JPS6221007A - ロボツト用視覚センサシステム - 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】 本発明は追跡用センサを含む視覚システム、特に、苛酷
な環境において使用する独自の縞状光発生手段を有する
視覚システムに係る。本発明の視覚センサは苛酷な作業
環境における廐埃、湿度及び温度変化の影響を抑制する
改良型与圧調節空気系を含む。

縞状光を利用する継ぎ目追跡システムは投射される縞状
光の幾何学的条件に基づいて継ぎ目を追跡する。視覚シ
ステムを利用することによって収集されたデータを利用
して、工作物の例えばタイプ、位置、配向などを表わす
３次元情報を計算する。この情報は究極的には径路を変
えたり、工業マニピュレータまたはハードなオートメー
ション・デバイスの動作を制御するのに利用される。

多くの場合、従来型視覚システムは大型の、しかもデリ
ケートな装置であり、適当な整合及び較正パラメータ内
に調整維持することが困難であった。公知の縞状光発生
方法では、回転ミラーとレンズ、またはレンズ、ミラー
及びファイバ・オブチックを組合わせるなどの方式が採
用されている。これらの従来型システムを利用する方式
に固有の問題点として、構成要素の摩耗、ファイバ・オ
プチック束のたわみやひずみ、像のぼけがある。このよ
うな従来型システムは工業用よりも実験用に向いている
。その主な理由は工業的な用途では凝結、振動、極端な
温度条件、あるいは汚染されたまたは塵りフぼい環境に
おける作業から生ずる問題も加わるからである。

従って、本発明の目的は信頼性の高い視覚センサを提供
すると共に視覚システムを工業用として利用した場合に
起こる困難を克服する経済的で、軽量の、また信頼性の
高い追跡用視覚システムを提供することにある。

本発明はまた、与圧され、濾過され、温度制御された空
気を供給して内部の構成要素を凝結や極端な温度条件に
よる影響から保護するような環境を維持する改良型筐体
をも提供し、この筐体内に視覚センサシステムを取り付
ける。

本発明はその広義において、視覚センサ装置を囲む筐体
手段と、筐体内に取り付けられ、工作面上の所定の点に
選択的に焦点合わせできる光検知手段と、筐体内に取り
付けられ、第１所定光路に沿って伝播する光ビームを発
生させる手段を含み、視覚センサ装置及びこの視覚セン
ナ装置のための環境制御系を用いて工作物と連携させる
ことのできるロボット用視覚センサシステムにおいて、
光ビームを複数点で受光し、これを第２所定光路に沿っ
て縞状に反射するように筐体内に第１光路沿い配置した
凸面ミラー手段と、第２所定光路から工作面へ、この工
作面において光検知手段によって検知され、工作面に投
射される光の縞の幾何学条件によって工作面の特徴が明
らかになるように、光の縞を反射させるべく筐体手段内
に取り付けたーミラー手段と、環境制御系がセンサ筐体
手段と連通してこれに与圧調節された空気を供給するこ
とと、環境制御系がセンサ筐体手段内の温度を感知する
手段と、濾過調節された空気を選択的に供給する給気手
段と、給気手段と連通し、感知手段に応答してセンサ筐
体に与圧調節空気を供給し、筐体内の環境を環境内の温
度変動に関係なく所定の温度範囲内に維持する弁手段か
ら成ることとを特徴とするロボット用視覚センサシステ
ムを提供するものである。

本発明の好ましい実施例は苛酷な環境における使用に特
に好適な視覚システムを提供する。この視覚システムは
光ビームを提供し、これを所定位置に向ける手段を含む
。光ビームを反射させるため、光ビームの光路中に凸面
ミラー手段を配置する。その結果、光ビームが凸面ミラ
ー手段状の複数点に入射し、縞状となって第２の所定光
路に沿って反射する。光の縞を第２所定光路から基材に
むかって反射させるようにミラー手段を設ける。こうし
て基材に投射された光ビームは光検知手段によって検知
される。

視覚システム筐体は環境制御システムをも収納する。こ
の環境制御システムは空気を濾過することによって空気
に含まれている水分及び汚染物買の大部分を除去したの
ち、濾過された空気を渦管に通すことにより、高及び低
温調節された空気を生成させる。弁システムが視覚シス
テム筐体に流入させる空気流量を選択的に制御する。こ
のようにセンサ筐体へ導入される空気流が正圧を発生さ
せ、筐体レンズの周囲から排出される。この乾燥調節さ
れた空気は視覚システム筐体内の各要素を凝結や極端な
温度条件による影響から保護する。筐体が与圧されるか
ら、塵埃や汚染物買が侵入する径路は存在しない。排出
される空気は筐体から煙や塵埃を駆逐し、これらがレン
ズに付着するのを防止し、照射光ビームの検知に必要な
視覚システムに明るい視界を提供する。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳
細に説明する。

ここに述べる実施例は苛酷な工業的環境において使用す
るための、堅牢でコンパクトな、軽量の縞状光発生式視
覚システムである。視覚システムの縞状光発生手段は本
発明独自のもので、光源から独立しており、レンズを使
用せずに縞状光を発生させる。本発明独自の構成要件に
より、高度の融通性が可能になり、はとんど無制限に感
知範囲を調節できる０本発明の視覚システムは信頼性が
高く、好ましい実施例は可動部分を全く含まない。後述
するように、縞状光の投射がカメラまたは光検知手段の
可変焦点距離レンズと対応して縞状光反射ミラーが自動
調節されるように、視覚システムに自動調節機構を組み
込むことができる。システム筐体内における塵埃、温度
及び温度変化の影響を抑制するため与圧調節空気を利用
する。この視覚システムはロボットまたは例えば、ハー
ドなオートメーション追跡システムに組み込むことがで
きる。本発明の視覚システムは第１図に斜視図で示した
ようなロボット１１と併用できる。

例としてロボットまたは工業マニピュレータ１１を図示
したが、如何なるタイプのロボットにも本発明の視覚シ
ステムを併用できる。

本発明をウエスチングハウス・エレクトリック・コーポ
レーションから市販されている第１図図示のｔｌｎｉｍ
ａｔｉｏｎ　５ｅｒｉｅｓ　６０００に組み込んで好ま
しい成果が得られた。このロボットは本発明の出願人に
譲渡され、本願明細書中にも引用されているＤａｎｉｅ
ｌ　Ｐ、　５ｏｒｏｋａ等のヨーロッパ特許公報第０１
２２１４δ号「汎用直交軸マニピュレータ・システム」
に具体的に説明されている。Ｕｎｉｍａｔｉｏｎ　５ｅ
ｒｉｅｓ　６０００は広い直方体形の作業空間を有する
オーバヘッド・ガントリ型ロボットである。このロボッ
トは比較的複雑な極座標とは対照的な直角座標によるプ
ログラミングを可能にする。Ｘｏ、Ｙ及びＺ軸系合体は
作業場床面Ｆに固定した垂直支持部材ＳＭによってガン
トリ式に支持されて合成動作を行うことができ、マニピ
ュレータ・システムの動作はウエスチングハウス・エレ
クトリック・コーポレーションから市販されているＶＡ
Ｌ　ＩＩ　Ｒ５ｙｓｔｅｍ　　のような従来型ＮＣコン
ソール２７によって工作機械と同様に制御される。この
ようにロボットをガントリ方式に構成すれば、工作機械
のような補間動作、高精度及び再現性を可能にすると共
に、ロボットにふされしい速度及び器用さを可能にする
堅牢なマニピュレータが得られる。このようなガントリ
構成によって、垂直構造部材ＳＭで支持されるオーバヘ
ッドＸ軸集合体が得られる。Ｙ軸集合体はＸ軸集合体か
らアーム状に延びると共に、垂直Ｚ軸系合体を支持する
。直交Ｘ％Ｙ及びＺ軸系合体の（チかに、Ｚ＠集合体の
取り付は面１３を、本発明の視覚システムと併用される
適当なエンドエフェクタを取り付けることのできる多重
軸回転リスト１５を装着できるように構成する。このエ
ンドエフェクタＴは第２図に示すようなグリッパ、溶接
トーチなどである。視覚システムは追跡用としても位置
ぎめ用としても利用できる。

第２図及び第３図には一部切り欠き、一部所面で示した
立面図及び分解図で本発明の縞状光発生手段をそれぞれ
示した。縞状光発生手段１０１は底部を参照番号１０５
で示す筐体１０３を含む。底部１０５はベース部材１０
７及びカバー１０９を含む。カバー１０９とベース部材
１０７の間にカバー・ガスケット１１１及び底部ガラス
部分１１３を介在させる。ベース部材１０７は２つの窓
部１１５．１１７を有し、縞状光が窓１１５から投射さ
れ、工作面から窓１１７を通って反射する光をカメラが
検知する。カバー１０９は作業台整列のため筐体１０３
への接近及び内部要素の取り外しを容易にするように構
成されている。

筐体１０３はベース部材１０７に固定されてカメラ１２
１を支持するブラケット手段１１９を含む。この縞状光
発生手段に使用するのに適したカメラはカリフォルニア
州のＰＵＬＮＩＸ　ＡＭＥＲＩＣＡ　ＩＮＣ，から市販
されているＰＵＬＮＩＸＴＭ−３４に７７Ｍ−３６Ｋ　
５ｅｒｉｅｓ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｃａｍｅｒａ
ｓである。別のブラケット手段１２３が前記カメラの近
くに市販のレーザ１２５を支持する。この縞状光発生手
段に使用するのに好適なレーザはカリフォルナ州すニー
ベイルの０ＮＩＰＨＡＳＥから市販されている。好まし
いレーザはヘリウム・ネオン０．９５ＭＷクラス■！レ
ーザである。窓１１７にかぶせてフィルタ１２７を取り
付ければよい。このフィルタは周囲照明、溶接フラッシ
ュなどの悪影響を極力小さくする。

本発明の好ましい実施例は３個のミラー構造１２９．１
３１．１３３を利用する。尚、実際のミラー構造は光路
の幾何学的条件に関する第３図以降に沿った説明から明
らかなように必ずしも一様ではない。第１ミラー構造１
２９はファスナ１３６のような固定手段を介してベース
部材１０７で支持される取り付は用ブラケット１３５を
含む。取り付は用ブラケット１３５は各端のピボット軸
１３９でミラー取り付は用ブラケット１３７を支持する
。ミラー部材１４１は好ましくはシリコン接着剤を使用
してピボット・ブラケット１３７に固定する。旋回自在
なブラケット１３７にミラー部材１４１を取り付けたの
ち、取り付は構造１３５内に旋回自在なブラケット１３
７を回転させ、取り付は用ブラケット１３５をファスナ
１３６を中心に回転させることによって整合を達成でき
る。正しい整合が得られたら、クランプ部材１４３及び
ファスナ１３６を締付ければよい。同様に、ミラー構造
１３３もピボット軸１４９を有する旋回自在なブラケッ
ト１４７を取り付けるための取り付は構造１４５を含む
。取り付は構造１４５はファスナ１４６を中心に回転す
る。旋回自在なブラケット１４７内にシリコン接着剤に
よフてミラー部材１５１を取り付ける。ミラー部材１５
１を正しく整合させたら、クランプ部材１５３及びファ
スナ１４６によって旋回自在なブラケットを任意の位置
に固定する。

凸面ミラー１３１はミラー部材１５７を取り付けるため
の取付は用ブラケット１５５を含む。ミラー部材はその
湾曲面をアルミニウム被覆した円筒レンズから成る凸面
ミラーである。このレンズの焦点距離は４０ｍｍ　（Ｆ
２Ｏ）である。取り付は用ブラケット１５５は取り付は
手段１５８から延びるシャフト１５６に沿って並進運動
することができ、その底１６０に面取りされたシステム
を設けることができる。

次に本発明システムの動作を説明する。タングステン・
ハロゲン光源などでもよいが、レーザ１２５が好ましい
光源からの光ビームがミラー構造１２９のミラー１４１
で反射し、円筒形または凸面ミラー構造１３１にむかっ
て進む。光ビームの太さは有限であり、説明の便宜上、
多くの細かいビームの束と考えることができる。なぜな
ら、光束中の第１ビームと最終ビームは光ビームまたは
光束の中心とは異なる位置で円筒ミラーに入射するから
である。個々の光ビームごとに入射及び反射角に差があ
るから光ビームは縞状に広がる。凸面ミラー構造１３１
の円筒ミラー１５７から反射したのちに形成される光の
縞はミラー構造１３３によって所定の工作面ターゲット
に向けられる。

ミラー構造１２９を調整すれば、それ以上調整を必要と
しないのが普通であるが、ミラー構造１３３は調整可能
であり、これを利用することによフてカメラ及びレンズ
構成１２１の焦点距離に合わせて縞状光を工作面に向け
ることができる。変化する焦点距離に合わせるため、こ
の調整を手動で行うか、またはサーボ駆動機構で駆動す
ればよい。換言すれば、サーボ駆動機構をカメラ１２１
及び第２ミラー構造１３３と連動させることにより、各
ユニットを自動調整できる。図示のように、ベース部材
に取り付けた光源カメラ、及びいくつかのミラー構造を
作業台の試験及び整合のため一体的に取り外すことがで
きる。

第２図及び第３図の実施例における本発明の縞状光発生
手段の好ましい光路は、光源室２５がミラー構造１２９
の３４１ミラー部材で反射する光ビームを発生させるの
を示す第４Ａ図からさらに明らかになるであろう、最初
の反射光ビームＢはミラー構造１２９の鏡面に入射し、
円筒ミラー部材１５１にむかって反射する。光ビームＢ
は凸面ミラー構造１３１の円筒ミラー部材１５１で縞状
光Ｓの形で反射する。こうして発生した縞状光はミラー
構造１３３のミラー部材１４１から工作面Ｗにむかつて
反射する（Ｒ３）。工作面Ｗからの反射光はカメラ手段
１２１によって検知されて、図示しない連携の信号処理
手段によって適当に処理される。

第４Ｂ図及び第４Ｃ図は本発明システムに組み込まれる
光学系の他の実施態様を示す。

第４Ｂ図の実施態様では第１ミラー構造１２９が省略さ
れ、光源１２５からの光ビームは凸面ミラー構造１３１
の円筒ミラー部材１５１に直接向けられる。縞状光はミ
ラー構造１３３で反射して工作面に向けられる。第４Ｃ
図の光学系態様では、第２ミラー構造１３３も省略され
ており、光源は凸面ミラー構造１３１の円筒ミラー部材
１５１に光ビームを直接入射させる。次いで縞状光が円
筒ミラー部材１５１から工作面Ｗに直接照射される０以
上２通りの実施態様を説明したが、第２図、第３図及び
第４Ａ図に示す好ましい実施例の方がよりコンパクトで
ある。

第５図には視覚システム筐体１０３と組合わせて使用す
る環境制御系を空気圧式制御系として略示した。縞状光
発生光源、カメラ及びミラー手段を収納する筐体を画定
する囲壁１０３内における高温、低温または周囲温度に
対する需要を感知するのに市販の温度スイッチ手段１６
１を使用する。スイッチ手段１６１は後述するいくつか
のソレノイド制御弁を制御する。外気供給源１６３から
いくつかのフィルタ１６５及び調整手段１６６に通され
、その過程で外気中の水分や汚染物質の大部分が排除さ
れる。濾過された空気は市販の渦管に送られて高温また
は低温調節された空気となる。濾過された空気はライン
１６７を通り、Ｔ字継手管からライン１６９に進んで渦
管１フ１に流入するか、またはライン１７３に進む、フ
ィルタを経てライン１６７〜１６９を通り、渦管１７１
を通過した乾燥空気流はこの渦管により２つの流れ、即
ち、ライン１７５を通る高温流と、ライン１７７を通る
低温流とに変換される。本願に使用できる適当な渦管は
オハイオ州シンシナティのＶｏｒｔｅｃ　Ｃｏｒｐｏｒ
ａｔｉｏｎ　　から市販されている。

渦管１７１によって生成させられた高温空気流はライン
１７５を通ってソレノイド制御弁手段に流入する。ソレ
ノイド１７９は高温乾燥空気流を排気管１８３に向ける
か、別のライン１８５に向けて主制御弁１８７へ流入さ
せることができるように弁部材１８１を制御する。低温
空気流はライン１７７から渦管１７１を出て弁１８９に
流入し、ここからライン１９１を通って排出されるか、
またはライン１９３を通って主要弁１８７に流入する。

主要弁１８７はライン１７３から調節せれた空気が流入
するか乾燥外気が流入するかを選択する。適当に選択さ
れた空気は主要弁１８７からライン１９５を通って視覚
センサシステムの筐体１０３に向けられる。センサ筐体
に導入された空気流が正圧を発生させ、矢印で示すよう
に筐体レンズまたは底部ガラス１１３の周囲のボート１
４４（第３図）から排出される。視覚システムを溶接作
業のような苛酷な環境で使用する場合、この乾燥調節さ
れた空気を利用することにより、各要素を凝結や８ｉ端
な温度条件による影響から保護する。筐体は与圧されて
いるから、塵埃及び／または汚染物質が侵入する通路は
存在しない。排気が筐体１０３から煙や塵埃を駆逐して
、筐体レンズ１１３に汚染物質が付着するのを防止し、
明るい視界を維持する。

以上、苛酷な工業的環境で使用するための堅牢でコンパ
クトな、軽量の縞状光式視覚センサである追跡用の改良
型視覚センサを説明した。本発明の構成は高度の融通性
及びほとんど無制限に調節できる感知範囲を得るのを可
能にする。本発明の装置は信頼性が高く、好ましい実施
例は可動部分を全く含まない。

本発明は装置筐体内における塵埃、湿度及び温度変化の
影響を抑制するため、与圧され、調節された空気流を利
用する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例と併用される直交軸マ
ニピュレータ・システムの斜視図。 第２図は溶接トーチと併用される本発明の視覚システム
の実施例を一部切り欠き、一部断面で示す立面図。 第３図はこの視覚システムの縞状光発生手段の主要要素
を示す本発明の視覚システムの分解図。 第４Ａ図、第４Ｂ図及び第４Ｃ図は本発明の視覚システ
ムのいくつかの光学系を略−示する説明図。 第５図は本発明の視覚システムと併用される環境制御シ
ステムを略示する構成図である。 ：１頁の続き ）発　明　者　　ジエフリー・デビツ　　　アメリカ合
衆国、ペンド・タフト　　　　　　　ト・ベンゾン・ド
ライ１発　明　者　　ジャック・ウオレス・　　アメリ
カ合衆国、ペン・クレメンツ　　　　　　　イン・ホロ
ー・ロードンルベニア州、マリスピル　ウニス ゲ４０２９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、視覚センサ装置を囲む筐体手段と、筐体内に取り付
   けられ、工作面上の所定の点に選択的に焦点合わせでき
   る光検知手段と、筐体内に取り付けられ、第１所定光路
   に沿って伝播する光ビームを発生させる手段を含み、視
   覚センサ装置及びこの視覚センサ装置のための環境制御
   系を用いて工作物と連携させることのできるロボット用
   視覚センサシステムにおいて、光ビームを複数点で受光
   し、これを第２所定光路に沿って縞状に反射するように
   筐体内に第１光路沿い配置した凸面ミラー手段と、第２
   所定光路から工作面へ、この工作面において光検知手段
   によって検知され、工作面に投射される光の縞の幾何学
   条件によって工作面の特徴が明らかになるように、光の
   縞を反射させるべく筐体手段内に取り付けたミラー手段
   と、環境制御系がセンサ筐体手段と連通してこれに与圧
   調節された空気を供給することと、環境制御系がセンサ
   筐体手段内の温度を感知する手段と、濾過調節された空
   気を選択的に供給する給気手段と、給気手段と連通し、
   感知手段に応答してセンサ筐体に与圧調節空気を供給し
   、筐体内の環境を環境内の温度変動に関係なく所定の温
   度範囲内に維持する弁手段から成ることとを特徴とする
   ロボット用視覚センサシステム。 ２、光ビーム発生手段がレーザであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のシステム。 ３、所定の光路に沿って光ビームを導くように光ビーム
   発生手段と凸面ミラー手段の間に介在させた別のミラー
   手段をも含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のシステム。 ４、ミラー手段及び凸面ミラー手段を調整できることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のシステム。 ５、センサ筐体手段が光検知手段、光ビーム発生手段、
   凸面ミラー手段及びミラー手段を取り付けるためのベー
   ス部材を含むことと、ベース部材に取り付ける際に試験
   及び整合のため上記各手段を取り外せるように、ベース
   部材を着脱自在に筐体手段に固定することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のシステム。 ６、ベース部材がベース部材の外側周りに与圧調節され
   た空気流を導入するための給気口を含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項に記載のシステム。 ７、オーバヘッドＸ軸集合体を垂直構造部材によつて支
   持し、Ｙ軸集合体をＸ軸集合体から延びるようにし、垂
   直Ｚ軸集合体をＹ軸によって支持してＸ、Ｙ及びＺ軸集
   合体をガントリ方式で支持したロボット・システムと組
   合わせて、視覚システムをＺ軸と連動させたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載のシステム。 ８、凸面ミラー手段が湾曲面をアルミニウムで被覆され
   た円筒レンズであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載のシステ ム。