JPS59164973A - ロボツト用ペア形計測ヘツド - 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】 本発明は溶接用ロボットにおいて、作業対象物の形およ
び位置を測定するための計測ヘッドに関するもので、溶
接作業では溶接アークが妨害雑音光になるので、この妨
害を軽減するために、特別な変調を加えたレーザビーム
のごとき細い光線を被測定物表面に投射した時化ずる明
るい輝点ヲ一対の光学的受光器で受け、受光器の出力な
マイコンで処理して、被測定物上の輝点の位置を算出す
るようにし、このような多数の点の連らなりとして、被
測定物表面の形を求めるものである。

従来のロボット計測で物体の形状を求めるには、イメー
ジカメラで物体の像を撮像し、そ・の画像をコンピュー
タ処理して所要の特徴を抽出する方法が用いられてきた
が、この方法では物体の形状がλ次元的にしかとらえら
れないこと、および溶接アーク光の雑音光妨害の除去が
困難である等の欠点があった。また、アーク溶接では特
に磁気センサも用いられてきたが、被測定物の正確な形
はわからない等の欠点があった。

本発明は一対の受光系をもつ受光器とその出力を処理す
る測定回路とマイコン、および変調された細い元ビーム
を発射する投光系とからなる簡単な構成で、被測定物の
表面の形を３次元的に測定でき、かつ雑音光の妨害を軽
減できることが特徴である。以下その詳細につき説明す
る。

第１図に本発明の計測ヘッドの構成を示す。図において
Ｌは光ビームＬｓを発射する投光器、几′。

几′は全（同じ特性をもつ受光器で、集光レンズχ−′
・Ａ″と受光素子アレーＳ警　Ｓ　Ｓ　Ｙ備えている。

投光器の元ビームＬｓは計測ヘッドの正面方間ＯＭを含
む一平曲内で、元ビームの方向を一定範囲内で、時間関
数θ（１）にしたがって変化する。投光器り、受光器几
Ｉ　Ｒ’は計測ヘッドの本体Ｂに取付けられ左右対称な
構造を持っている。

投光器りより発せられた光ビームＬｓは被測定物表面Ｊ
に入射して輝点Ａを生じ、Ａで乱反射される。その反射
光の一部が受光器Ｒ′およびＲ′に入り、受光器内に輝
点の像を結ぶ。この結像面に、輝点像の移動方向と一致
する方向に受光素子、／１７（ｉ−／、、２．・・・ｎ
）を並べて成る受光素子アレーＳａが設げられている。

受光素子アレーＳａとその素子−Ａ、は、それらがＲ′
に属するか、Ｒ′に楓するかによりＳム、Ｓ二、Ａ：、
Δ′、パで示す。

第１図の計測ヘッドの光学的構成を抽出して第２図に示
す。計測ヘッドの中心軸をｙ軸にとり、計測ヘッドは左
右対称で、受光器のレンズＸ：、久：’の中心ｏ’、　
ｏ’を結ぶ直線をχ軸にとる。■′−■Ｌ＝ａとする。

Ｌ、は光ビームで被測定物表面Ｊに投射して輝点を生じ
、受光器几′、几′は輝点像う′・ソ゛′を受光素子ア
レー”ａ　＋　Ｓ’ａ上に結ぶようになっている。輝点
像は受光素子アレーとレンズとの距離を調整して、常に
受光素子アレー上に結ぶようになっているものとする。

この焦点調整について゛は後に述べる。この状態は第２
図に示すごとくである。

輝点Ａは元ビームの方向変化にともなって被測定物表向
上を移動する。輝点が移動すれば受光器内の評点像９゛
または夕″はそれぞれ受光素子アレ＋　８４または８工
上で移動する。このノ′、９ｊＪの位置は輝点像対応の
電気出力を生じた受光素子の位置を調べることにより求
められる。この輝点像の位置検出法を第３図に示した。

これについては後に説明する。

なお、実際には輝点と受光素子アレーとの交叉馨容易に
するため、輝点の形な細長の形にする方が望ましい。

上述のような構成をとり、輝点の位置座標を人、仏輝点
像ツ′の座標なχＳ　Ｉ　Ｉ’ｌ　ｂ輝点像ノ′の座標
Ｙ　瀉、　？！；　　とする。さらにまた、考え易くす
るために、 χ；；＝ａ÷ξ１ ：Ｘ、７ミーａ＋ξ７ とおけば、次の関係が得られる。

ξ′−ξ′ り１＝　ｆ−−Ｘ？）＝ｆ（ｌ−二）　　・・・・・・
・・・　（３）！ａ ｆ：レンズの焦点距離 、Ｃ，Ｘｒ、あるいは、ξ１．ξτ　は輝点像に対応す
る電気出力を生じた受光素子の位置を知ることによって
求められる。これらの値と上式を用いれば、輝点位置人
、り、および輝点像６結ぶ面のレンズからの距離１り１
１が求められる。

光ビームを被測定物に投射した時は、受光素子アレーは
ン（の位置にないから、受光出力を生じた素子から算出
したち＋　ｌ’　ｌ　？”’は正しい値乞示さなイカ、
こ）ｙｉ’　Ｙ−仄近似として受光素子アレーとレンズ
との距離を修正し、２回目の測定を行ない同様の修正を
行なう。このような過程を繰返せば、受光素子アレーの
位置は正しい輝点の結像ｍｖｃ調整され、この時のへ、
？Ａは正しい輝点の位置を示すことになる。

上記測定を元ビームの方向を変えて行なってゆけば被測
定物を元ビーム面で切断した切口の形状が求められる。

第３図は受光器の輝点像検出法を示す図である。

図においてＳ、ハ受光素子アレー、Ａ、、Ａ、、・・・
　。

イ・・・・ノ、Ｌはその受光素子を示す。各受光素子Δ
・の出力は切換スイッチＳＷで切換えて復調器ｄ嵐に入
力される。切換スイッチｓｗはスイッチコントロー　５
ｐ　５Ｗ−０ＯＮＴにより適当なタイミングで切換えら
れる。図は原理を示しており、実際は電子的に高速度で
切換えられる。受光素子アレー〇位置がマイコンで算出
されると、その値は常にＩＩコントローラ（，７’；　
−０ＯＮＴ　）に入力されＳａ　ｋ　ｙｉの位置に調整
する。

実際の測定では、輝点Ａは被測定物表面をかなりの速度
で移動し、測定が遂次性なわれていくので、島の調整に
十分な時間が得られぬおそれはあるが、物体の表面は大
てい連続的に変化していて、輝点移動に伴なうｔ：の変
化は割合に小さいので１次次と得られる＞１の値を＞’
、　−ＱＣ）ＮＴに遂次入力していくようにすれば、実
用上差支えない程度の精度の測定を行なうことができる
。あるいはまた、過去のｔ；の測定値を用いて、次の）
１の値を推定してそれを用いることにより、さらに正確
な測定ができる。

次に、雑音の除去について説明する。アーク溶接におい
ては溶接アークが強い元を放射し、これが計測ヘッドの
投光器より発する元ビームすなわち信号光に対して雑音
光となって測定妨害になる。

この雑音光の妨害をなるべく少くするために次の３つの
手段□を講する。

（１）投光器の発する光ビーム（信号光）の波長を溶接
アーク光（雑音光）の波及と異る値に選ぶ。

これが不可能のＭＡ会は雑音光のスペクトル強度の弱い
波長を選ぶようにする。

（１１ン　　受光器の入口に元ビーム（信号光）の波長
乞通過域にもつ光のバンドパスフィルタ’ａ？　用イ”
Ｃ１雑音元を除去する。

０１１）元ビーム（信号光）に、溶接アーク光（雑音光
）に含まれない形式の変調を加え、受光器の電気出力を
彷訳した時、復調出力に原信号（変藺波）が含まれるか
否かにより、受光素子が輝点なとらえたかどうかを識別
するよ５ＩＣする。

上記（＋）、　（ｉｉ）、　Ｇ１１１の手Ｎ’＆講する
ことにより、雑音光の妨簀ヲ除去し、精度のよい測定を
行なうことができる。

次に本発明の測定系を第弘図について説明する。

図においてＯ２０は発振器で正弦波ある□いは連続繰返
しのパルスを発振する。その出力は変調器ＭＯＤによっ
て変調され、変調器の出力によって投光器りを駆動する
と、投光器から発する光ビームは変調器出力と同様な変
調を受けている。この光ビームが被測定物表面Ｊに入射
すると輝点Ａを生じ、そこから乱反射され、この乱反射
光が受光器九′。

几′に入る受光器の出力側は第３図に示したように構成
されている。切換スイッチＳＷは受光素子の出力を高速
で順次切換えて、復調器ＤＥＭ　に入力する。ＤＥＭは
その入力を復調して、識別器ＤＩ８に入力する。ＤＩ８
は復調器出力に変調波成分が存在するかどうかを識別し
、変調波成分が存在する時にのみサンプリンクパルスを
出力する。この場合、変調波成分が存在することは、そ
れに対応する受光素子ＩＣｊｉｌｔ点からの入力があっ
たことを示すものである。

スイッチコントロー９ＳＷ−０ＯＮＴは切換スイッチＳ
Ｗの端子の切換を制御する信号を発生して、その出力を
切換スイッチに入力してＳＷヲ制御するとともに、その
出力をスイッチ端子番号発生器５Ｗ−ＮＯに入力して、
切換スイッチがオン（ＯＮ）になっている端子番号を発
生する。識別器ＤＩ８が変調波成分を認めたときに発生
したパルスは端子番号発生器５Ｗ−ＮＯより端子番号ｔ
サンプリングして、それをマイコンμｍ００Ｍ）’へ入
力する。この端子番号は輝点なとらえた受光素子の位置
に対応しているので１式（１）、（２）・（３）におけ
るχ；、Ｘ；　　またはξ１．ξ１′ニ対応している。

したがって、端子番号発生器５Ｗ−ＮＯの出力をマイコ
ンμｍ００Ｍ１’に入力すれば、μｍＵＯＭＰは式（１
）、（２）、（３）により文、。

シＡ、’　ｉＩ”ａ’算出することができる。ここで、
μｍ００ＭＰは？１１を出力して、ν（馨支光累子アレ
ー位匝制御器バー　（ＥＯＮ’Ｉ’に入力する。受光素
子アレー位置制御器＞；−ｃｏＮ′ｒは、現実の受光素
子アレーの位置（ハ騙とμｍ００ＭＩ’からの入カク：
とな比較して。

（グＩ′）ａｃ”　’ｐ’ｉなる場合は受光素子アレー
の位置ケ−ｌ；に修正するための出力を受光素子位置調
整器ＳＱＤ・Ｓ１Ｄに入力し、受光素子アレーを輝点の
結像位置におくようにする。さらにまた、μｍ００ＭＰ
はあらかじめ設定されているプログラムにより。

、Ｌ、　、　弘　　の値からロボット制御信号几−０Ｏ
ＮＴを作成し出力する。

以上述べたところかられかるように、本発明の計測ヘッ
ドは次のような著しい特徴をもつ℃いる。

（１）測定系が割合簡単である。

（１１）受光器の焦点調整（受光素子を輝点結像位置に
調整）を輝点走行にともなって自動連続的に行ってい（
ので、測定精度がよくなる。

Ｇ１１）短時間で多数の測定点な遂次、継続的に得るこ
とができるので、アーク浴接のような連続作業に適して
いる。

（ＩＶ）　　雑音光による妨害が大巾に軽減される。

なお、これまでの説明でわかるように、投光器の取付は
位置は第１図では計測ヘッドの中央に取付げ、計測ヘッ
ド全体をほぼ対称に構成しているが、投光器の取付位置
はどこであっても差支えない。これは式（１）、　（２
）、　（３）の中に投光器の位置が含まれていないこと
からも容易にわかることである。

また、本発明の中では、投光器の光ビームの方向を振っ
て被測定物表面を走査する形としているが、光ビームの
方向を振る代りに、計測ヘッド全体を回転しても測定可
能である等種々の変形があることは云うまでもないこと
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のロボット用計測ヘッドの測定状況を示
す図、第２図は計測ヘッドの光学系の構成と測定原理を
示す図、第３図は計測ヘッド受光系の構成を示す図、第
≠図は計測ヘッドの測定系全体の構成概要１を示す図で
ある。 Ｂは測定ヘッドの本体、Ｌは投光器、几り、ｆＬｌは受
光器、χコ、フはレンズ　Ｑｌ　、　Ｏｙはレンズの中
心、Ｓ′ａ、Ｓ′ｌは受光素子アレー、Ｌ８は光ビーム
、１、／、、　Ｌ’は反射光、Ａは輝点、Ｊは被測定物
表面、叉、グは座標軸で、０はその原点、ＦＪ、　ｐｌ
はそれぞれレンズＺ／　、　／−／、の焦点、ｆはレン
ズｉＦ−’　、　／、：ｒの焦点距離、１．９”は輝点
像、その位置はそれぞれ（χ）、ケ（′）・（λτ　、
ｉ′）、４・′・イｆ′はそれぞれ９′、ノア位置にあ
る受光素子、ａは距離面’＝ｏｏ’ＦＩＬは光バンドパ
スフィルタ、ｏｓｃは発振器、ＭＯＤは変調器、ＤＥＭ
は復調器、　ＳＷは受光素子アレーの受光素子端子をサ
ーチする切換スイッチ、ＤＩＳは復調器出力に変調波成
分の存否を識別するための識別器、８Ｗ−０ＯＮＴは切
換スイッチｓｗｋ制御するスイッチコントローラ、５Ｗ
＝−ＮＯは切換スイッチがＯＮになっている受光素子端
子番号を示すスイッチ端子番号発生器、８ＢＤ　＋　％
Ｄは受光素子アレーの位置を補正するための調整器、　
ｙ、ニーＤＯＮＴはマイコンμｍ００ＭＰより７１″の
値？受は取っ℃、受光素子アレーの位置を補正するため
の出力を発生する受光素子アレー位置制御器、μｍ００
Ｍ）’は輝点位置および輝点結像位置テ１を計算すると
ともに、ロボットの制御信号を発生するマイコン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　投光器および同じ構造と性能をもつ一対の受
   光器を備え、投光器は方向可変の細い元ビームを被測定
   物表面に投射し、その場合化ずる輝点で被測定物錬ＬＩ
   Ｉｉを走査できるようにし、受光器は互に一定距Ｍをへ
   たてて、計測ヘッド本体に対称に取付けられ、かつ、レ
   ンズと受光素子アレー？備え、受光素子アレー上に結ぶ
   輝点１象の位置を受光素子アレーの受光素子の出、力に
   おきかえてマイコンに入力し、被測定物表面の輝点の位
   置を算出するとともに、レンズと輝点像の距離を算出し
   、この算出値を用いてレンズと受光素子アレーとの距離
   を輝点の結像位置に調整するようにしｆこことを特徴と
   するロボット用ベア形計測ヘッド。
2. （２）　　前記特許請求の範囲第１項において、光ビー
   ムに変調を加え、受光器出力側では受光素子端子を切換
   スイッチで高速で切換えて、順次復調器に入力して復調
   し、この復調出力に変調波成分が含まれている場合は受
   光素子上に輝点像が結ばれたとしてサンプリングパルス
   を発生し、このパルスによって、切換スイッチがオン（
   ＯＮ）になっている受光素子端子の順番をサンプリング
   して、それをマイコンに入力し、輝点の位置および輝点
   像とレンズとの距離を算出するようにしたことを特徴と
   するロボット用ベア形計測ヘッド。