用 かくして、空間中の物体の位置を探索するには、物体に
、走査されたときに信号を発する位置検出手段を取付け
、その位置検出手段が見つかるまでその空間を走査する
。正確な位置を求める場合には、十分精密な走査を行う
必要がある。そこで、走査周波数を高くする必要があり
、そのため経度および緯度に関する光ビームの方向の測
定に関して問題が生じた。この結果、位置の測定に別な
不確実が生じ、そのために目的を果たすことができなか
った。

本発明は、この問題を解決するものであり、空間におい
て動いている物体の正確な緯度および経度を、許容不能
な長い走査時間を必要とすることなく、測定することを
可能にする。

この目的のため、本発明の主要な特徴に従うと、偏向方
向測定装置は、この偏向装置の後ろに挿入されたスクリ
ーンを備えている。そのスクリーンは、散乱および／ま
たは反射した光ビームの少なくとも一部を、光ビームを
感知する第２の光センサの方向に送り返すことができる
表面を有している。かくして、偏向方向測定装置は、こ
の第２の光センサが感知した光から、光ビームの偏向方
向の緯度および経度方向における基準位置を求める。

好ましい実施例によれば、このスクリーンは、光ビーム
が緯度方向において極限まで偏向したとき当たる縁と、
第２センサの方向へ反射するコードとを有している。上
記した縁は、光ビームが当たったとき、光ビームを散乱
および／または反射して第２の光センサの方向へ反射す
る。また、コードは、均一に分布しており、コード上の
座標位置は、緯度および経度の一次方程式で表すことが
できる。

本発明の一実施例によれば、緯度方向の高速走査は、底
面が正多角形で側面が反射面となっている回転柱体ミラ
ーに入射して反射する光ビームによって得られる。その
回転ミラーは、長手方向の対称軸を中心に回転する。レ
ーザとミラーの間の光ビームとほぼ同軸関係にある第２
の軸を中心に柱体を振動させるように動作する装置が、
低周波の経度方向の走査を行う。

実施例 以下、本発明を添付図面を参照して更に詳しく説明する
が、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発
明の技術的範囲をなんら制限するものではない。

第１図に全体が示されている本発明の位置測定のシステ
ムは、第１に、レーザ１を有し、そのレーザ１は、底面
が正多角形の柱体で複数の反射面を有するミラー３に向
け、光ビーム２を発射する。

ミラー３は、縦軸４を中心にモータ５により高速回転し
ている。

従って、光ビーム２は、ミラー３の反射面で反射され、
反射する方向は、反射面６の傾斜角度により変化する。

ミラー３は、規則的な形状をしているので、光ビーム２
は一度反射されると、βで示されている緯度方向の規則
的な走査を行う。緯度方向の最大走査幅はＤβで示され
ている。

位置を求めようとする物体に対する、緯度方向βとは直
角な経度方向りの走査は、ミラー３の軸の回転によって
行われる。取付は架台７がこの目的のため用意されてい
る。取付は架台７０２本のアーム８は、それぞれピボッ
ト９を有している。

取付は架台７のシャフト１０が、サーボモーターにより
振動動作（揺動動作）する一方、シャフト４はピボット
９に支持されて回転する。シャフト１０は、レーザ１か
ら発せられる光ビーム２とほぼ同軸関係にある。

この装置により、光ビーム２は、反射した後、経度方向
の角度ＤＬの範囲の走査を行うことができる。この経度
方向の走査周波数は、緯度方向の走査周波数と比較して
非常、に小さい。緯度方向の走査周波数が１６００Ｈｚ
である場合、経度方向の走査周波数は、例えば１上程度
である。緯度方向の走査周波数１６００Ｈｚは、反射面
６が１６個あるミラー３を使用し、例えばベルトとプー
リーによる伝動装置１２を介してモータ５によりそのミ
ラー３を６００゜ｒｐｍで回転させることにより実現で
きる。モーター５は、サポート１３により取付は架台７
に固定されており、従って、ミラー３の反射面６は、シ
ャフト４の動きとともに取付は架台７の動きに従う。

このようにして、ミラー３で反射された光ビームは、位
置を求める物体２０のある空間中に線を描く。この物体
としては、先端に工具を備えたロボットアームが挙げら
れる。物体２０の位置は、センサ２１として配置されて
いる位置参照点によって確認される。そのセンサ２１は
光センサである。偏向された光ビーム２２が、第１図に
示す緯度が１゜で経度がＬｏに対応する方向を採るとき
、光ビームはセンサ２１に達する。本発明の実現可能な
実施例に従うと、センサ２１は、広角視野の光電池型の
素子とすることができる。センサ２１は、光を感知する
と、ケーブル２３を介して、特に時間を計測する手段を
具備する測定器２４に、パルスを送る。

ここで重要なことは、このパルスと、このパルスが発せ
られたときの緯度！。および経度し。との関係を正確に
測定することである。これは、モーター５　（またはミ
ラー３）およびサーボモーター１１に角度エンコーダを
取付け、これらの角度エンコーダから測定器２４ヘデー
タを常時送ることにより実現可能であると考えられる。

しかしながら、この形式では、この形式のエンコーダを
正確にセットし、同期させることが困難であることと、
特に緯度方向の走査速度のため、十分な精度の結果が得
られない。

そこで、全く異なる方式が用いられる。スクリーン３０
が、ミラー３と物体２０の間の反射光ビームの光路上に
置かれる。このスクリーンは、レーザｌおよびミラー３
を回転させるサーボモーター１１に対する位置が決まっ
ており、さらに同じサポート３１上に固定されている。

このスクリーンは、例えば不動態処理したステンレス鋼
でできている光ビーム反射および／または散乱フレーム
を有し、最も離れた両端の間に鋼線のコード３８が張っ
である。従って、このスクリーンにより、ミラーからの
反射光ビームが、物体２０のある空間に線を描くことを
妨げられることはない。

この光ビーム反射／散乱フレーム３２は、４個の部品で
構成される。すなわち、光ビームがそれぞれ最大経度Ｌ
Ｈおよび最小経度Ｌ１に偏向されたときに達する２本の
ストリップ３３および３４と、光ビームがそれぞれ最大
緯度β圓および最小緯度１１に偏向されたときに達する
２本のス）　ＩＪツブ３５および３６である。経線方向
のストリップ３３および３４は、両方とも緯線方向のス
）　ＩＪツブ３５および３６を接合している。

光ビームがこれらのス）　ＩＪツブの１つ、例えば０点
に当たると、光ビームは、散乱され、サポート３１に対
する位置が固定され、ケーブル２６を通して測定器２４
に励起情報を送信する第２のセンサすなわち符号化セン
サ２５に入射する。フレーム３２は、符号化センサ２５
に直接光ビームを散乱させてもあるいはまたミラー３を
介して反射させてもよい。

スクリーン３０は、円筒形の一部であり、その軸は補間
計算を簡単にするために取付は架台７の軸と同軸関係に
ある。

同様に、コード３８も、符号化センサ２５に光ビームを
散乱させる。

コード３８は、斜めになっており、その内の多数が緯線
方向のストリップ３５および３６を結んでいる。

ここで、第２図を参照してさらに詳しく説明する。

第２図は、スクリーン３０の平面投影図であり、従って
、同一緯度の点および同一経度の点は、それぞれ水平線
および垂直線で表される。第２図に示されるように、コ
ード３８は、直線的に、平行に、斜めに且つ等間隔で配
置されている。これらのコード上の点の座標は、緯度お
よび経度により一次方程式で表することができる。２本
の連続したコード３８の間の経度方向の間隔をｐしで示
す。

緯度方向の走査の間に、光ビームは、スクリーン３０上
の光路Ｔに沿って動くが、光路Ｔは、経度方向の走査が
かなり遅いためほぼ垂直である。光路Ｔは、まず第一に
、低緯度のスｌ−ＩＪツブ３６における光ビームの散乱
に対応する線分Ａと、隣接する２本のコード３８１およ
び３８２上の２点Ｐ１およびＰ２で光ビームが散乱する
中間部と、高緯度のストリップ３５による光ビームの散
乱に対応する線分Ｂとに分けられる。

コード３８は、等間隔で配置されているので、光路Ｔの
ほとんどは、上記の記述に従う。例外としては、経度方
向の偏向の両端で生じる光路Ｔ°で、これは、光ビーム
が縦方向のストリップ３３および３４のどちらか一方で
ずっと散乱されるからである。

線分ＡおよびＢは、経度に関係なく、緯度の座標がそれ
ぞれβ１と！。、との間およびβつと！。。

との間に位置する点を含んでいる。更に、経線方向のス
）　ＩＪツブ３３および３４は、それぞれ中央へ向かっ
て、経度り。０およびり。、まで広がっている。

従って、物体２０の位置を光センサ２１を通して求める
空間は、緯度！。Ｍと１２０ｍおよび経度し。、、とり
。７で区切られている。

緯度方向の走査の過程を第３図を参照して説明する。タ
イミングチャート４０は、ミラー３で反射された光ビー
ムの緯度を示す。タイミングチャート４１は、光ビーム
の光路が経線方向のストリップ３３．３４のどちらかに
も当たらないときの符号化センサ２５が動作したときの
励起状態の時間軸に沿った分布を示す。反射面６０回転
により、１．からＩＭまで光ビームは等速に回転し、隣
接する反射面で光ビームが反射されると、急にβ、にも
どることがわかる。この結果、光路Ｔ上の線分Ｂの後に
は、次の光路の線分Ａが続くことになる。符号化センサ
２５では、これは、持続時間がｔｐで示された短時間の
ステージ４２となり、また、緯度方向の走査速度が・一
定で、所要時間が１１１なので、このステージ４２は等
間隔に生じる。

２つのステージ４２の間の時間ｔｃ＝（ｔｐ−ｔｐ）の
間にも、符号化センサ２５は、非常に短時間のパルス４
３を発するが、これはコード３８で光ビームが散乱する
ことによるものである。時間間隔ｔｃにおいて、２つの
パルス４３の間隔ｔ３８は、コード３８が等間隔に配置
されているため、一定となる。本発明の特別な実施例に
おいては、もっとも離れた緯線方向のストリップ３５と
３６との間のコード３８の傾斜を２ＸｐＬとすると、時
間ｔｃの中間にパルスが１個しかない特殊な場合を除い
て、時間ｔｃの間に常にパルス４３が２個存在する。

かくして、ステージ４２およびパルス４３は、位置を示
すコードとなる。

センサ２１に光ビームが届（と、センサ２１は、タイミ
ングチャート４４中に示す時間ｔ２１の間パルスを発生
する。そのｔ２１はｔｃよりも短い。測定器２４は、直
前のステージ４２が終わった瞬間τ１と、光センサ２１
がパルスを発生している期間の中心の時間τ５との間隔
ｔｅを測定する。光センサ２１の緯度β。は以下の式で
与えられる。

１ｏ−ｐａａ＋　（ｔｅ／ｌｃ）　　（ｊ２ｏｘ−Ｎｏ
、１）経度の位置探索は、多少異なる。第４図を参照し
て説明する。第４図では、符号化センサ２５は、長い持
続時間のステージ４７および４８の開光を検知しており
、ステージ４７と４８は互いに交互に現れることが示さ
れている。ステージ４７は、光ビームがＬｏ１４よりも
大きな経度にある瞬間に対応し、ステージ４８は、光ビ
ームがり。８よりも小さな経度にある瞬間にそれぞれ対
応している。経度方向の走査時間はＴＬで示されている
。

ステージ４７の終わりでは、光ビームは経度Ｌｏにに偏
向され、この偏向量は、時間とともに減少する。ステー
ジ４８の終わりでは、光ビームは経度し。。

に偏向され、この偏向量は時間とともに増加する。

これらの両端の間では、経度上の位置は、タイミングチ
ャート４１に示されるコード３８によって決められる。

ステージ４２が終わる瞬間τ１と次のステージ４２が始
まる瞬間τ、との間に、時間間隔ｔｃの半分の時間で、
τ１　とて、とに対して対称的に配される符号化ウィン
ドウＦが設けられる。符号化ウィンドウＦの時間的な境
界をτ２およびτ３とすると、以下の式が得られる。

τ２＝τ１＋（τ、−τＩ）／４ τ３＝τ１＋３（τ、−τ１）／４ パルス４３は、常にτ。の瞬間に発生し、τ。はτ２よ
り大きく、且つτ３以下である。このように定義される
パルスは１つである。

かくして、光ビームの経度は、付加される定数項を別に
して以下の式で決定される。

Ｌ＝に−ｐｌ＋ｐｌ・　（τ０−τ２）／（τ、−τ２
）ｋは、コード３８が等間隔に配置されているので、正
の整数である。測定器２４は、この数をカウンターによ
り、例えば、（τ２−τ０）の間隔が減少するとすぐに
インクリメントする。

光センサ２１の経度Ｌ０は、このようにして計算され、
パルスがケーブル２３に生じた瞬間の経度に一致してい
る。上記の式によりり。を計算するパルスを、第３図の
４３０に示す。

このようにして、スクリーン３０は、光センサ２１の空
間における正確な位置を定めることができる。

これは、フレーム３２およびコード３８を正確に組み立
てることで、十分である。タイミングチャート４１およ
び４４のような時間的に不連続なタイミングチャートを
実現するには、測定器２４が５ＭＨｚの周波数をカウン
トできるならば、緯度の走査周波数の範囲内において、
十分な正確さを期することができる。

別の実施例として、以下のものが挙げられる。

光センサ２１は、第１図において参照番号２５で示され
ているセンサと同様なセンサに向かって光ビームを反射
または散乱する純粋な光センサとすることが可能である
。回転ミラー３は、コストの面から、振動ミラーに代え
ることができるが、緯度方向の走査周波数はかなり遅く
なる。最後に、緯度方向の１回の走査の間に光ビームが
横切るコード３８の数は２本でなくてもよく、その理由
は、２つのステージ４２の間の走査時間の間に計数可能
な他の方法があるからである。

本発明の主な応用としては、もちろんこれが唯一の応用
ではないが、ロボット工学がある。

もし、センサ２１の方向だけでなく、位置も特定したい
場合は、本発明のシステムを２つ使用し、コンピュータ
システムで両方のデータを結び付けることにより可能に
なる。

本実施例では、スクリーン３０は、回転ミラー３とセン
サ２１との間に置かれ、センサの方向に発せられた光ビ
ームを受ける。スクリーン３０専用に第２の光ビームを
、イギリス国特許第２０８５５８０号と同様な方法で、
使用することも本発明の範囲を超えていない。この第２
の光ビームは、他のレーザで発生することが好ましい。

この２つの光ビームは、波長または偏光方向を異なるも
のとすることが好ましく、回転ミラー３の周りの光路を
共通にすることが好ましい。例えば、２つのグイクロイ
ックミラーを回転ミラー３の上流側と下流側に用いるこ
とにより、２つの光ビームを合成し、また分離する。そ
のとき、スクリーン３０は、光センサ２１の方向へ発せ
られた光ビームから離して設置する。しかしながら、こ
の方法は、有利ではない。

その理由は、このイギリス国特許とは違った目盛りであ
る、複数の細い線（コード）をスクリーンに用いること
により、単一の光ビームを使って、簡単な装置で、物体
の位置を求め、偏向方向を測定でき、高精度の結果を得
られるからである。

発明の効果 本発明により、分解能が高く、走査速度も十分に実現可
能な物体の位置を求めるシステムが提供される。また、
本発明のシステムは、レーザ光源も１つでよく、簡単な
装置で高い精度が得られ、コストパフォーマンスモ高イ
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の装置の概略図であり、第２図は、本
発明に従う位置測定スクリーンの平面投影図であり、 第３図は、動作時の緯度方向の走査と得られたデータを
示す図であり、 第４図は、動作時における経度方向の走査を示す図であ
る。 〔主な参照番号〕 ｌ・・レーザ、　　　　２・・光ビーム、３・・ミラー
　　　　　４．１０・・シャフト、５・・モーター、　
　６・・反射面、 ７・・取付は架台、　８・・アーム、 ９・・ピボット、１１・・サーボモーター１２・・伝動
装置、　　１３．３１・・サポート、２０・・物体、　
　　　２１・・光センサ、２２・・屈折後の光ビーム、
　２３・・ケーブル、２４・・計測器、　　　２５・・
第２のセンサ、２６・・配線、　　　　　３ｏ・・スク
リーン、３２・・フレーム、 ３３．３４・・経線方向のストリップ、３５．３６・・
緯線方向のストリップ、３８・　・コード、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）光ビームを発する光源と、光ビームが、物体の存
   在する空間の緯度および経度の２方向の走査を行うよう
   、時間の関数として光ビームを偏向させる装置と、前記
   光ビームの偏向方向を測定する装置と、物体に固定され
   ており、前記の光ビームを感知するセンサと、前記セン
   サが前記光ビームを感知した瞬間の前記偏向された光ビ
   ームの方向を測定する手段とを具備することを特徴とす
   る空間中の物体の位置を求めるシステム。 （２）前記光ビームを偏向させる装置が、回転反射ミラ
   ーであることを特徴とする請求項（１）に記載の空間中
   の物体の位置を求めるシステム。 （４）前記柱体を、前記光源と前記ミラーとの間の光ビ
   ームと同一直線上にある第２の軸を中心に振動させる装
   置を具備することを特徴とする請求項（３）に記載の空
   間中の物体の位置を求めるシステム。 （５）前記偏向方向を測定する装置が、光ビームを偏向
   させる前記装置の後に挿入されたスクリーンを有し、該
   スクリーン表面の一部が、光ビームの方向を緯度方向お
   よび経度方向の偏向として測定するために前記光ビーム
   を感知する第２のセンサに向かって、光ビームを反射お
   よび／または散乱することを特徴とする請求項（１）に
   記載の空間中の物体の位置を求めるシステム。 （６）前記偏向された光ビームが、周期的な緯度方向お
   よび経度方向の走査を同時に行い、緯度方向の走査周波
   数は、経度方向の走査周波数よりもはるかに大きく、且
   つ前記スクリーンの光ビームを反射および／または散乱
   する面は、光ビームが緯度方向に最大限偏向した場合に
   光ビームが当たる境界部を有することを特徴とする請求
   項（５）に記載の空間中の物体の位置を求めるシステム
   。 （７）前記スクリーンの光ビームを反射および／または
   散乱する面が、複数のコードを有し、緯度方向の１回の
   走査の際に、前記偏向された光ビームがこのコードの少
   なくとも１本に当たり、前記コードの座標が、緯度およ
   び経度の一次方程式で表されることを特徴とする請求項
   （６）に記載の空間中の物体の位置を求めるシステム。 （８）前記緯度方向の１回の走査の際に、前記偏向され
   た光ビームが当たる前記コードが、２本であることを特
   徴とする請求項（７）に記載の空間中の物体の位置を求
   めるシステム。 （９）前記スクリーンの光ビームを反射および／または
   散乱する面が、光ビームが経度方向に最大限偏向した場
   合に光ビームが当たる境界部を有することを特徴とする
   請求項（６）に記載の空間中の物体の位置を求めるシス
   テム。