JPH0334563B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、産業用ロボツトの視覚センサとし
て、あるいは物体の形状、寸法、位置等の検査、
位置決め用非接触センサとして利用するスポツト
光位置検出装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 従来、溶接、塗装、組立、検査等の自動化、無
人化のために、各種のセンサが使用されている
が、特に光学式センサは、測定レンジ、分解能、
応答性、柔軟性あるいは大局的および微視的な計
測ができる優位性を他方式に比し有しているため
注目されてきている。その代表的なものは、固体
撮像素子（例えば、CCD素子）やPSD
（POSITION SENSITIVE DETECTOR）をセ
ンサとして用い、スリツト光やスポツト光を被測
定物（ワーク）に投光して、その投光像の特徴点
（例えば、折曲点）等から、ワークの形状や位置
等を計測する方法がある。第１図は前記従来例を
示したもので、第11回産業用ロボツトシンポジウ
ム（1981年10月東京で開催）で発表されたもので
ある。その構成を説明すると、１は近赤外LED、
２は前記近赤外LED１からの光をスポツト光
（略円形状の平行光束）に絞るためのコリメート
レンズ、３はスポツト光を溶接ワーク４上に投光
し、そのスポツト光を走査するためのガルバノメ
ータ、５は溶接ワーク４上でのスポツト光像で、
このスポツト光像５を集光レンズを介して、２次
元PSDセンサ７上に結像させる。そして前記２
次元PSDセンサ７はその上に結像されたスポツ
ト光像の照度重心に比例した信号を出力するの
で、２次元PSDセンサ７の面上にＸ−Ｙ軸を設
け、面に垂直な軸をＺ軸とするような座標系を設
定し、２次元PSDセンサ７と集光レンズ６およ
びガルバノメータ３の位置関係と、スポツト光の
投光方向（位置）を決めれば、２次元PSDセン
サ７の面上のスポツト光像の位置データから溶接
ワーク４の面上のスポツト光像５の位置を三角測
量の原理で算出できる。したがつて、第１図の溶
接ワーク４の溶接線８の位置は、２次元PSDセ
ンサ７で検出されたスポツト光像の位置データを
もとにして、マイクロコンピユータ等で容易に算
出できる。このように２次元PSDセンサ７を用
いれば、スポツト光像５の照度重心を自動的に検
出してくれるのでCCD素子を用いる方法に比し、
像のぼけを気にしなくてもよいことやスポツトの
位置を求めるための細線化処理等の演算が不要な
ことやランダムアクセスであるため高速の検出が
可能である等の利点を有する。

ところが、第２図に示すように凹状の形状をし
た溶接ワーク４ａの斜面にスポツト光９を投光す
ると、点Ｃで反射された光が点C′にも像をつくる
ことになり、２次元PSDセンサ７上には点Ｃ，
C′に対する点Ｄ，D′の像が検出され、２次元
PSDセンサ７は点Ｄ，D′の照度重心位置すなわ
ち点D″を出力する。検出したいのは、スポツト
光９の点Ｃに対する点Ｄの位置であるのに、反射
の影響から点D″に偏位し、（Ｄ−D″）分が検出誤
差となる。この検出誤差は、斜面の反射状態によ
つても大きく影響を受け、２次元PSDセンサ７
を利用する場合は、溶接ワーク４ａの斜面の形状
を検出することは困難である。また第３図に示す
ように溶接ワーク４ｂは特に厚板の場合、Ｖ型の
開先であり、開先ギヤツプ巾（GW）を±0.2mm
程度の精度で検出する必要がある。しかし、前記
の反射の問題やスポツト光の光源としてLED素
子を使用した場合は、スポツト光径として0.7〜
1.0mm程度にしか光径を絞れないため、開先ギヤ
ツプの巾を要求精度内で計測することができな
い。このため、２次元PSDセンサ７を使用した
場合は、反射の影響を受けない凸状物体の計測に
しか適用できないことになり、制約が多くかつ計
測精度も十分ではない問題点があつた。

発明の目的 本発明は、前記従来の問題点（反射の問題やス
ポツト光の形状）を解消することにより、物体の
３次元的な位置、形状、寸法の測定を可能にする
視覚センサとしてのスポツト光位置検出装置を提
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に、本発明は、スポツ
ト光を設定するスポツト光設定手段と、前記スポ
ツト光を溶接ワーク等の被測定物上に投光し１次
元的に走査するスポツト光投光走査手段と、前記
スポツト光の投光方向を検出するスポツト光投光
方向検出手段と、光学レンズおよび１次元光電素
子を複数個並列に配置した１次元光電素子センサ
を組合せたスポツト光像検出手段と、前記スポツ
ト光投光方向検出手段の検出データにもとづき前
記スポツト光像検出手段の１次元光電素子を順次
選択するセンサ出力選択手段とを設けたものであ
る。

実施例の説明 以下、本発明の実施例につき図面の第４図〜第
７図ａ，ｂに沿つて説明する。はスポツト光を
設定するスポツト光設定手段で、発光部１０と、
前記発光部１０の出力を制御する光源制御回路１
１と、前記発光部１０から出力された光をスポツ
ト光に絞るコリメートレンズ１２とから構成され
ている。そして、前記発光部１０はLED素子、
半導体レーザ、ガスレーザ等を利用するが、半導
体レーザ等のレーザを利用すれば、LED素子の
場合に比し、スポツト光をより小さく絞ることが
できる。また、コリメートレンズ１２は通常の光
学レンズや屈折率が中心軸から外周面に向つて放
射線状に分布している円柱状の光学ガラスレンズ
等を利用する。はスポツト光を溶接ワーク４ｃ
等の被測定物上に投光するとともに、それを１次
元的に走査するスポツト光投光走査手段で、反射
鏡１３をモータ等で構成した操作機構部１４によ
り回転させたり、あるいは一定角度巾振らせる
（揺動させる）。この場合、スポツト光が前記反射
鏡１３を中心にして扇状に投光されるが、扇状で
なく平行に投光させたい場合（この方がスポツト
光の位置演算が容易になる）、第５図ａに示すよ
うに、反射鏡１３と、前記反射鏡１３を回転もし
くは揺動するための操作機構部１４と凸レンズ１
５を設け、前記反射鏡１３を凸レンズ１５の略焦
点に配置することにより、平行な投光光線を１次
元的に走査させることができる。なお、第５図ｂ
で示すように、第５図ａの凸レンズ１５の代りに
凹面鏡１６を用いても同様の平行な１次元走査が
可能である。１７は走査機構部１４を駆動する制
御回路、は前記スポツト光投光走査手段によ
りスポツト光を走査させた時のスポツト光の投光
方向（すなわち、走査方向もしくは位置）を検出
するスポツト光投光方向検出手段で、回転角度検
出器１８と信号処理回路１９とにより構成され
る。そして、第４図に示すように、走査機構部１
４に接続したパルスエンコーダまたはポテンシヨ
メータ等の回転角度検出器１８により前記反射鏡
１３の回転角度を検出し、前記信号処理回路１９
に入力する。なお、走査機構部１４にパルスモー
タを用いれば回転角度検出器１８は省略でき、信
号処理回路１９によつて、前記パルスモータに与
えられる制御信号を検知するのみでよい。は溶
接ワーク４ｃ上に投光されたスポツト光像５の位
置を検出するスポツト光像検出手段で、光学レン
ズ２０と、複数個並列または横列にならべた１次
元光電素子センサ２１とを組合せたものである。
なお、１次元光電素子センサ２１としては１次元
のイメージセンサや１次元のPSD素子等を用い
ることができる。また、光学レンズ２０として、
一定の波長の光のみを通す干渉フイルタ効果のあ
るものを用いるか、組み合わせると、光ノイズに
対してＳ／Ｎの高い信号が得られる。は前記ス
ポツト光投光方向検出手段の出力信号にもとづ
いて、前記１次元光電素子センサ２１を順次選択
するセンサ出力選択手段で、アナログ信号マルチ
プレクサ等の選択回路２２により構成される。
V₀は選択された１次元光電素子センサ２１の出
力である。この出力V₀／をＡ／Ｄ変換して、マ
イクロコンピユータ内に取込めば、各種の計測、
認識処理ができるものである。このようにスポツ
ト光投光走査手段からの投光方向と同期して、
１次元光電素子センサ２１が選択される仕組みに
なつているため、従来の２次元PSDを用いたも
のに比し、反射の影響による検出精度の低下は格
段に小さくなるものである。さらに本実施例につ
き詳細に説明する。まず、発光部１０として、
25mWの半導体レーザ（波長830nm）を10KHz
に変調したものを用い、コリメートレンズ１２
で、スポツト光の光径として0.4mmφに絞り、こ
れを走査機構部１４としてのDCモータに取付け
た反射鏡１３により第６図に示すような溶接ワー
ク４ｃに扇状に走査させる。また反射鏡１３の回
転角は5゜で、これは溶接ワーク４ｃ面上の走査巾
にして、約20mmに相当するものである。つぎに反
射鏡１３の回転角の検出は、前記DCモータに直
結した回転角度検出器１８としてのパルスエンコ
ーダ（4000パルス／Ｔ）にて検出し、信号処理回
路１９としてのエンコーダパルス４倍周波数回路
により、0.025゜の分解能で検出する。また信号処
理回路１９ではこの検出パルスをベースにして、
反射鏡１３の回転角0.5゜毎に、選択回路２２とし
てのアナログ信号マルチプレクサに信号を送り、
１次元PSD素子（１×10mm）を10ケ並べた１次
元光電素子センサ２１の出力選択を行う。なお、
光学レンズ２０には、通常の凸レンズと800〜
850nmの波長の光を85％以上通す干渉フイルタを
組み合せて使用した。なお、反射鏡１３から溶接
ワーク４ｃの平板部までの距離は、約150mmであ
つた。

本実施例により得られた検出データの一例を第
７図ａに示す。波線が実際の開先形状に対応する
基準値であり、黒点が検出データである。なお、
１次元光電素子センサ２１からの出力は電流信号
のため、これを選択回路２２で電流電圧変換し、
信号増巾を行い（約80dB）、さらに10KHzのバ
ンドパスフイルタを介し、Ａ／Ｄ変換してマイク
ロコンピユータ内に取込み、１次元光電素子セン
サ２１のPSD素子面上でのスポツト光像の位置
信号に変換したものが、この黒点データである。
これより、開先ギヤツプ巾の検出精度は±0.2mm
以内にできること、反射の影響がほとんどなく、
開先形状を±0.2mmの精度で検出できることが明
らかになつた。つぎに、第７図ｂは従来の２次元
PSD素子を用いた場合、スポツト光投光方向検
出手段およびセンサ出力選択手段は不要の結
果を示すものであるが、開先内のスポツト光の反
射の影響により、開先ギヤツプ巾はもちろんのこ
と、開先形状の検出もきわめて不正確であること
が明白になつた。

発明の効果 本発明によれば、如何なる形状の物体でも、反
射の影響をほとんど無視でき、かつ半導体レーザ
によるスポツト光径の小径化や干渉フイルタによ
る光ノイズカツト効果により、きわめて正確な物
体の３次形位置、形状、寸法等の計測が可能とな
り、マイクロコンピユータ等の制御回路とを組合
せることにより高性能、高信頼、低価格な産業用
の視覚センサとしてのスポツト光位置検出装置を
得ることができる優れた効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の３次元物体検出装置を示す説明
図、第２図および第３図はそれぞれ従来例の作用
説明図、第４図は本発明の実施例におけるスポツ
ト光位置検出装置の説明図、第５図ａ，ｂはそれ
ぞれスポツト光投光走査手段の実施例を示す説明
図、第６図は溶接ワークの斜視図、第７図ａ，ｂ
はそれぞれ検出データの特性図である。 ……スポツト光設定手段、……スポツト光
投光走査手段、……スポツト光投光方向検出手
段、……スポツト光像検出手段、……センサ
出力選択手段、９……スポツト光、１０……発光
部、１１……光源制御回路、１２……コリメート
レンズ、１３……反射境、１４……走査機構部、
１５……凸レンズ、１６……凹レンズ、１７……
制御回路、１８……回転角度検出器、１９……信
号処理回路、２０……光学レンズ、２１……１次
元光電素子センサ、２２……選択回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ スポツト光を設定するスポツト光設定手段
   と、前記スポツト光を溶接ワーク等の被測定物上
   に投光し１次元的に走査するスポツト光投光走査
   手段と、前記スポツト光の投光方向を検出するス
   ポツト光投光方向検出手段と、光学レンズおよび
   １次元光電素子を複数個並列に配置した１次元光
   電素子センサを組合せたスポツト光像検出手段
   と、前記スポツト光投光方向検出手段の検出デー
   タにもとづき前記スポツト光像検出手段の１次元
   光電素子を順次選択するセンサ出力選択手段とを
   備えたスポツト光位置検出装置。 ２ スポツト光設定手段は半導体レーザとコリメ
   ートレンズとの組合せからなる特許請求の範囲第
   １項記載のスポツト光位置検出装置。 ３ スポツト光像検出手段の１次元光電素子とし
   てPSD素子を用いた特許請求の範囲第１項記載
   のスポツト光位置検出装置。 ４ スポツト光投光走査手段は反射鏡と前記反射
   鏡を回転または揺動させる走査機構部とからなる
   特許請求の範囲第１項記載のスポツト光位置検出
   装置。 ５ スポツト光投光走査手段は反射鏡と前記反射
   鏡を回転または揺動させる走査機構部と凸レンズ
   とからなり、前記反射鏡の回転軸または揺動軸を
   前記凸レンズの略焦点に配置した特許請求の範囲
   第１項記載のスポツト光位置検出装置。 ６ スポツト光投光走査手段は反射鏡と前記反射
   鏡を回転または揺動させる走査機構部と凹面鏡と
   からなり、前記反射鏡の回転軸または揺動軸を前
   記凹面鏡の略焦点に配置した特許請求の範囲第１
   項記載のスポツト光位置検出装置。 ７ スポツト光像検出手段の光学レンズは、干渉
   フイルタ作用のあるレンズである特許請求の範囲
   第１項記載のスポツト光位置検出装置。