JPH04155203A

JPH04155203A - 光学式３次元位置検出装置

Info

Publication number: JPH04155203A
Application number: JP28087990A
Authority: JP
Inventors: Kenzaburo Iijima; 健三郎飯島; Katsufumi Kondo; 克文近藤
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1992-05-28

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〉この発明は光学式３次元位置検出装置に関し、検出対象
である物体に全方向光反射体を付設し、その間隔が既知
の２つの測定部で発光走査し、反射光の測定部への入射
角相当値およびこの間隔に基づいて該物体の３次元位置
をＷ−比することにより、物体の３次元位置（座標）を
簡単な装置構成で検出するものである。〈従来の技術〉従来より３次元立方物の位置測定を可能にしたものとし
ては、例えば特開昭５９−２１８５３９号公報に示す３
次元スペースデジタイザが知らている。このものは、ソース（直交コイル）に交流をえ、磁界を
発生させる。この磁界中にセンサ（交コイル）を置くと
センサに電流が誘起される。この電流の大きさをコンピュータで処理して位。角度データを出力するものである。また、従来より撮像デバイスを用いた画像外：方式位置
センサとしては特開平２−２３２６９号公報に示すもの
が知られている。このものは、撮像デバイスとしてＣＣＤ電荷１合デバイ
スによるカメラで光学的に撮像する。シして、この画像
を画像処理回路で処理することにより、測定対象物の運
動を非接触によフて検出］るものである。〈発明が解決しようとする課題〉しかしながら、このような従来の３次元スペースデジタ
イザにあっては、ソース側にもセンサ１にも回路が必要
であり、その構造や用途に制限尤れ　　　あフた。また、後者に示す位置センサにあっては、装置油　　が
大型で高価なものとなっていた０球状マーカの直　　動
きを２値化画像処理により判定する複雑な装置構成であ
ったからである。！、　　　そこで、本発明は、その構造や用途について
自由度が大きく、小型軽量で安価なシステム構築が哩　
　得られ、検出側も比較的簡単な装置構成の光学式２　
　３次元位置検出装置を提供することを、その目的とし
ている。吉

【　　　〈課題を解決するための手段〉二　　　本発明
は、第１図にその構成を例示するように、ｒ　°物体の
３次元位置を検出する光学式３次元位置検出装置であっ
て、この物体に付設された全方向光反射体１００と、光
を発する発光部、該発光部による発光で２次元走査する
走査部、および、その反射光を受光する受光部を有し、
所定位置に配設置ｌｌ　　　された第１の測定手段２０
０と、光を発する発光・イ　　部、この発光部からの発
光により２次元走査する走査部、および、その反射光を
受光する受光部を有し、この第１の測定手段に対して所
定間隔＊ａして配設された第２の測定手段３００と、こ
れらの第１の測定手段２００および第２の測定手段３０
０にそれぞれ入射する上記全方向光反射体１００からの
反射光の入射角相当量を検出する検出手段４００と、こ
れらの入射角相当量および上記第１の測定手段２００と
第２の測定手段３００との間の間隔に基づいて上記全方
向光反射体１０００３次元位置を算出する算出手段５０
０と、を備えた光学式３次元位置検出装置である。〈作用〉本発明に係る光学式３次元位置検出装置は、第１および
第２の測定手段２００，３００の各発光部からの発光に
よりそれぞれ物体を２次元的に走査する。この走査光が
物体に付設した全方向光反射体１００を捕捉すると、反
射光がこれらの測定手段２００，３００の受光部に入射
する。検出手段４００は、これらの反射光の入射金相°　　　
当量を検出する。１　　　算出手段５００は、これらの入射角相当量およ
び第１と第２の測定手段２００，３００の間の間隔に基
づいて物体の３次元位置を算出する。〈実施例〉以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第２図〜第８図は本発明の一実施例を示している。第２図は本発明の一実施例に係る光学式３次元位置検出
装置の一部（第１の測定手段）を示している。第２図において、１１は第】の測定手段の走査部を構成
する＠１のミラーであり、１２はこの第１のミラー１２
に対向して配設された第２のミラーである。これらのミ
ラー１１．１２は直交する軸を中心にそれぞれ一定角度
範囲内て回動自在に設けられている。また、これらのミ
ラー１１，１２は一定の距離だけ離れて配置されている
。１３．１４はこれらのミラー１１．１２をそれぞれ回転
駆動するモータであり、それぞれがエンコーダ１５．１
６を付設している。エンコーダ１５．１６は第１のミラ
ー１１および第２のミラー１２の各回転角△θ１．△θ
２を検出し、デジタル信号として出力するものである。１７．１８は上記各モータ１３，１４の駆動を制御する
モータ制御回路である。また、各エンコーダ１５．１６の出力はそれぞれデータ
ラッチ回路１９，２０に入力され、さらに制御装置２１
に入力されている。データラッチ回路１９．２０はエン
コーダ出力をいったん保持するものである。この制御装
置２１は、例えば周知構成のマイクロコンピュータ等に
より構成されるもので、ＭＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉｌ
ｏを有している。また、反射光を受光する受光素子２２の出力は、電流−
電圧変換回路（Ｉ−Ｖ変換回路）２３、アンプ２４を介
して比較器２５の一方の入力端子に供給されている。ま
た、この比較器２５の他方の入力端子にはスレッショル
ドレベルを決定する基準電圧Ｖ　ｒｅｆが印加されてい
る。さらに、この比較器２５の出力は、上記データラッ
チ回Ｎ１９，２０にそれぞれデータラッチのタイミング
信号として供給されている。第３図は、３次元空間を矢印Ｘ方向に移動可能な検出対
象である可動体３１と、上記第１および第２の測定手段
としてのセンサ３２，３３との位置間係を示している。この図に示すように、可動体３１の一端部には全方向光
反射体３４が付設されている。可動体３１は、空間内を上下左右に動き、この　−全方
向光反射体３４はその動きが最も大きな部分に取り付け
られている。この全方向光反射体３４としては、球形反
射体、コーナキューブ等入射光に対して同じ光軸に反射
するものを使用している。また、上記センサ３２，３３は所定の間隔だけ離れて固
定本体３５に固定されている。各センサ３２．３３は、
それぞれ第２図に示すように構成されており、発光、受
光機能を有している。第４図はこれらのセンサ３２，３３をスタンド３５に固
定した場合を示している。この図は本発明の実際の連用
例を示すものであって、一対のセンサ３２，３３は、指
揮者の振る指揮棒（可動体）３１の先端に付設した全方
向光反射体３４の位置を検出することとなる。第５図に示すように、これらの測定手段（センサ）は、
発光部として、半導体レーザ４１、コリメートレンズ４
２を有している。また、走査部としては上記ミラー１１
，１２、モータ１３，１４、モータ制御回路１７．１８
を有している。さらに、受光部としては、上記ミラー１
１，１２、偏光ビームスプリッタ４３、受光素子２２を
有して構成されている。したがって、半導体レーザ４１から出た光は、コリメー
トレンズ４２により平行光となり、偏光ビームスプリッ
タ（ＰＢＳ）４３に入る。入射光に対してＰＢＳ４３は
Ｐ波を通過させ、Ｓ波を反射させるように設計されてい
るので、Ｐ波成分のみミラー１１へ入射する。ミラー１
１はこの入射光に対して所定の角度だけ傾斜して配置さ
れている。ミラー１１で反射した光は、そのミラー１１の傾斜角度
に対応してミラー１２に入射する。ミラー１２では入射
角に対して対称な方向に光を照射する。ここで、ミラー１１とミラー１２とは、それぞれ定めら
れたスピードで、定められた角度だけ回動される構成で
ある。ミラー１１は図中矢印Ｙで示す方向に所定角度範
囲で回動するよう制御され、ミラー１２はこれに対して
軸Ｚの回りに矢印Ｗで示すように一定の角速度て回動す
るように制御されている。ミラー１２は例えばポリゴン
ミラー（回転多面鏡）で構成する。第６図（Ａ）、　　（Ｂ）はこのミラー１１，１２０回
動により光を２次元平面上で所定の範囲で振る走査パタ
ーンを各々光軸に直交する方向と光軸に平行な方向から
示している。二のミラー１２から出た光が全方向光反射体４に入射す
ると、反射光は同じ光軸（軌跡）をってミラー１２、ミ
ラー１１、そして、ＰＢＳ３へ入射する。このとき、ＰＢＳ４３への入射光はＳ波になているから
ＰＢＳ４３で反射されて角度を変えれて受光素子２２へ
入る。受光素子２２ではその反射光は光電変換され、その後、
電流−電圧変換回路２３にて電圧値と□て出力され、こ
の出力電圧は増幅器２４を経てｊ較器２５で基準設定値
Ｖ　ｒｅｆと比較される。この比較の結果により受光素子２２からの出；がスレッ
ショルドレベルを超えた場合には、比→器２５はデータ
ラッチ回路１９．２０に対して士−タラッチのタイミン
グを指定する出力をなす。すなわち、この比較器２５からのデータラッチタイミン
グ信号により、データラッチ回路１９．−〇はエンコー
ダ１５．１６の各出力をラッチすシものである。エンコ
ーダ１５，１６はミラー１】１２の回転角を検出し、そ
の値を２倍にして出ブ３　　　している。この２倍にし
た値が出射光と入射光と戻　　の間の角度となる。４　　　　これによりデータラッチ回路１９．２０は、
第７図に示すように、センサ３２，３３が全方向光つ　
　反射体３４すなわち可動体３１を検出したときのら　
　　ミラー１１．１２の角度から入射角θＩ、θ２およ
びθ３．θ１を得るものである。これらの入射角θ１．θ２およびθ３．θ１は、制し　
　御装置２１に入力され、この制御装置２１におい七　
　て当該可動体３１０３次元位置（座標）が演算される
。り交　　　第７図はこの３次元座標の演算処理を説明する
ざ　　ための概念図である。この図において、０はセンサ３２の位置、Ｑは７　　セ
ンサ３３の位置とする。これらのセンサ３２゜≧　　　
３３の間隔はａだけ離れて設置されている。そし−で、
これらのセンサ３２，３３を結ぶことによりラ　　決定
される線をＸ軸としている。また、ＰはこのＪ　　　３
次元座標軸での可動体３１（正確には全方向光反射体３
４）の位置である。また、Ｐからｙ軸に下ろした垂線の交点をＡ、Ｐからｘ
ｚ平面に下ろした垂線の交点はＣ１このＣから２軸、Ｘ
軸への垂線の交点はＢ、　　Ｄとしている。したがって、可動体３１０３次元空間での座標は（ＯＤ
、ＯＡ、ＯＢ）で表される。ここで、上記ミラー１１．１２の角度に基づいて算出し
た入射角θ１．θ２および角度θ３．θ４は以下、一実
施例のＭＰＵ２１での可動体３１の３次元位置算出の手
順について第８図のフローチャートを参照して説明する
。まず、電源投入後、光源（センサ３２，３３の各半導体
レーザ４１）を点灯するとともに、センサ３２およびセ
ンサ３３の各ミラー１１．１２を所定の角度範囲内で、
所定の角速度で回動させる（５８０１）。これらのミラ
ー１１．１２を回転駆動させ、レーザ光による２次元子
面内での走査を（第６図（Ａ）、　　（Ｂ）参照）それ
ぞれのセンサ３２，３３に行わせるものである。その結果、レーザ光が可動体３１の全方向光反射体３４
を検出すると、センサ３２，３３の各受光素子２２はデ
ータラッチタイミング信号を出力し、データラッチ回路
１９．２０からその検出した位置におけるミラーの角度
データを２倍した入射角θ１．θ２．θ３．θ４が入力
される（Ｓ８０２）。この場合の可動体３１の位置は第
７図のＰで示されるものとする。次いて、これらの角度データの入力が全て完了したか否
を判断する（Ｓ８０３）。入力完了後、可動体３１のＸ座標ＯＤの算出処理を行う
（Ｓ　８０４）。これは、以下の計算式による。 ○Ｄ＝ａｔａｎθ３／（ｔａｎθ＋＋ｔａｎθ３）次に
、同じく可動体３１のＹ座標ＯＡの算出処理を以下の式
により行う（Ｓ８０５）。０Ａ＝（ｃｏｓθ２／ＣＯ３θ＋）　・（ａｔａｎθｓ
／（ｔａｎθ１＋ｔａｎθ３））更に、そのＺ座標ＯＢの算出処理を次式にょ行う（Ｓ８
０６）。０Ｂ＝（（ｓｊｎθ２／ｃｏｓθ＋）２１）”・ａｔ’
ａｎθｇ／（ｊａｎθｌ＋ｔａｎθ３）そして、以上に
より、算出した座標値（ＯＤ。ＯＡ、ＯＢ）を出力する（Ｓ８０７）。出力はθえばＣ
ＲＴ表示、プリント出力とすることもできる。次いで、位置検出処理が終了したが否かを判廖。する（Ｓ８０８）。終了でない場合は、処理を鞘付する
ために、上記ステップ（５８０２）に戻る一方、終了し
たならば、光源を消灯し、センサ３２．３３の各ミラ−
１１，１２０回動停止の指令をモータ制御回路１７．１
８に出力する（Ｓ８０９）。そして、このプログラムを終了する。以上のようにして可動体３１の３次元位置は算出される
こととなる。そして、可動体３１の運動にしたがってそ
の３次元座標も変化するがこの変化した座標についても
順次算出することができ、リ　　　これらの座標に基づ
いて可動体３１の運動パターン、運動速度等も算出する
ことが可能となる。２　　　なお、入射角相当値として、ミラー１１．１２
の回転角速度、回転角加速度等の積分値を利用すること
ができる。リ　　　〈発明の効果〉以上説明してきたように、本発明に係る光学式３次元位
置検出装置によれば、検出の対象である；　　物体側に
は反射体以外のものく回路等）を備える・　　必要がな
く、検出対象の選択等の自由度が大きく１、　　かつ、
小型軽量で安価なシステム構築が得られる。また、検出側も比較的簡単な装置構成で、物体の３次元
位置を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学式３次元位置検出装置の構成
を示すブロック図、第２図は本発明の一実施例に係る光学式３次元位置検出
装置の一方の測定部の構成を示すそのブロック図、第３図は一実施例に係る可動体とセンサとの空間での位
置関係を示す概念図、第４図は同じく一実施例に係る光学式３次元位置検出装
置の具体的適用例を説明するための側面図、第５図は一実施例に係るセンサの構成を示す概念図、第６図（Ａ）、　　（Ｂ）は一実施例に係る走査パター
ンを説明するための概念図、第７図は一実施例に係る演算処理を説明するための概念
図、第８図は一実施例に係るコントローラでのプログラムを
示すフローチャートである。１１．１２・・・・・・・ミラー（走査ｎ＞、１３．１
４・・・・・・・モータ（走査部）、１５．１６・・・
・・・・エンコーダ（検出手段）、１７．１８・・・・・・・モータ制御回路、１９．２０
・・・・・・・データラッチ回路（検出手段）、２１・・・・・・・・・・制御装置（算出手段）、２２・・・・・・・・・・受光素子（受光部）、３１・
・・・・・・・・・可動体く物体）、３２・・・・φ・
・・・・センサ（第］の測定手段）、３３・・・・・・・・・・センサ（第２の測定手段）、３４・・・・・・・・・・全方向光反射体、４１・・・
・・・・・・・半導体レーザ（発光部）、１００・・・・・・・・・全方向光反射体、２００・・
・・・・・・・第１の測定手段、３００・・・・・・・
・・第２の測定手段、４００・・・・・・・・・検出手
段、５００・・・・・・・・・算出手段。

Claims

【特許請求の範囲】物体の３次元位置を検出する光学式３次元位置検出装置
であって、この物体に付設された全方向光反射体と、光を発する発光部、該発光部による発光で２次元走査す
る走査部、および、その反射光を受光する受光部を有し
、所定位置に配設された第１の測定手段と、光を発する発光部、この発光部からの発光により２次元
走査する走査部、および、その反射光を受光する受光部
を有し、この第１の測定手段に対して所定間隔離間して
配設された第２の測定手段と、これらの第１の測定手段および第２の測定手段にそれぞ
れ入射する上記全方向光反射体からの反射光の入射角相
当量を検出する検出手段と、これらの入射角相当量およ
び上記第１の測定手段と第２の測定手段との間の間隔に
基づいて上記全方向光反射体の３次元位置を算出する算
出手段と、を備えたことを特徴とする光学式３次元位置検出装置。