JPS60158308A - 近接センサ - 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、物体までの距離と物体表面の傾きを決定する
センサに関するものである。

ロボットの手で複雑な形状の物体を安定に把握するには
、近接センサが不可欠である。この種のセンサは、ロボ
ットの手を微妙に制御するために必要な物体までの距離
と物体表面の傾きを測定できること、また、ロボットの
手機構への装着上、できるだけ軽量、小形で簡単な装置
であること等の条件を備えていなければならない。とこ
ろが、実際には、これらの条件を満たすセンサはいまだ
実現しておらず、新しいセンサの開発が望まれてきた。

従来、発光素子や受光素子を用いてセンサを構成する方
法は、センサの軽量化、小形化の点で都合がよく、こう
し〆センサが、これまでいくつか提案されてきた。しか
し、その多くは、−個の発光素子と一個の受光素子が一
組となってセンサを構成するにすぎず、画素子を結ぶ光
路は基本的に一個に限定されていた。従って、この光路
から定捷る距離を距離測定の最大感度点とし、受光素子
で検出する光量の大きさの違いによって最大感度点の前
後の距離を識別していた。位相差を利用した近接センサ
は発光素子を複数個用いるが、このよう々センサにおい
ても、光量の大きさに依存して距離を決めていることで
は本質的に変わりがないＯ このように、従来のセンサは、受光素子で検出する反射
光量の絶対値に依存して距離を定めてきた。このため、 （１）　距離測定の結果は、物体表面に特有な凹凸度、
反射率、傾きの影響を強く受ける。

（２）測定環境中の照明の影響を受ける。

（３）測定可能な距離の範囲が狭い。

などの欠点があった。とくに、位相差を利用したセンサ
においては、物体表面の起伏状態や反射率が位相差に与
える影響を々〈すため、物体表面は完全拡散面で、かつ
、発光素子は無指向性でなければならないなど、光学的
に理想的ないくつかの条件を使用上の前提とする。とこ
ろが現実には、物体表面の起伏状態や反射率は物体に特
有な属性で、物体ごとに異々る。１〜かも、反射率は、
同一物体でも入射角によって異なる。

このため、このような条件の設定は実際的でなく、セン
サの実用化を非常に困難に【、てきた。

本発明は、上記の欠点を一挙に解決するためになされた
もので、発光素子、受光素子、スリットを施ｊ７た円板
とその回転のためのモータ、及び円板回転の同期検出装
置を用いてセンサを構成１２、物体に角度を変えて連続
、かつ、周期的に光を投射し７、受光素子出力信号の変
化時期を検出して物体捷での距離を幾何学的に決定し、
三個以上の受光素子から得られる距離情報を使うことに
よって、物体表面の傾きをも決定する能力を有するセン
サを提供することを目的とするものである。以下、本発
明について図面を用いて説明する。

第１図（ａ）は、本発明の一実施例構成の正面図である
。同図（ｂ）は、同構成の平面図である。スＩＪ　ノ）
　Ｓを施１−だ円板Ｃは、発光素子りの前方に位置し、
ベアリングＢを介してフランジＦに結合する。円板Ｃは
モータＭの回転力によってフランジＦの周囲に自由に回
転する。Ｗは、モータＭの回転力を円板Ｃに伝達する手
段でベルトやワイヤに相当する。円板の外周付近に固定
した受光素子Ｒは、円筒状フードなどをつけて前方から
くる光に対し２てのみ反応する。スリットＳは、円板上
のＯを中心として放射状、かつ、螺線状に切られる。円
板中心０からスリット位置までの長さは回転角とともに
単調に増加するか減少するかのいずれかである。Ｔ、Ｋ
ｌ、　Ｋ２は、円板の回転中、スリットが受光素子の光
軸と円板中心を含む筒内を通過する時期の開始と終了を
検出する同期検出装置に関したものである。

この装置は、機械的、磁気的、電気的な手段によって実
現するが、この例は光学的手段を採用している。つｔ、
６、Ｔは円板回転の同期検出装置（光センサ）で、円板
夕１周に設置］、た標的■（１゜Ｋ２の通過を検出し、
パルスを発生する。反射板などによって構成される標的
に＋、に＊ｌｄ、それぞれ、円板中心Ｏからスリット両
端を見る方向にあシ、受光素子Ｒが光を入力憤る可能性
のある期間の開始と終了を定める。円板回転の同期検出
装置Ｔは、フランジＦと同様、センサを装着する基板に
固定である。これは、受光素子Ｒの光軸と発光素子りを
含む面内で標的に＋　Ｋｘの通過を検出する。角度αは
、受光素子光軸と発光素子りを含む平面内にあるスリッ
トを通って物体を照射する光ビームが、円板中心０と発
光素子りを結ぶ直線に交わる角度である。この角度は、
モータの回転によって連続、かつ、周期的に変化し２、
その範囲は９０°以内であることはいうまでもない。

次に、本発明の距離測定の原理について説明する。第２
図は、発光素子りから発射した光がスリ７）Ｓを通過し
て物体Ｇを照射し、物体表面で反射して受光素子に到達
する状況を幾何学的に表わすものである。円筒状のフー
ド内に格納した受光素子Ｒは、事実上弾指向性とみなせ
るので、受光素子Ｒに入力する光は、受光素子Ｒの光軸
と発光素子りとを含む面内にあるスリットＳを必ず通過
する０円板中心ＯからこのスリットＳの位置捷での距離
Ｘは、スリットＳの形状と円板Ｃの回転角度とから定寸
る。Ｈは、発光素子中心からセンサ前面、すなわち、距
離算出基準線２寸での距離であるｏＵは、発光素子りと
受光素子Ｒ間の距離、Ｅは、円板中心Ｏと基準線２間の
距離である○θけ、円錐状円板Ｃの傾きを表わす。こう
したとき請求めるべき距離算出基準線Ｚから物体までの
距離りは、第２図に示した光路の幾何学的関係から、Ｘ
８ｉｎθ／Ｕ＝（Ｈ−Ｅ−Ｘｃｏｓθ）／（Ｄ十Ｈ）を
満たすことが明らかで、この式から Ｄ＝Ｕ　（Ｈ−Ｅ−Ｘ　ｃｏｓθ）　／　（Ｘ　ｓｉｎ
θＬ−Ｈを容易に導出することができる。これは、距離
Ｕ、Ｈ，Ｅ及び円板Ｃの傾斜角θが既知であるとき、距
離Ｘに依存して距離りが定まることを意味する。距離Ｘ
は、円板Ｃの回転角に対応して定まるので、予め回転角
と距離りとの関係を調べておきさえすれば、前記の式を
毎回計算することなく、これらの関係を利用して距離り
を定めることができる。これらの関係は、円板上のスＩ
Ｊ　７　）の形が放射状、かつ、螺線状であるととによ
って簡単にガる。回転する円板Ｃ上のスリットＳは、物
体に投射する光ビームの方向角αを変え、任意の位置に
ある物体までの距離を連続的に測定することを可能にす
る。円錐形の円板はセンサを小形化する効果をもつ。

第３図は、受光素子の出力信号を処理する回路の一構成
例概略図である。これは次の四つのブロックに大別され
る０ブロツク１は、受光素子出力信号の変化に注目し、
光を入力１７た時にのみパルスを発生する機能を有する
。受光素子出力の大きさは、測定環境中の明暗によって
異なるが、定常的な照明状態においては出力のレベルは
変化しないため、反射光の入力時期は、受光素子出力の
相対的変化の開始時期に等しい。

この時期を検出する回路は一般に、微分回路、あるいは
ピーク値検出回路を主要素として構成される。ブロック
２は、光投射の同期を検出する回路で、回転するスＩＪ
　７　）の通過開始と通過終了時にパルスを発生する。

ブロック３は、円板の回転による光投射の開始から受光
素子が光を入手するまでの時間を測定する回路である。

。 これらの時間は正確な時間である必要はなく、同じもの
さしで測定した時間軸上の長さであればよい。このため
、第３図に示した回路の構成例のように、周波数一定の
・ぐルス発生器からの出力パルスをそれぞれの期間だけ
計数することによってその機能を実現する。ブロック４
は、光投射の開始から受光素子が光を入手するまでの時
間と光投射を終了するまでの時間比を計算し、その結果
を出力する。この出力は、ただちに実際の距離に対応づ
けられるので、実質的な距離を表わすといえる０これら
四つのブロックに示した回路は、既存のトランジスタや
ＩＣを用いて構成でき、受光素子出力信号を処理する回
路全体を安価に、かつ、軽量、小形に組立てることが容
易である０ 第４図は、物体表面の傾きを検出する本発明による近接
センサの基本的構成例である０同図は第１図（ｂ）と同
様センサの平面図を示す。第４図に示す近接センサが第
１図に示す近接センサと異なる点は、受光索子Ｒと光投
射の同期検出装置Ｔがそれぞれ三個に増えたことにある
。三個の受光素子Ｒ’、　ｌ’ｂ、　Ｒｓから得られる
光信号は、同期検出装置ＴＩ、　Ｔ２．　Ｔ’−と専用
の回路（三個）によって処理され、円板Ｃが一回転する
間に物体までの距離を三個所で測定することができる。

物体が至近距離にある場合、これら三個所は同一面にあ
るとみなせるので、物体表面の傾きが定寸る。つ−ｔｂ
、三つの距離情報と受光素子配置情報とから、物体表面
の式を三次元空間で決定できるのである。

以上の説明では、円板上のスＩＪ　７　）は一本であっ
たが、一般に角度３６０°をｎ（整数）分割し７て１本
のスリットを一つの円板に切り、かつ、それぞれのスＩ
Ｊ　７　）に対応した光投射の開始、及び終了を検出す
る標的を円板に取り付けることも可能である。そうした
場合、円板の回転速度を変えずに距離測定の速度をｎ倍
に改善することができる。

第５図は、ｎ　＝　２の場合の円板の平面図である。一
般に、ｎ　＝　１以外では、ス！Ｊ　７　）　Ｓを適切
に配置し、円板Ｃの回転むらを防止するととができる。

モータの起動、停止時の過渡的状態においては、回転角
加速度によって円板の一回転内で角速度が変化し、距離
測定の精度に大きな影響が現われるが、定速回転下では
円板の回転速度が違ってもその影響は全くない。どのた
め、モータの回転速度を適当に定め、目的に適したザン
プリング速度で距離を測定し、エネルギーを節約するこ
とができる０ 塵埃等によってスリットが目詰りを起こしたり、衝撃に
よってセンサを破壊する危険のある環境中では、円板前
方に透明ガラスを置いてセンサを保護することができる
０との場合、スリット光゛は、ガラス面で屈折し、投射
角αを減少させる作用をする○このため、距離測定の結
果は減少する傾向になる０この影響をなくすには、ガラ
スを設置した状況下で円板の回転角と物体までの距離の
対応づけをすればよい０そうしておくことによって距離
を正確に定めることができる。

なお、本発明は、円板の駆動や回転の方式、及びスリ７
トの配置や形状を変えることにより、各種用途に適した
特性のセンサを提供するととけいうまでもない。

以上詳細に説明したように、本発明の近接センサは、放
射状、かつ、螺線状に伸びたスＩＪ　７トを有する円板
を発光素子の前方に配置し、スリットの通過光を物体に
投射し、円板をモータによって連続的に回転して物体へ
の光の投射角を周期的に変え、物体表面で乱反射する光
を特定方向から反射してくる光にのみ敏感な受光素子で
受け、受光素子が反射光を捕える時期を根拠に円板の回
転角を検出し、幾何学的に予め定めておいだ回転角度と
距離との対応関係から物体までの距離を定め、少なくと
も三個以上の受光素子から得られ、る距離データをもと
に、物体表面の傾きをも検出することができる。

また、本発明は　受光素子出力の絶対値に依存してきた
従来のセンサとは異なり、受光素子が始めて反射光を捕
える時期、すなわち、受光素子出力の相対的変化の時期
に依存して距離を定めるもので、物体表面が鏡のように
平担な場合を除き、物体に特有な凹凸や傾き、反射率色
、材質等の影響を全く受けることが々く、さらに、測定
環境中の照明の影響も受けることがないという利点を有
するものである０このように実用上優れた性質を顕著に
備えた本発明は、広くロボット用センサとして、寸だ、
自動化を目指しだ生産ラインにおいて、距離や傾きを測
定、或いは監視する小形なセンサとして非常に大きな効
果をあげることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略構成図、第２図は幾何
学的な光路図、第３図は受光素子出力信号処理回路の一
構成例を説明するための図、第４図は傾きを検出する本
発明の一実施例の概略構成図、第５図はスＩＪ　ン）配
置例を説明するだめの図である。 図中、Ｂはベアリング、Ｃは円板、Ｄは物体までの距離
、Ｅは円板中心と距離算出基準線間の距離、Ｆはフラン
ジ、Ｇは物体、Ｈは発光素子と距離算出基準線間の距離
、Ｋは標的、Ｌは発光素子、Ｍはモータ、０は円板中心
、Ｒは受光素子、Ｓはスリット、Ｔは円板回転の同期検
出装置、Ｕは発光素子と受光素子光軸間の距離、Ｗはベ
ルト、Ｘは円板中心からスリットまでの距離、Ｚは距離
算出基準線、αは光の投射角、θは円錐形円板の傾斜角
である。 指定代理人　電子技術総合研究所長　等々力　し。 １、゛。 電 第　１　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　円板の連続回転によシ光を物体に方向を変えて
   周期的に投射し、光投射の開始から受光素子が物体から
   の反射光を入力するまでの時間との比に基づいて物体ま
   での距離を測定する近接センサであって、スリットを施
   した円板と、該円板の回転装置と、発光素子と、受光素
   子と、前記円板の回転によるスリットの開始時および終
   了時を検出する同期検出装置と、受光素子出力が暗信号
   から明信号に変化する時期の検出回路とから成ることを
   特徴とする近接センサ。 （２）　！許請求の範囲第１項記載の近接センサにおい
   て、円板に施したスリットの形が放射状かつ螺線状であ
   ることを特徴とする近接センサ０ （８）％許請求の範囲第１項または第２項記載の近接セ
   ンサにおいて、円板が円錐形であることを特徴とする近
   接センサ。 （４）−個の発光素子と一個の回転円板により物体まで
   の距離を複数個所で測定するための受光素子を複数個前
   記回転円板の周囲に設置したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項、第２項、第３項記載の近接センサ。 （５）少なくとも三個以上の距離情報を使い物体表面の
   傾きを検出するだめの演算装置を設けたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項記載の近接センサ。