JPH071165B2 - 光ビ−ムを用いた視覚センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は信号光ビームを被測定物表面に投射し、投射点
に生ずる輝点を受光器でとらえ、三角測量の原理により
輝点の位置を計算して物体の形を求めるために用いられ
る光ビームを用いた視覚センサに関する。

この種の視覚センサにおいて被測定物の表面形状がＶ溝
などのようにはげしい凹凸があると、受光器に入る信号
光成分は、輝点からの直接反射光（１次反射光）の他
に、一次反射光が、被測定物の表面の凹凸の他の面に入
射し、そこから再反射される光（２次反射光）を含むよ
うになる。そのため測定値として、輝点に対応する正し
い測定値（実測定値）の他に、２次反射光に起因する被
測定物表面に対応点のない測定値（虚測定値）が得られ
る。従来の視覚センサでは実測定値と虚測定値との識別
ができず、誤測定にになっていた。本発明は実測定値と
虚測定値を識別して、虚測定値を捨て実測定値をとり、
正しい測定値を得るようにした視覚センサを提供するも
のである。

〔従来の技術〕

従来存在する、または研究発表されている視覚センサと
しては、線状光ビームまたは扇形光ビームと工業用テレ
ビカメラとを用いて被測定物の形を求める方法、光ビー
ムと受光器とを用いて三角測量法により被測定物の表面
の形を測定する方法がある。しかし、前者の工業用テレ
ビカメラを用いる方法は溶接アーク光（雑音光）の存在
下では、それの妨害のために、溶接点から８〜10cm離れ
た点でなければ精度のよい測定ができない。さらにま
た、信号光の２次反射による測定妨害を除くことができ
ない。

後者の光ビームと受光器を用いる方法では受光器の受光
デバイスとして、PSD（ホトセンシングデバイス）また
はCCD素子アレーを用いている。これらの受光デバイス
は積分形特性の素子であるため、高周波変調光に対する
応答性が悪く、溶接アーク光による雑音を除去すること
が難しい、さらにまた、PSDでは２次反射光が存在する
場合は測定不能になる。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明によれば投光器により方向が一平面内で周期的
に変化する信号光ビームが発射され、その信号光ビーム
と同じ平面内で直線上に受光素子が配列された受光器で
受光され、上記信号光ビームの方向は信号制御回路で周
期的に変化され、その方向に関する信号ｊが出力され、
信号成分検出回路で上記受光素子の出力が高速で切換え
られ、この出力中の信号光ビームを受光した受光素子を
検出し、その受光素子の番号が信号ｉとして出力され
る。

特にこの発明では上記信号ｊと信号ｉとがｊ−ｉパター
ンとしてメモリに書き込まれ、そのｊ−ｉパターンがマ
イクロプロセッサで読出され、かつｊ−ｉパターンの実
測定値系列と虚測定値系列との性質を利用して、実測定
値と虚測定値との識別が行われ、実測定値対応のi_Aおよ
びｊが求められ、又は実測定値系列と虚測定値系列との
交叉部のi_A,jが求めらられる。

〔実施例〕

視覚センサの構成 三角測量方により物体表面の形状を測定する光ビームを
用いた視覚センサの原理を第１図に示す。視覚センサの
本体Ｇ上の２点O_L,O_Rにそれぞれ投光器Ｌ、受光器Ｒを
設ける。投光器Ｌは点O_Lを通り、点O_Lを中心として、方
向を周期的に変化する、すなわち角振動をする細い信号
光ビームｌを放射し、その光ビームｌを物体（被測定
物）Ｊに投射する。物体Ｊの光ビームｌの投射点に輝点
Ａが生ずる。輝点Ａは信号光ビームｌの角振動に応じ
て、物体Ｊの表面を走査する。

受光器Ｒは点O_Rに中心をもつ凸レンズＬと受光デバイス
Ｓよりなり、物体Ｊの表面の輝点Ａの像がレンズＬによ
り、受光デバイスＳ上に結ばれ、信号光ビームｌの角振
動にともなって輝点Ａの映像が受光デバイスＳ上を走査
する。この機能を実現するために点O_L,O_R,信号光ビーム
ｌは常に同一平面P_LR（図示せず）上にあるように構成
されている。

さらにまた、信号光ビームｌとしては、受光器Ｒの出力
側での信号と雑音との分離を可能に可能にするために、
高周波パルス変調を加えた信号光ビームを用いる。この
変調の繰返し周波数は雑音、例えば溶接アーク光に含ま
れる周波数よりもはるかに高くとってある。

受光デバイスＳは第２図に示すように、受光素子si（ｉ
は素子の番号で、0,1,2,…,n）を直線上に等間隔に配列
して構成され、受光素子siとしては、高周波の信号光成
分を受光して電気出力として再生する性能をもつため
に、感度の周波数帯域幅が広い、例えばSi−PD（シリコ
ンホトダイオード）が好ましい。

受光器Ｒが輝点Ａをとらえると、受光素子siの端子から
信号光成分と雑音光成分を重ね合せた電気出力が得られ
る。この電気出力を増幅して帯域通過波器を通して、
雑音成分を除去し、信号光成分を検出する。この信号光
成分を検出した受光素子siの番号ｉ（このｉは受光デバ
イスＳ内での素子の位置を示す）を検出して輝点Ａのあ
る方向角θ_Ｒを求める。第２図の受光素子siと点O_Rを結
ぶ線ｒは、受光器Ｒが受光素子siにより見る方向を示
す、よってこの線ｒを視線と称す。

視覚センサ全体のシステム構成を第３図に示す。投光器
Ｌ、受光器Ｒは前述のとおりである。投光器Ｌ側には高
周波パルス変調を加えた信号光ビームｌの発生部および
信号光ビームｌに角振動を与える信号光制御回路Ｍ_θＬ
をそなえ、信号光制御するとともに、信号光ビームｌの
方向θ_Ｌに関する信号ｊをマイクロプロセッサμ−PRへ
送出する機能をもっている。

受光器Ｒ側には、受光素子siの電気出力を増幅した後、
その増幅出力端子を高速で切り換えて出力する高速スイ
ッチ回路と、その高速スイッチ回路の出力を帯域通過
波器を通じて、信号と雑音の分離を行ない、信号光成分
を出力した受光素子siを検出し、その素子番号ｉを示す
信号ｉをマイクロプロセッサμ−PRへ送出する機能をも
つ信号成分検出回路Ｍ_θＲをそなえている。マイクロプ
ロセッサμ−PRは信号成分検出回路Ｍ_θＲから信号光成
分をとらえた素子番号の信号ｉを、信号光制御回路Ｍ
_θＬから信号光ビームｌの方向に関する信号ｉを受け入
れ、相対応するｉとｊをメモリMEMOに書き込み、さら
に、書込まれたデータをあらかじめ定められたプログラ
ムによって処理して、虚測定値を捨て、実測定値をとっ
て、被測定物表面の形を算出し、必要に応じてこの視覚
センサを用いたロボット全体の制御に必要な信号を送出
する。

実測定値と虚測定値 光ビームを用いて三角測量を行なうには第１図に示した
ように光ビーム方向角度θ_Ｌ、視線方向角度θ_Ｒ、点
O_L、O_R間の距離O_LO_Rが求まれば充分であるが、物体Ｊの
表面の形が例えばＶ溝（第４図）のようになると、信号
光ビームｌが一方の側面に入射して輝点を生じ、その輝
点からの反射光は、その面の性質からきまる反射指向特
性にしたがって反射され、その一部は直接受光器Ｒに入
り、また一部はＶ溝の他の側面に入射し、そこから２次
反射光を生ずる。この２次反射光が受光器Ｒに入り受光
素子がそれを検知すると、この検知信号から計算されて
くる測定値は、Ｖ溝の表面に対応点のない測定値とな
る。これを虚測定値と称する。例えば第４図（ａ）のＶ
溝を測定すると、同図（ｂ）のように多数の虚測定値
C₁,C₂,C₃,…が得られることがある。この虚測定値は著
しい測定妨害になるので、除去することが必要である。
虚測定値は原理的には２次のみならず３次以上の反射光
によっても生ずる筈であるが、実験の結果によれば、３
次以上は反射光が弱いため、測定妨害にならないことが
確認された。以下では２次反射光までをとることにす
る。

（ａ） Ｖ溝測定における実測定値と虚測定値 （a1）虚測定値発生の原理とその性質 この発明の視覚センサを用いてＶ溝を測定する場合の実
測定値と虚測定値について述べる。第５図に示すよう
に、信号光ビームｌが物体ＪのＶ溝の一方の側面V₁V₀に
入射すると、入射点に輝点Ａを生じ、輝点Ａからはその
面の性質からきまる反射指向特性αにしたがって反射光
が発生する。この反射光を１次反射光と称する。この１
次反射光は１部は直接受光器Ｒに入り、検知されれば実
測定値を与えるが、反射光の大部分は、入射光ｌの正反
射方向ABのまわりに反射指向特性αで決る強度分布の反
射光となる。この反射光がＶ溝の他方の側面V₀V₂に入射
すると、面V₀V₂上での入射光の強度分布は図の分布曲線
βのようになり、そこから再反射される。この再反射光
を２次反射光と称する。

２次反射光で、受光器Ｒに入って、検知されるのは、お
およその見当として、１次反射光の強度がある値以上の
場合であるから、例えば図の入射光強度がβ′β″以上
のもの、すなわちV₀V₂面上の点Ｂ′Ｂ″間に入射して、
そこから反射される２次反射光になる。

したがって、図に示すように、入射光ビームｌ（方向θ
_Ｌ）と１次反射光r_A（方向θ_RA）とからは輝点Ａの位置
が、つまり実測定値が得られるが、入射光ｌ（方向
θ_Ｌ）と、２次反射光r_B（方向θ_RB）とからは、図の点
C₁（ｌとr_Bとの交点）が測定値として得られる。この点
C₁はＶ溝の表面に実在しない点になるのでこれを虚測定
値と称することにする。虚測定値は図の点Ｂ′Ｂ″に対
してC₁′C₁″が得られるので拡がりを有し、この拡がり
は輝点Ａの面の光に対する反射指向特性αにも依存する
ことになる。

信号光ビームｌを回転して輝点ＡがＶ溝の側面V₁V₀の左
上の方からV₁→V₀→V₂と走査する場合、すなわち信号光
ビーム角θ_Ｌが小さい値から増加する場合について説明
する。図から容易にわかるように、 （イ）輝点Ａは斜面V₁V₀上をV₁→V₀と移動し、これにと
もなって２次反射点Ｂは斜面V₂V₀上をV₂→V₀と移動し、
虚測定点はC₁→V₀と移動し、C₁′C₁″はC₁がV₀に近づく
につれて短くなり、各点A,B,C₁,C₁′C₁″は溝底V₀に収
斂する。

（ロ）輝点ＡがV₀を過ぎて斜面V₀V₂にうつり、V₀からV₂
へ移動していくと、それにともなって、２次反射点Ｂは
V₀を右から左へ通過して、V₀からV₁へ移動し、虚測定点
C₁はV₀を上から下へ通過し、C₁′C₁″はV₀より下へ移動
するにつれてその長さが０から増加していく。

（ハ）輝点Ａが斜面V₀V₂上でV₀から遠くなると、２次反
射光が弱くなるので、受光素子の信号光検知限以下とな
り、虚測定値は消滅する。信号光ビームｌが上記と逆に
時計方向に回転する場合は反射点、測定点の移動方向が
逆になるだけである。信号光ビームｌの方向θ_Ｌをデジ
タル表示し、微小一定角の何倍であるかを示す数ｊ（ｊ
＝1,2,…）で示し、受光角θ_Ｒ（θ_RA,θ_RB）を受光素
子の配列順番に対応してｉ（i_A,i_B）で表わし、信号光
ビームｌの反時計方向回転に対して、j,i_Aがともに増加
するようにとるものとする。ここに、i_Aは実測定値に、
i_Bは虚測定値に対応するものとする。ｊの変化に対し
て、i,i_A,i_Bの変化の様子を示す図をｊ−ｉパターンと
いうこととする。このように定めて、上述の（イ），
（ロ），（ハ）をかきかえると次のようになる。

（イ）ｊが増加する時、i_Aは増加し、i_Bは減少する。

（ロ）あるｊに対して信号光を検知した受光素子番号の
最大幅|i_A−i_B|＋１は、V₀で最小（理論的には１）で、
V₀から遠ざかるにつれて大きくなる。

（ハ）ｊに対してi_Bの存在する幅は、輝点がV₀にある時
０で、V₀を離れるにつれて大きくなるが、ある程度離れ
るとi_Bは消滅する。

信号光を検知した受光素子番号（i_A,i_B）は受光器の視
線方向に対応し、これとｊとを用いてマイクロプロセッ
サμ−PRにより、物体Ｊの表面の形を計算するのに用い
られるからi_Bを早く捨てて、i_Aをとることが必要であ
る。

虚測定値の現れ方を詳細に知るために、次の条件（ｉ）
乃至（iv）を設定して、虚測定値の現れ方の傾向を求め
る。

（ｉ）視覚センサと被測定物（Ｖ溝）との相対位置を固
定とする。

（ii）１次反射光は正反射方向のまわりに指向特性をも
つが、虚測定値の現れる位置の大要を知るために、正反
射方向のみをとり、拡がりを無視する。

（iii）信号光ビームの方向は一平面内で０゜〜360゜に
変化し、受光器の視線方向も同じ平面内で０゜〜360゜
にわたっている。

（iv）虚測定値は信号光の方向と視線方向の交点として
求める。

実際の視覚センサでは信号光ビーム、受光器の視線はと
もに、視覚センサの前方だけにあるので、測定にかかっ
てくる虚測定値は、上記条件で求めたものの一部にな
る。以下においては実測で得られる可能性のある虚測定
点の軌跡を実線で示し、実測にかからないものを破線で
示す。実線で示す軌跡に対してはｊ−i_Bパターンは測定
される可能性はあるが、その空間での位置が視覚センサ
の広報（被測定物Ｊと反対側）にあるものは直ちに虚測
定点であることがわかり捨てられる。視覚センサの前方
でも、V₀から遠くなると２次反射光が弱くなるので虚測
定値は現われない。

上の条件のもとにＶ溝の虚測定値の軌跡を求めた例を第
６図，第７図に示す。第６図はＶ溝の開き角が小さい場
合、第７図は開き角が大きい場合である。両図ともに、
信号光ビームｌが反時計方向に回転してＶ溝表面を走査
する場合であって、走査にともなって生ずる虚測定点の
軌跡を順次I,II,III,…で示し、曲線につけた矢印は走
査につれて虚測定点の移動する方向を示す。また、図の さらにまた、Ｖ溝表面につけた数1,2,…等は輝点の位置
を示し、それらに対応する虚測定点をC₁,C₂,…で示し
た。第６図，第７図で、実測で得られる可能性のある軌
跡（実線）について、信号光ビームの方向ｊと受光素子
i_Bとの関係を示すと同図（ａ）の破線で示す軌跡I_Bが得
られ、ｊと実測定値に対応する受光素子i_Aとの関係を示
すと同図（ａ）の実線で示す軌跡I_Aが得られる。このよ
うな図をｊ−ｉパターンと称することとする。ｊ−ｉパ
ターンをもっとわかり易く示すと第８図（ａ）のように
なる。同図ではI_AとI_Bとは交叉していのでこれをＸ形と
称することにする。

Ｖ溝の開きが、比較的大きくなり、投光器Ｌの位置O_Lが
Ｖ溝に対して偏在するようになると、ｊ−ｉパターンと
して、実測定値の軌跡ｊ−i_A（I_A）が左上から右下へ流
れているのに対して、第８図（ｂ）のように虚測定値軌
跡ｊ−i_B（I_B）が右上から左下へ流れてI_Aに合流する場
合と、第８図（ｃ）のように虚測定値軌跡ｊ−i_B（I_B）
が実測定値I_Aから左下へ分岐して流れる場合とを生ず
る。前者（第８図（ｂ））をＹ形、後者（第８図
（ｃ））をλ形と称することにする。虚測定値軌跡がＸ
形,Y形，λ形の何れになるかは、Ｖ溝の開き角、投光器
Ｌの位置O_Lによるものである。

（a2）実測定値と虚測定値の識別、点V₀の求め方 前述においては信号光ビームが反時計方向に回転する
時、ｊおよびi_Aが増加するように約束して説明してきた
が、j,i_Aのとり方をかえても容易にわかるので以下にお
いても、j,i_Aのとり方は前と同様にとる。

（ｉ）ｊ−i_Aパターンは輝点に関するものであり、信号
光ビームが細く絞られているので細い帯になるが、ｊ−
i_Bパターンは拡散する２次反射光にもとづく軌跡である
ので、太い帯になる。しかし、これらの帯の中心値をと
ってパターンの位置とするとＶ溝のｊ−ｉパターンは次
の性質をもっている。

ｊ−i_Aパターンでは ０≦i_A（j₂）−i_A（j₁）≦δ_A,j₂＞j₁ （１） ｊ−i_Bパターンでは −δ_Ｂ≦i_B（j₂）−i_B（j₁）≦0,j₂＞j₁ （２） ここに、δ_A,δ_Ｂは被測定物Ｊの形，（j₂−j₁）の値に
応じてきめる可変正定数である。

（ii）Ｘ形ｊ−ｉパターンにおいて、ｊに対してi_A,i_B
が拡がって存在する場合、ｉの存在する幅Wi、すなわち
ｉの最大値iuと最小値ilから Wi（ｊ）＝|iu（ｊ）−il（ｊ）｜＋１ （３） を求めると幅Wi（ｊ）は溝の底V₀で最小値１となり、溝
の底V₀より離れると大きくなる筈であるが、実際には、
ばらつきがあって幅Wi（ｊ）の極小値がわかりにくいの
で、次の和 ｑは正整数でせいぜい0,1,2程度 を求め、Σｑ（ｊ）が極小になるｊ＝jminを求め、次に
jminにおいて存在するｉの中心値iminを求めて、このjm
in,iminを溝底のV₀のj,iとする。

式（３）の幅Wi（ｊ）にかなりのばらつきがあっても、
式（４）の和Σｑ（ｊ）を求めると、第９図にように滑
らかな曲線となるので、jminが求め易くなる。jminが求
められると、ｊ＜jminに対してはI_A帯の幅でパターンの
左のｉをとってi_Aとし、ｊ＜jminに対してはI_A帯の幅で
パターンの右側のｉをとってi_Aとする。このようにして
Ｘ形パターン全体が求められる。

計算例 実測により第10図（ａ）のｊ−ｉパターンが得られ、メ
モリに書込まれているとする。このｊ−ｉパターンより
ｊに対するｉの値をマイクロプロセッサμ−PRで読みと
り、同図（ｂ）のように各ｊの連続したｉの二つのグル
ープの各代表i₀（ｊ）,i₁（ｊ）を示すｊ−ikテーブル
をつくる。この場合２個以上連続してｉが立っている場
合は、その中心をとった。二つのグループに区別できな
い場合はi₀（ｊ）とした。この図（ｂ）のテーブルの値
をマイクロプロセッサμ−PRにより読みとって、式
（１）を満足するｉをi_Aとして、同図（ｃ）に示すi_A系
列を求める。そのプログラムのフローを第10図（ｄ）に
示す。図においてｚはｉが存在しないｊの数、ｋはｊに
対してｉ（ｊ）の１〜複数個の連続したグループが複数
個得られた場合のグループの番号,isは識別しようとし
ているｉ（ｊ）の直前に得られているｉ（ｊ−ｐ）,pは
正整数である。まずｚ＝0,k＝0,j＝０、従ってis＝ik
（ｊ）＝i₀（０）に初期設定する（ステップS₁）、次に
式（１）、つまり０≦i₀（０）−is≦δ（ｚ）が成立す
るか否かを調べる（ステップS₂）。この条件が成立して
いれば、その時のik（ｊ）＝i₀（０）を実測定値i
_A（ｊ）＝i_A（０）とする（ステップS₃）。この時のik
（ｊ）＝i₀（０）をisとし（ステップS₄）、更にｚを０
とし（ステップS₅）、その後ｊを＋１（ｊ＝０＋１）と
する（ステップS₆）。このｊ＝１が最終のｊかを調べ
（ステップS₇）、最終値＋１のｊでなければステップS₂
に戻り、条件０≦i₀（０）−is≦δ（ｚ）を調べ、これ
が成立していればそのi₀（１）をi_A（１）とする（ステ
ップS₃）。以下同様な処理を行い、ステップS₂で条件が
成立しない場合はステップS₈に移りｋを＋１し、つまり
ｋ＝１とする。このｋが終了したか、つまり、最終のｋ
の値に＋１した値と等しくなったかを調べ（ステップ
S₉）、ｋが終了してない場合はステップS₂に戻る。この
場合は０≦i₁（０）−is≦δ（ｚ）の条件が成立するか
が調べられ、これが成立すればステップS₃でその時のi₁
（ｊ）がi_A（ｊ）とされる。以下同様に動作する。ステ
ップS₇でｊが最終値に＋１した値になると終了とする。

次にi_Aとi_Bの幅の最小値からjmin,iminを求める具体例
を第11図に示す。同図（ａ）は第10図（ａ）のｊに対す
るｉの存在する幅Wi（ｊ）を読み取って作成したｉ−Wi
（ｊ）テーブルおよび、式（４）でｑ＝１にとってΣ１
（ｊ）を求めて作成したｊ−ｉΣ１（ｊ）テーブルおよ
び最小Σ１（ｊ）＝８のｊ（jmin＝６に対するimin＝3.
5を求めたものである。さらに、この場合のプログラム
のフローを同図（ｂ）に示す。Σｑ（ｊ）なる和を用い
なくても、V₀に対応するjmin,iminが容易に求められる
場合は、直接求めてもよいことは言うまでもないことで
ある。

（iii）Ｙ形パターン 第８図（ｂ）に示すＹ形のｊ−ｉパターンにおいては、
I_A軌跡のｉ（ｊ）の数（幅）は信号光ビームによる輝点
の大きさが小さいので1,2程度である。これに反してI_B
軌跡のｉ（ｊ）の数（幅）はＹの枝の端の方で大きくな
っている。この場合もi_Aの系列I_Aおよびi_Bの列I_Bを式
（１）および（２）によって前述と同様にして求める。
この場合Ｙ形の中心部V₀近傍においては、i_Aとi_Bとが連
続して区別ができなくなるので、I_A系列の幅のｊに関す
る平均値nj_Aを求め、V₀近辺では図のｉの左の端にあるn
j_A個をとってこれをi_Aとみなしてｊ−i_Aテーブルを作成
していく。このようにすれば簡単にI_Aが求められ、Ｖ溝
の形が計算される。プログラムのフローは第10図（ｄ）
と同じである。

（iv）λ形パターン 第８図（ｃ）に示すλ形のｊ−ｉパターンにつき実測値
の系列I_Aを求めるには前と同様にして式（１），（２）
によりI_A,I_Bを求める。V₀近くでi_Aとi_Bとが連なって区
別できなくなったところでは、右側のｉをI_A系列の平均
値nj_A個だけとってi_Aとみなし、これを用いてI_A系列の
パターン全体をつくる。このようにして、ｊ−i_Aパター
ンが完成されればＶ溝を形をマイクロプロセッサμ−PR
により計算することができる。この場合もプログラムフ
ローは第10図（ｄ）と同じである。

（ｂ） 平底Ｖ溝における実測定値と虚測定値 第12図に示すように被測定物Ｊの溝の底が平面V₁′
V₂′、側面が平面V₁V₁′およびV₂V₂′であるような溝
を、視覚センサで測定する場合の虚測定値について説明
する。この場合も、前に述べたＶ溝の場合と同様に条件
（ｉ），（ii），（iii），（iv）の下に虚測定値を求
めるものとし、また虚測定値の軌跡の表示方法、および
同図（ａ）のｊ−ｉパターンの表示方法も、前と同様と
する。

信号光ビームが、O_Lを中心に反時計方向に回転して、V₁
→V₁′→V₂′→V₂と走査すると、V₁V₁′側面上の点１に
おいてはじめて虚測定値C₁を生じ、C₁→C₂→…を通って
軌跡Ｉを描き、次に軌跡II,III,IV,V,VIをえがき、V₂′
V₂側面上の点28でC₂₈を生じ、この点で終っている。図
における、溝の壁面上の数字は輝点の位置を示し、これ
に対して生ずる虚測定値を同一番号の添字を付けたCiで
示した。

この場合のｊ−ｉパターンを同図（ａ）に示した。付か
らわかるように、溝の隅V₁′,V₂′はそれぞれＶ溝であ
って、図の場合はV₁′でのＸ形ｊ−ｉパターンと、V₂′
でのλ形ｊ−ｉパターンとが連結された形となってい
る。

上の説明からもわかるように、この場合の実測定値軌跡
I_Aと虚測定値軌跡I_Bとの識別は前述のＶ溝の場合と全く
同様に行なうことができる。

溝と視覚センサとの関係位置が変れば虚測定値の形も変
るが、何れにしても、Ｖ溝の場合の方法を適用して測定
値の虚・実の識別が可能である。Ｖ溝の場合と全く同様
であるから、プログラムに関するこれ以上の説明は省略
する。

（ｃ）底の抜けたＶ溝の実測定値と虚測定値 第13図に示すように底の抜けたＶ溝の虚測定値の軌跡を
求めると図のようになり、虚測定値の軌跡で実現可能性
のあるもの、すなわち実線で示す軌跡は、実測定値軌
跡、すなわち溝の表面とは交わらない。したがってｊ−
ｉパターンにおいても図（ａ）に示すように実測定値軌
跡I_Aと虚測定値軌跡I_Bとは交わることがなく、かつ、底
が抜けたギャップのところで実測定値軌跡I_Aと虚測定値
軌跡I_Bが分離されている。虚測定値と実測定値の識別は
式（１）（２）によって行うことができる。

（ｄ）丸底Ｖ溝の実測定値と虚測定値 第14図に示すように、底が円弧になっている断面をもつ
溝の場合につき、前と同様にして虚測定値の軌跡を求め
ると、図の抜I,II,III,IVが得られる。この場合、特に
注目すべきことは、実測で得られる可能性のある虚測定
値の軌跡が図に実線で示すIIのループとIIIのループに
なっており、これらループが実測定値と全く分離されて
いることである、視覚センサと溝との相対位置によって
虚測定値の形は異なってくるが、底が円い限り、測定値
の虚・実が分離した位置に生ずる。この場合のｊ−ｉパ
ターンは同図の図（ａ）に示す如くで、実測定値I_Aは連
続した線状軌跡を描くが、虚測定値I_Bは２つの分離した
軌跡Ｉ_{B II},I_{B III}となり、これらはまたI_Aとも分離さ
れている。I_Aは必ず式（１）を満足するが、I_Bは式
（１）を満足する部分と式（２）を満足する部分とから
なっているので、虚実の識別ができる。

（ｅ）隅の丸い平底Ｖ溝 第15図に示すように、溝の断面形状が、隅が円弧で底が
平になった溝の場合について、前と同様にして虚測定値
の軌跡を求めると、図のI,II,III,IV,V,VIなる曲線が得
られる。これらの軌跡のうち、実際に測定値として現わ
れる可能性のあるものは、実線で示す部分、すなわち、
IIのループとＶのループのみである。この場合もこれら
のループな実測定値の軌跡（溝の表面）とは完全に分離
されている。視覚センサと溝との相対位置関係により、
虚測定値の形は異なってくるが、上述の虚測定値の軌跡
と実測定値の軌跡とは必ず分離されている。この場合の
ｊ−ｉパターンは同図（ａ）に示す如くで、実測定値I_A
は１本の連続曲線となり、虚測定値は２つの分離した曲
線Ｉ_{B II},I_{B V}となる。I_Aでは必ず式（１）が成立つ
が、I_Bでは式（１）の成立つ部分と、式（２）の成立つ
部分が連結されているので、これによって虚・実の識別
が可能である。

視覚センサの大さ それと溝との関係位置が変ると、例えばループＶが長く
なって∞にまで延び、その先端の部分が に対して反対側にあらわれる等、相当大きく変化する。
しかし、実現可能性のある実測定値軌跡と虚測定値軌跡
とは決して交わることはない。これは、底面の形が、滑
らかな曲線、例えば楕円、抛物線の一部と直線との滑ら
かな接続で形成される場合にもあてはまることであり、
測定値の虚実の識別には都合がよい。

虚測定値および実測定値の性質のまとめ 上に述べた虚測定値・実測定値の軌跡に関する一般的な
性質をまとめると、次のようになる。

（ａ） 被測定物表面にギャップがない場合には、実測
定値のｊ−i_Aパターンは一本の線となる。虚測定値と実
測定値との識別は式（１）式（２）を用いて行なわれ
る。

（ｂ） 溝の表面が滑らかな曲面と、これに滑らかに連
続された平面で形成されている場合には、実測で得られ
る実測定値軌跡と虚測定値軌跡とは交わることはない。
したがって、連続的に式（１）を満足するパターンをI_A
とし、部分的にしか式（１）を満足しないパターンをI_B
（虚）として識別すればよい。

（ｃ） 溝の表面に面と面との角のある交叉（例えばＶ
溝の底等）がある場合には交叉部近傍におけるｊ−ｉパ
ターンは、実測定値軌跡と虚測定値軌跡とが交叉点を共
有し、ｊ−ｉパターンの形はＸ形,Y形，λ形の何れかに
なる。

（イ）Ｘ形の場合の虚測定値の実測定値の識別は式
（１），（２）により行ない、実測定値軌跡と虚測定値
軌跡との交叉点の位置を求めるには式（４）のΣｑ
（ｊ）を極小ならしめるｊ＝jminを求め、さらにjminに
おけるｉの中央値を求めてiminとし、この（jmin,imi
n）を用いて交叉点（V₀）を求める。

（ロ）Ｙ形およびλ形のｊ−ｉパターンにおいては、虚
測定値と実測定値の識別は式（１），（２）により行な
い、虚測定値と実測定値との重なる部分における、実測
定値を求めるには、実測定値のｊ−i_Aパターンの平均幅
が、虚測定値と実測定値との重なる部分にも適用される
ものとして、虚測定値の枝のない側のｉの値をとってi_A
とになし、I_Aを求める。

（ｄ） 溝の底面にギャップがある場合にはギャップに
対応する部分で、測定値のｊ−ｉパターンはｊ−i_Aパタ
ーンもｊ−i_Bパターンも分割される。したがって、虚測
定値と実測定値との識別を式（１），（２）を用いて行
なうことができる。

〔発明の効果〕

従来より用いられているレーザビームを用いて、三角測
量により、物体の表面形状を測定する視覚センサにおい
ては、信号光ビームの２次反射光たよる虚測定値と、１
次反射光による正しい実測定値とを識別できなかったた
め、実測定値の他に虚測定値が生じる場合は測定不能と
されてきた。

また、工業用テレビカメラを用いて物体の形を測定する
場合でも、２次反射光の測定妨害は必ず存在する筈であ
る。さらにまた、レーザビーム、レーザストライプ等の
光を信号光として用いる場合は如何なる測定形式をとっ
ても、物体表面が滑らかな正反射性の強い面で、物体の
形がへこんでいる時は、虚測定値の出る可能性をもって
いる。例えば第16図（ａ）に示す板の重ね、（ｂ）に示
す板の突合等でもＶ溝が存在するので２次反射光による
虚測定値が現れる。

この発明は上述のような、各種の測定において２次反射
光による測定妨害からのがれて正しい測定値を得ること
ができ、ロボット視覚センサ等に用いてその効果は顕著
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の視覚センサの三角測量の原理を示す
図、第２図は視覚センサの受光器の構成を示す図、第３
図は視覚センサのシステム構成を示す図、第４図（ａ）
はＶ溝の断面を示し、図面（ｂ）はそのＶ溝を測定した
時、生ずる２次反射光の妨害を示す図、第５図は２次反
射光により虚測定値の生ずる原理を示す図、第６図及び
第７図はそれぞれＶ溝における虚測定値の軌跡を示し、
各同図（ａ）はそのｊ−ｉパターンを示す図、第８図は
Ｖ溝で生ずるｊ−ｉパターンの形の分類を示し、同図
（ａ）はＸ形、同図（ｂ）はＹ形、同図（ｃ）はλ形を
それぞれ示す図、第９図はＸ形パターンで交叉点のj,i
を求める方法を説明するためのΣｑ（ｊ）−ｊ特性図、
第10図はｊ−ｉパターンにおける虚測定値と実測定値と
の識別法を説明するための図で、（ａ）はｊ−ｉのパタ
ーン、（ｂ）はそのｊとikの値のテーブル、（ｃ）はそ
のｊ−i_Aのテーブル、（ｄ）ｊ−i_Aを求めるプログラム
の流れを示す図、第11図は第10図（ａ）のｊ−ｉパター
ンからＶ溝の底V₀に対応するjminを求める方法を示す図
で、（ａ）はｊ−ｉパターンの幅Wi（ｊ）、和Σ
_１（ｊ）、iminを示し、（ｂ）はiminを求めるプログラ
ムの流れを示す図、第12図は平底Ｖ溝で生ずる虚測定値
の軌跡を示し、（ａ）はそのｊ−ｉパターンを示す図、
第13図は底の抜けたＶ溝で生ずる虚測定値の軌跡を示
し、（ａ）はそのｊ−ｉパターンを示す図、第14図は丸
底Ｖ溝で生ずる虚測定値の軌跡を示し、（ａ）はそのｊ
−ｉパターンを示す図、第15図は隅の丸い平底Ｖ溝で生
ずる虚測定値の軌跡を示し、（ａ）はそのｊ−ｉパター
ンを示す図、第16図（ａ）は板の重ね、（ｂ）は傾斜突
合せの各断面を示す図である。 L:投光器、R:受光器、l:信号光ビーム、r:受光器の視
線、M:回転鏡、O_L:回転鏡の中心、θ_L:信号光ビームの
方向角、θ_R:視線の方向角、L:凸レンズ、S:受光デバイ
ス、si:受光素子、O_R:レンズの中心、J:被測定物表面、
A:輝点、C₁,C₂,…Ci,…C₁′,C₂′…虚測定点、I_A:j−i_A
パターン、I_B:j−i_Bパターン、α：信号光ビームの反射
指向特性（一次反射光）、β：斜面への１次反射光の入
射強度、V₁,V₀,V₂:V溝、 i:受光素子番号（θ_Ｒに対応）、j:信号光の方向をデジ
タル化した時の番号、T₁,T₂,T₁′,T₂′：円と直線との
接する点。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】a.視覚センサ本体上の点O_Lに設けられ、O_L
   を中心として、一平面内で周期的に方向を変化する細い
   信号光ビームを前方におかれた被測定物に向って発射す
   る投光器と、 b.視覚センサ本体上の点O_Rに設けられ、上記信号光ビー
   ムと同じ平面内において、直線上に受光素子を配列して
   なる受光デバイス、およびO_Rに中心をもつ受光レンズを
   もって構成された受光器と、 c.上記信号光ビームに周期的方向変化を与え、かつその
   方向に関する信号ｊを出力する信号光制御回路と、 d.上記受光素子の出力を高速で切換えて直列出力を得、
   この出力中の信号光ビームを受光した受光素子を検出し
   て、その受光素子の番号を、上記受光器の視線方向をき
   めるための信号ｉとして出力する信号成分検出回路と、 e.上記信号光制御回路の出力信号ｊおよび信号成分検出
   回路の出力信号ｉをｊ−ｉパターンとして書きこむメモ
   リと、 f.上記ｊ−ｉパターンを処理して上記被測定物の表面形
   状を算出するためのマイクロプロセッサとを具え、 上記マイクロプロセッサは上記信号光ビームの方向ｊに
   おいて、信号光ビームを検出した受光素子番号ｉ（ｊ）
   で示し、実測定値に対応するものをi_A（ｊ）、虚測定値
   に対応するものをi_B（ｊ）とし、i,jのとり方を、信号
   光ビームの反時計方向回転に対して、j,i_Aがともに増加
   するようにとった場合、実測で得たｉに対して、 ０≦ｉ（j₂）−ｉ（j₁）≦δ（ここに、j₂＞j₁,δは被
   測定物の形および（j₂−j₁）によりきめられる正の可変
   定数である）を満足するｉ（ｊ）の系列を実測定値系列
   I_Aとし、上の条件を満足しない部分を含む系列を虚測定
   値系列I_Bとする手段を有することを特徴とする光ビーム
   を用いた視覚センサ。
2. 【請求項２】上記ｊ−ｉパターンがＹ形あるいはλ形の
   場合、ｊ−ｉパターンの実測定値系列I_Aの平均幅nj_Aを
   求め、ｊ−ｉパターンの三叉路近傍で、i_Aとi_Bとが連な
   っている部分では、i_Bの枝I_Bの反対側のnj_A個のｉ
   （ｊ）をi_A（ｊ）とみなして、実測定値系列全体を求め
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光ビー
   ムを用いた視覚センサ。
3. 【請求項３】a.視覚センサ本体上の点O_Lに設けられ、O_L
   を中心として、一平面内で周期的に方向を変化する細い
   信号光ビームを前方におかれた被測定物に向って発射す
   る投光器と、 b.視覚センサ本体上の点O_Rに設けられ、上記信号光ビー
   ムと同じ平面内において、直線上に受光素子を配列して
   なる受光デバイス、およびO_Rに中心をもつ受光レンズを
   もって構成された受光器と、 c.上記信号光ビームに周期的方向変化を与え、かつその
   方向に関する信号ｊを出力する信号光制御回路と、 d.上記受光素子の出力を高速で切換えて直列出力を得、
   この出力中の信号光ビームを受光した受光素子を検出し
   て、その受光素子の番号を、上記受光器の視線方向をき
   めるための信号ｉとして出力する信号成分検出回路と、 e.上記信号光制御回路の出力信号ｊおよび信号成分検出
   回路の出力信号ｉをｊ−ｉパターンとして書きこむメモ
   リと、 f.上記ｊ−ｉパターンを処理して上記被測定物の表面形
   状を算出するためのマイクロプロセッサとを具え、 上記マイクロプロセッサは上記ｊ−ｉパターンがＸ形の
   場合、上記信号光ビームの方向ｊにおける信号光ビーム
   の検出受光素子番号ｉの存在幅Wi（ｊ）の和 （ｑはあらかじめ、実験にもとづき定める整数で、0,1,
   2程度）が最小になるｊの値をＸ形ｊ−ｉパターンの交
   叉点のjminとし、そのjminにおけるｉの中央値をそのｊ
   −ｉパターン交叉点のiminとして、ｊ−ｉパターン交叉
   点のi,jを求める手段を有することを特徴とする光ビー
   ムを用いた視覚センサ。
4. 【請求項４】上記ｊ−ｉパターンの実測定値系列I_Aの平
   均幅をnj_Aとし、ｊ−ｉパターンの交叉点の上下におい
   ては、実測定値に連なるnj_A個のｉ（ｊ）をj_A（ｊ）と
   みなして、実測定値系列I_Aの全体を求めるようにしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の光ビームを
   用いた視覚センサ。