JPH0344503A - 測定対象の位置を規定する方法と装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、特に移動する測定対象の位置を規定（測定）
するための方法及び装置に関する。

（従来の技術） 例えば測地学の分野においては、測定対象の所在場所を
三角法により規定することが周知となっている。ここで
は単にＦｈＧリポート３−８８、第３０乃至３３頁にお
ける論文のみを引例として取り上げるが、この論文のそ
の他の部分では本件で詳述しない全ての概念が明確に説
明されている。

この論文に開示されているのは従来の三角法を基礎にし
て実施される測定対象位置の規定方法であって、この場
合測定対象の１点がそれぞれ異なる部位に設けられた２
つの測定ヘッドから照射される各１つのレーザ光線によ
って方位測定される。

各測定ヘッドから出るレーザ光線はそれぞれ測定対象に
固定された特殊なレトロリフレクタ（逆反射器）上に照
射され、このレトロリフレクタから照射方向と平行に反
射される。レーザ光線はこれがレトロリフレクタのセン
ターで生じたものでない場合には、照射光線と平行に移
動される。反射光線におけるこの平行移動は両測定ヘッ
ド内でポジション感知性のダイオード（所謂ポジコン：
Ｐｏ５ｉｃｏｎ）により検出される。各ポジコンの出力
信号はデジタル式の追従制御装置に人力信号として印加
されるが、デジタル追従制御装置はモータで駆動される
回転ミラーを介して光線の方向を後調整し、これによっ
てレーザ光線がレトロリフレクタのセンターに「当たる
」ようにする。次いで立体的な光線角度の連続測定を行
うことにより各光線の交点、即ちレトロリフレクタにお
けるセンターの位置が三角法に基いて規定される。その
ためには両測定ヘッド（即ち光線回転点）の各位置が正
確に既知のものとされていなければならない。

これらの位置は全システムを構成する際の基準化プロセ
ス中に半ば自動的に規定される。このような操作方法が
採用されるならば、移動する測定対象の位置を外部から
無接触方式で反作用を生ぜしめることなくしかも精確に
測定することが可能になる。

この方法によれば固定的に取付けられた測定ヘッドの外
部座標系（ｘ）、　　（ｙ）、（ｚ）に対する測定対象
もしくは測定対象座標系（Ｘ　）、（ｙ’　）、（ｚ’
　）の並進運動を検出することが出来る。

測定対象の所在する場所を規定するためのこの公知の方
法は例えばロボットの手が位置する場所をつまり「オン
ラインコスペース内における方位測定された点の直交座
標を検出するために利用される。この独立した外部測定
システムを用いることにより、個々のアクスルドライブ
における位置による通常の間接的な位置測定では駆動要
素の弾性及び遊隙などにより誤差が生じるような、例え
ばロボットもしくは精密な処理及び加工機械の場合でも
精確な測定及び制御を実施することが可能になる。

ＦｈＧリポート３−８８の第３０乃至３３頁に開示され
ている方法及びこの方法を実施するための装置によれば
、両測定ヘッドの位置に対して相対的な１点の座標、特
に移動する測定対象の１点における座標を極めて精確に
規定することは可能とされているものの、レトロリフレ
クタのセンターを中心とした測定対象の回転運動を検出
することは出来ない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は冒頭に述べた形式による方法及びこの方
法を実施するための装置に改良を加えて、特に移動する
測定対象の所在場所のみならず、その回転運動をも検出
可能とすることにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） この課題を解決すべく提案された本発明の措置によれば
、先づその方法に関しては腑足的に測定対象の回転位置
の検出を可能とするためにレトロリフレクタの部分的な
鏡面化を行い、このレトロリフレクタ上に当てられる照
明光線の一部にレトロリフレクタを貫通させ、レトロリ
フレクタを貫通するこのレーザ光線がレトロリフレクタ
のセンターから距離をおいて配置されたセンサー平面で
検出されるようになっており６、更にこの方法を実施す
るための装置に関してはレトロリフレクタが部分的に鏡
面化されており、レトロリフレクタのセンターから距離
をおいて配置された測定対象における平面にレトロリフ
レクタを貫通する光線の当てられる少くとも１つの別の
場所感知性のセンサーが設けられており、評価／制御ユ
ニットがセンサーの出力信号に基いて測定対象の回転位
置を規定するように構成されている。本発明によるその
他の有利な構成は、各従属請求項にその請求対象として
記載されている。

（作　用） 本発明によれば部分的に鏡面化されたレトロリフレクタ
（逆反射器）か用いられる。レトロリフレクタの部分的
な鏡面化を行うことにより一方では両測定ヘッドから出
る光線がそれ自体と平行に反射され、ひいては測定対象
のポジションが三角法により規定可能となるのに対し、
他方では両光線がレトロリフレクタを貫通しセンサー平
面で検出される。このようにしてレトロリフレクタにお
けるセンターからの距離が既知のものである場合センサ
ー平面に光線の当たる点によって受信機システムの回転
位置を規定することが可能になる。

従って本発明の構成方式によれば、受信機システム、即
ちレトロリフレクタとこれに所属する場所感知性のセン
サーとにおける６つの自由度を、全て、受信機システム
に配属されている座標系（ｘ’　）、　　（ｙ’　）、
（ｚ’　）内で検出することが出来る。この受信機シス
テムは測定しようとする対象の内部もしくは表面に固定
されているので、測定しようとする対象の位置及び回転
位置も精確に規定されている。

請求項（２）には本発明の特に有利な実施態様が示され
ている。レトロリフレクタの反射特性に基いてポジショ
ン感知性のセンサーを用いた位置差の検出が可能となっ
ているので、光線特にレーザ光線を追従制御装置により
常にゼロ点に即ちレトロリフレクタの中心点に追従させ
ることが出来る。

この構成様式によって場所検出に加えて位置検出をも容
易に行うことができる。

（実施例） 次に本発明の一般的な構想に制限を加えることなく、テ
キストでは詳述されてない全ての細部をも明確に示七で
いる添付の図面に即して本発明の詳細な説明する。

第１図には本発明による装置に一部、特に測定対象が位
置する場所の規定を可能ならしめる部分が示されている
。この図には示されてない測定対象に装着されたレトロ
リフレクタ（Ｒ）は、センター（Ｚ）（第２図参照）か
ら距離ｄをおいて照射される光線を２ｄの距離だけ平行
移動して反射する。なお反射光線におけるこの平行移動
はレトロリフレクタ（Ｒ）に当てられる光線の入射角と
は無関係である。

本発明による装置は２つの測定ヘッド（１）、（２）を
有しており、互いに異なる位置に配置されているこれら
の測定ヘッド（１）、　　（２）は、それぞれ↓つのレ
ーザ（Ｌ１）、（Ｌ２）　、例えばヘリウムネオンレー
ザ−（ＨｅＮｅ−Ｌａｓｅｒ）を自由に処理することが
出来る。これらのレーザから出されるレーザ光線（ｅｌ
）又は（ｅ２）は照明光線路内で機能することなく光線
ディバイダーブロック（ＳＴ）を貫通し、移動可能な表
面ミラー（Ｓｐ）によりレトロリフレクタ（Ｒ）上に照
射される（第２図参照）、このレトロリフレクタ（Ｒ）
から反射する光線（ｒ１）、（ｒ２）は、表面ミラー（
Ｓ　ｐ）により反射され、光線ディバイダーブロック（
ＳＴ）により場所感知性センサー（ＰＤ）上に偏向され
る（矢張り第２図参照）、連続照射型のレーザの場合に
はＣＣＤマトリクスもしくはＰＳＤマトリクスを、また
パルス型レーザの場合にはポジション感知性のフォトダ
イオード（ポジコン又はポジション感知装置とも称する
）を、それぞれ使用すると有利である。

各表面ミラー（Ｓ　ｐ）はレーザ光線（ｅｌ）又は（ｅ
２）と合致する回転軸線を中心として回転可能であると
同時に、この回転軸線に対して垂直な且つ表面ミラー（
Ｓ　ｐ）のレーザ光線照射点で回転軸線と交差する旋回
軸線を中心として旋回可能になっている。そのために各
測定へ・ソド内のレーザ（Ｌ１）、　　（Ｌ２）は、そ
のレーザビームが精確に所属の各回転軸線内に位置し両
軸線の交点でミラー表面に照射されるように調整される
。光線ディバイダーブロック（ＳＴ）及びセンサー（Ｐ
Ｄ）は表面ミラー（Ｓ　ｐ）と共に回転軸線を中心とし
て回転運動を行う。

これら２本のレーザ光線はそのライトスボ・ソトを出来
るだけ小さなものに抑えるため、図示されてない光学系
により全光線路（光線デイノくイダー及びレトロリフレ
クタを含む）に亙って所属のセンサー（ＰＤ）上に照準
される。

個々の軸線を中心として表面ミラー（Ｓ　ｐ）を駆動す
るために設けられた各モータ（Ｍ）は、符号（μＣ）で
−括して示された制御／評価ユニットの追従制御部によ
り制御される。なおこの制御／評価ユニット（μＣ）の
機能については以下で詳しく説明する。

個々の軸線を中心とした表面ミラー（Ｓ　ｐ）の回転運
動はそれぞれ各軸上に配置された増分角度符号器（ＷＫ
ＩＩ）・・・（ＷＫ２２）により検出され、その出力信
号はそれぞれ１つのカウンタ（Ｃ）を介して制御／評価
ユニット（μＣ）における評価部に接続される。

第２図には両測定ヘッド（１）、　　（２）が概略的に
示されており、これらの測定ヘッド（１）、（２）から
発せられる（レーザ）光線（ｅ１）、（ｅ２）はその位
置を規定しようとする測定対象（３）に装着されたレト
ロリフレクタ（Ｒ）のセンター（Ｚ）で合致する。更に
この第２図には「両測定ヘッド（↑）、　　（２）に固
定結合された」外部の座標系（ｘ）、　　（ｙ）、　　
（ｚ）と検出しようとする測定対象に固定結合され、レ
トロリフレクタ（Ｒ）のセンター（Ｚ）上にゼロ点を有
している座標系（ｘ’　）、　　（ｙ’　）、（ｚ’　
）とが示されている。

レトロリフレクタ（Ｒ）は部分的に鏡面化されており従
って照射される光線における一方の部分（ｒ１）、　　
（ｒ２）のみが反射されるのに対して、他方の光線部分
（ｔ１）、　　（ｔ２）は部分的に鏡面化されたレトロ
リフレクタ（Ｒ）を貫通する。

レトロリフレクタセンター（Ｚ）の「後方に」距離２′
をおいて配置された場所感知性のセンサー（ＳＥ）は、
そのセンサー平面においてレトロリフレクタを貫通する
両光線部分（ｔ　１）　、　　（ｔ　２）の交点即ち座
標（Ｘ’　１＊　　ｙ’　１＋　　Ｚ　　）と（Ｘ　　
２１　　’ｌ’　２　＋　　２’　）とを規定する。こ
れらのセンサー（Ｓ　Ｅ）の出力信号は、矢張り、制御
／評価ユニット（μＣ）に印加される。

センサーとして所謂ポジコンを使用する場合には両光線
合致点を明確に分離するため２つのポジコンを配設して
おくことが望ましく、これらのポジコンには必要に応じ
て適宜な光学要素、例えばレンズ、光線ディバイダー等
を前接続することが可能である。なおこの場合両光線合
致点を分離することの出来る続出エレクトロニクスを備
えたＣＣＤユニットをポジコンの代りに用いてもよいこ
とは云うまでもない。

以下ではまず初めに第１図について測定対象の場所の規
定、即ち測定対象の１点における直交座標の規定に関す
る説明を、次いで第２図について測定対象の位置の規定
に関する説明を行う。

各測定ヘッド（１）又は（２）から発せられたレーザ光
線（ｅｌ）及び（ｅ２）はその位置を規定しようとする
測定対象に固定されたレトロリフレクタ（Ｒ）上に照射
され、レトロリフレクタ（Ｒ）により照射光線と平行に
反射される。

レトロリフレクタ（Ｒ）上で反射する光線がリフレクタ
センター（第２図におけるＺ）から偏倚する場合には反
射する光線の平行移動が生じこの平行移動値（偏差）が
場所感知性のセンサー（ＰＤ）によって検出される。セ
ンサー（ＰＤ）の出力信号は制御／評価ユニット（μＣ
）における追従制御部に入力信号として印加されるが、
この制御／評価ユニットとしては例えば周辺カード乃至
インターフェイスカードの配属された通常市販のコンピ
ュータを用いることが可能である。この制御／評価ユニ
ット（μＣ）は、光線が常にレトロリフレクタ（Ｒ）の
センター（Ｚ）に方向づけられるようにモータで回転駆
動される表面ミラー（Ｓｐ）を介して光線方位の後調整
を行う。

制御／評価ユニット（μＣ）における評価部は増分角度
符号器（ＷＫＩＩ）・・・（ＷＫ２２）によって連続的
に測定される立体的な光線角度値から両光線の交点即ち
レトロリフレクタ（Ｒ）の位置を三角測定法に基いて算
出する。そのためには両測定ヘッド（つまり光線回転点
）の各位置を精確に求めなければならないが、この数値
は全システムの据付けに際する基準化プロセスで半ば自
動的に規定される。

単数または複数のセンサー（Ｓ　Ｅ）における出力信号
と一度は測定されるべきセンサー平面に対するレトロリ
フレクタセンター（Ｚ）の相対ポジションとに基いて、
センサー平面（ＳＥ）及びレトロリフレクタセンター（
Ｚ）により確定される受信機座標系（ｘ’　）、（ｙ’
　）、（ｚ’　）内における光線路の計算が行われる。

外部に位置する座標系（ｘ）、（ｙ）、（ｚ）内におけ
る光線の経路並びにレトロリフレクタセンター（Ｚ）の
位置は既に述べたように三角法によって検出されるので
、外部の座標系（ｘ）、（ｙ）、（ｚ）に対する受信機
座標系（ｘ’　）、　　（ｙ’　）、　　（ｚ’　）の
並進運動及び回転運動を規定することが可能になる。

そのために応用された比較的単純なアリゴリズムは、以
下に述べる考察から演鐸されたものである。即ちレトロ
リフレクタ（Ｒ）のセンター（Ｚ）の位置を不変なもの
として測定対象（３）を２軸線の周りで回転させるなら
ば、その結果として光線部分（ｔ１）、（ｔ２）とセン
サー平面（Ｓ　Ｅ）との交点が円運動を行うことになる
。これに対して測定対象（３）をＸ′軸軸線周りで回転
させた場合には、交点がｙ′軸方向で摺動しそのＸ　ポ
ジションは殆どコンスタントに保たれる。

これと同じようにｙ′軸線を中心にして測定対象（３）
を回転させるならば、交点がＸ′軸方向で摺動しそのｙ
′ポジションは殆どコンスタントに保たれる。

従来のレーザ光線三角測定法によれば単に２つの座標系
における相対的な並進運動を測定することが可能とされ
ていたに過ぎないが、本発明による方法及び装置を利用
するならば、外部の座標系に対する受信機座標系の回転
運動をも補足的に測定することが出来る。従って一部シ
ステムの較正（予め設定可能な外部座標系ｘ、ｙ、ｚと
測定ヘッドの座標系との間における変換の検出）を行い
さえすれば測定対象の位置と方位とを外部から測定する
ことが可能である。

次にまだ詳しく説明していない制御／評価ユニットの構
造について簡単に説明する。

制御／評価ユニットは例えばポジコンエレクトロニクス
内で各場所感知性ポジコンダイオードの電流差をセンサ
ーの活性面上におけるライトスポットのずれに比例する
電圧に変換する。生ぜしめられる全強度と比例するトー
タル信号を用いて行われる基準化によって、出力信号は
大きな許容限度内で光の強度とは無関係な状態に保たれ
る。反射された光線が主としてセンサーに当てられるか
否かを、つまり追従制御装置が作動可能であるか否かを
決定するためトータル信号は各センサーによって補足的
に検出される。

通常の周辺機器を有する制御プロセッサはアナログデジ
タル変換処理に基いてセンサー（Ｐ　Ｄ）の出力信号か
らモータ制御のための目標値を計算し、この目標値を例
えば直流モータとして構成可能なモータを制御するよう
に処理し、これによって得られた適正な制御値をモータ
に印加する。

カウンタ（Ｃ）は角度符号器（ＷＫＩＩ）・・・（ＷＫ
２２）により記録された増分をカウントするために用い
られ、その４つのカウンタスタンドからはゼロ位置に関
する知識に基いてレーザ光線（ｅ１）、　　（ｅ２）に
おける４つの立体角度が得られる。

中央制御プロセッサとしての制御／評価ユニット（μＣ
）は、３つの主要な機能、即ち追従制御。

三角計算による測定値規定、システムの設置に際しての
み必要とされる基準化との各機能を発揮する。

以上本発明を１つの実施例につき発明の一般的構想に制
限を加えることなく説明してきたが、この実施例におい
て種々異なる多くの変化態様が可能であることは言うま
でもない。

例えば各光線部分（ｔｌ）又は（ｔ２）のためには単に
１つだけではなくそれ以上の、例えばレトロリフレクタ
（Ｒ）のセンター（Ｚ）からそれぞれ異なった距離で配
置することの出来る２つのポジション感知性のセンサー
を設けておくことが可能であり、或はレトロリフレクタ
のセンターに対するレーザ光線（ｅ１）、　　（ｅ２）
の二次調整が行われない場合ですら、図示されてない所
属の光学系（収束レンズ）と光線ディバイダーとによっ
て、光線部分（ｔ　１）　、　　（ｔ　２）における方
向及び照射点を測定することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は三角法に基いて測定対象の所在場所規定を可能
なものにする本発明による装置の一部を示した図、 第２図は回転位置の規定を可能なものにする本発明によ
る装置の一部を概略的に示した図である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）三角法により測定対象の位置を規定する方法であ
   って、測定対象の所在場所を規定するために、互いに異
   なる方向での２つの照明光線を測定対象に装着された少
   くとも１つのレトロリフレクタに向け、反射された光線
   を場所感知性のセンサーにより検出する形式の方法にお
   いて、 補足的に測定対象の回転位置検出を可能とするためにレ
   トロリフレクタの部分的な鏡面化を行い、このレトロリ
   フレクタ上に当てられる照明光線の一部（ｔ１）、（ｔ
   ２）にレトロリフレクタを貫通せしめ、レトロリフレク
   タを貫通するこの照明光線の一部（ｔ１）、（ｔ２）を
   レトロリフレクタのセンターから距離をおいて配置され
   たセンサー平面で検出することを特徴とする方法。
2. （２）三角測定法により測定対象の位置を規定するため
   の装置であって、測定対象に装着された少くとも１つの
   レトロリフレクタ（Ｒ）に向けてそれぞれ異なった方向
   で２つの照明光線（ｅ１）、（ｅ２）を当てられる２つ
   の照明光線源（Ｌ１）及び（Ｌ２）と、レトロリフレク
   タ（Ｒ）により反射される各光線（ｒ１）、（ｒ２）の
   ための場所感知性のセンサーユニット（ＰＤ）とを備え
   ており、センサーユニット（ＰＤ）の出力信号が評価／
   制御ユニット（μＣ）に印加される形式の装置において
   、 レトロリフレクタ（Ｒ）が部分的に鏡面化されており、
   このレトロリフレクタ（Ｒ）のセンター（Ｚ）から距離
   をおいて配置された測定対象における平面に、レトロリ
   フレクタ（Ｒ）を貫通する光線（ｔ１）、（ｔ２）を当
   てられる少くとも１つの別の場所感知性のセンサー（Ｓ
   Ｅ）が設けられており、評価／制御ユニット（μＣ）が
   センサー（ＳＥ）の出力信号に基いて測定対象の回転位
   置を規定するように構成されていることを特徴とする装
   置。
3. （３）常に照明光線（ｅ１）、（ｅ２）がレトロリフレ
   クタ（Ｒ）のセンター（Ｚ）に当てられるようにするた
   めに、評価／制御ユニット（μＣ）が照明光線（ｅ１）
   、（ｅ２）に追従可能となっていることを特徴とする請
   求項（２）記載の装置。
4. （４）各照明光線（ｅ１）、（ｅ２）の光線路内にそれ
   ぞれ１つのミラー（Ｓｐ）が配置されており、評価／制
   御ユニット（μＣ）がその追従運動のためミラー（Ｓｐ
   ）上に当てられる照明光線 （ｅ１）、（ｅ２）と合致する回転軸線を中心にしてミ
   ラー（Ｓｐ）を回転させると同時に、この回転軸線に対
   し垂直な且つ光線の照射点でこの回転軸線と交差する旋
   回軸線を中心にしてミラー（Ｓｐ）を旋回させるように
   構成されていることを特徴とする請求項（３）記載の装
   置。
5. （５）ミラー（Ｓｐ）と照明光線源（Ｌ１）、（Ｌ２）
   との間に位置する光線路内に、反射された光線（ｒ１）
   、（ｒ２）を場所感知性のセンサー（ＰＤ）上に向ける
   光線ディバイダー（ＳＴ）が設けられていることを特徴
   とする請求項（４）記載の装置。
6. （６）光線ディバイダー（ＳＴ）及びセンサー（ＰＤ）
   がミラー（Ｓｐ）と共に、照明光線（ｅ１）、（ｅ２）
   と合致する軸線を中心として旋回可能となっていること
   を特徴とする請求項（５）記載の装置。
7. （７）角度表示機（ＷＫ１１）、（Ｋ１２）、（ＷＫ２
   １）、（ＷＫ２２）が各光線路内におけるミラー（Ｓｐ
   ）の旋回運動及び回転運動を検出するように構成されて
   おり、評価／制御ユニット（μＣ）が測定対象の位置規
   定のために角度表示機の出力信号を利用するように構成
   されていることを特徴とする請求項（４）乃至（６）の
   いずれか１項に記載の装置。
8. （８）場所感知性のセンサー（ＰＤ）及び（ＳＥ）がポ
   ジション感知性のダイオードもしくはＣＣＤセンサーと
   して構成されていることを特徴とする請求項（２）乃至
   （７）のいずれか１項に記載の装置。
9. （９）レトロリフレクタ（Ｒ）を貫通する光線（ｔ１）
   、（ｔ２）の光線路内に、少くとも２つの場所感知性の
   センサー（ＳＥ）が設けられていることを特徴とする請
   求項（２）乃至（８）のいずれか１項に記載の装置。
10. （１０）レトロリフレクタ（Ｒ）とセンサー平面（ＳＥ
    ）との間に１つのレンズ系及び／または光線ディバイダ
    ーが配置されていることを特徴とする請求項（８）また
    は（９）に記載の装置。