JPS6390706A - 物体の形状測定器 - 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】 （産業上の利用分野） 工場等の工程の自動化にともない物体形状の自動認識が
必要になっている。例えば、流れ作業中につぎつぎと送
られてくる部品の形状を自動測定して、特定の部品を摘
出する等のことはしばしば必要になる。本発明は、この
ような物体の形状を短時間で自動測定して、その形を求
める形状測定器に関するものであシ、工場における工程
中の部品の自動測定、ロボットの視覚センサ尋に有効に
使用できるものである。

（従来の技術） 物体の形状を求めるために従来から各種の方法が提案さ
れている。その主なものにつき説明する。

（イ）テレビカメラを用いる方法 ２〜３個のテレビカメラを用いて物体を撮像すると、各
カメラの映像面に生ずる物体の像は物体を見る方向、距
離により異るので・その差をコンビエータ処理して物体
の形状を求める方法である。この方法では、コンビエー
タ処理時間がかなシ長く、測定精度が低く、さらに物体
の照明の具合によって測定精度が影響をうける欠点があ
る。

（ロ）　レーザビームを用いる三角測量洗物体表面にレ
ーザビームを投射し、物体表面に生ずる光のスポットを
受光素子でとらえ、受光素子上のスポットの像の位置か
らスポットの方向を求め、これとレーザビームの方向か
ら三角測量法の原理により、光のスポットの位置を求め
、このような多くの測定値から物体の形を求める方法で
ある。この方法は溶接用ロボットの視覚センナに用いら
れており。

物体のｌ断面の形を求めるには都合がよいが、物体全体
の形を求めるには測定時間が長くかかるという欠点があ
る。

（ハ）板状光とテレビカメラを用いる方法投光器からの
板状光（スリット光）を物体に投射した時生ずる光の明
るい線を、斜め方向よう見ると、明るい線が物体表面の
凹凸に応じて曲る。この光の明るい線をテレビカメラで
とらえて、物体表面の形を知る方法である。この方法は
溶接ロボットの視覚センナとして用いられているが、測
定精度が低く、かつ物体全体の形の測定には適しない。

（発明が解決しようとする問題点） 上述のように、物体の形状を求める方法として各種の方
法が提案されているが、物体の形状を求めるためのコン
ビエータによる処理時間が長くなる。あるいは測定精度
が低いなどの欠点をもち、実用に供するには至っていな
い。

（問題点を解決するための手段） 本発明は投光器から放射される板状レーザ光で被測定物
体表面を掃引した場合生ずる光の明るい線の移動を受光
器に設けられた複数列の受光素子アレーでとらえて、変
形三角測量法の原理により、物体表面の点の位置を求め
るもので、この場合ｌ掃引で複数系列の多数の測定点が
得られるようＫすることによつて物体の表面の形を比較
的短時間で求めるものである。

（測定原理） 第１図は本発明の測定器の構成概要を示す図である１図
においてＬは投光器、几は受光器、Ｊは被測定物である
。投光器りと受光器几は測定器の測定ヘッドＢに取付け
られており、該測定ヘッドＢに固定の座標系ｘｙｚを図
示のようにとる。

投光器りはレーザダイオードと円筒レンズよりなる信号
光源（レーザ光源ＬＤ　）と回転鏡Ｍよりなシ、レーザ
光源ＬＤより放射された信号光（板状光ｔを形成する）
は往復回転振動をする回転鏡Ｍにより反射され、被測定
物Ｊに投射され、光の明るい線（輝線Ｑ、Ｑ’）が物体
Ｊ上を掃引する。

輝線と掃引方向とは垂直にしである。ここで回転鏡の中
心を０１、回転軸をｏＬＯ′１とする。レーザ光を用い
るのが都合がよいが通常の光でも差支えない、また、レ
ーザ光は後述するように雑音光による妨害除去の立場か
ら高周波変調されておシ、受光器で受光後復調して、雑
音成分を除去することが望ましい。

受光器几は受光レンズにと、第２図に示すような複数列
の受光素子アレー（８ｏ８．・・・８ｎ−１）がらなっ
ておシ、物体Ｊの表面の輝線ＱＱ’の映像ｑｑ’をとら
えて、ｑｑ’対応の受光素子から電気出力を生ずる１、
ここで受光レンズの中心をＯＲとする。

輝線ＱＱ’が第１図の物体Ｊ上を上から下へ掃引すると
、受光素子アレーに相当するｎ列の測定値が得られる。

受光素子アレー間隔が大きいと、物体Ｊ上での測定間隔
δが粗になるので、さらに細かく測定する必要のある場
合は、ヘッドＢ全体をｙ軸のまわυに微小回転して細か
く測定する。さらにまた、測定される幅（ｎ−／）δが
不足する場合も、ヘッドＢ全体をｙ軸のまわシに回転し
て対応する。

本発明の測定で用いる変形三角測量を第３図を用いて説
明する。図において０１を回転鏡Ｍの中心、ＯＲを受光
レンズ４ｏ中心、０：ｏ、＝ｄ、板状光ｔが物体Ｊ上に
つくる輝線をＱＱ’とする。板状光ｔとｙ軸とのなす角
θヵが変化して、輝線ＱＱ’がｙ軸に沿う方向に移動し
、物体Ｊの表面を掃引するとする。受光レンズＡにより
、輝線ＱＱ’の映像が受光素子アレー列上に結ばれｑｑ
’となる。

図のように剪とＡ′λとが対応するものとする。

測定ヘッドＢの中心面を３点０．Ａ、Ｏ，を通る平面と
し、この面はＺ軸を含むものとし、ＡＯは友・より面０
．ＡｏＯＲに下した垂線の足とする。Ａｉの座標をＸ、
イ　ｙ、Ａ、　ｚ、２とする。受光素子アレニＳｃはヘ
ッドの中心面上にあシ、ｓ、　Ｓ、・・・Ｓｃ・・・Ｓ
Ｊ’・・・Ｓｎはｙ軸に平行で、面ｘｙに平行な面上に
ｓｂ、はぼ物体表面の結像面に一致する。測定距離０Ｒ
Ｏ０が定められているので、０ＲＣＩｏは測定器の構造
定数である。ｙ軸とＯＲ人。とのなす角をθＲＱとする
。

このようにすれば、Ａｉの座標は下式で表わされる。

θカは回転鏡Ｍの回転角で測定上は既知でアシ、０′Ａ
、λ′よ・は人う・　点の受光素子の電気出力を検出し
テ求Ｊ６　ラレル−０Ｒ０’ｏ　ｔ　　Ｏｏ　ＯＳ・は
測定器の構造定数である。したがって、Ａ′４点の受光
素子の受光素子の電気出力を検出すれば上式からＡｉの
位置が求められる。また、測定器のヘッド全体をｙ軸の
まわシに回転して測定を行ワた場合は、座標変換により
容易に原産標値に換算できる。

第１図に示したように本発明では、板状光ｔが物体上に
生ずる輝線ＱＱ’によって物体表面を掃引し、複数列（
ｎ列）の受光素子アレーを用い、変形三角測量法によっ
て物体上の点を測定するので、測定時間が短縮され、か
つ通常の三角測量による場合と同等の高精度の測定が可
能である。

（実施例／） 第μ図は本発明測定器の／実施例のブロック図を示す。

図においてＭＰＯは高周波パルス発振器で、その出力は
駆動器ＬＤ几を通じてレーザダイオードＬＤに加えられ
る。さらに前記高周波パルス発振器ＭＰＯの出力はクロ
ックカウンタＯＬＯに加えられ、該ＯＬＯは本測定器の
各部電気回路に必要な周波数の信号を発生し送出する。

例えば１切換スイツチ８Ｗｏｌ　　ＳＷ、Ｉ・・・、Ｓ
Ｗ、ヘスイツチング信号を供給し、回転ｆｉ　Ｍの回転
駆動回路ＭＤへ周期の基礎になる信号を提供する等を行
う。さて、レーザダイオードＬＤの出力は回転ｆｉＭで
その方向が変化させられ、板状光ｔが物体Ｊの表面を掃
引し、輝線ＱＱ′が物体表面を移動する。レーザダイオ
ードＬＤの出力はＬＤに設けられた円筒レンズにより板
状光となシ、物体表面に投射して輝線を生ずる。

物体表面の輝線ＱＱ’は受光レンズＡを通じて・受光素
子アレー列８６　＊　８１　＋　Ｓ＠　＋　８ｍ　＋　
８４上に映像を結び、それに対応位置の受光素子が電気
出力を生ずる０図はｎ　＝　ｊの場合であるが、ｎが他
値の場合も同様である。各受光素子アレーの各出力端子
は切換スイッチ、例えば高速電子スイッチＳ　Ｗ、＝（
以下λ＝０．／、２．３．　　≠）により切換えられて
、直列信号として増巾話人ｉ　、フィルタＰハおよび検
波器ＤＴλを通じてコンピュータＯＯＭＰに送られる。

検波器ＤＴ、ｊに信号出力が生ずるのは輝線ＱＱ’の映
像が、信号出力対応の受光素子上を通る時のみであり、
ＤＴｊの発生する時刻とスイッチングの時刻と受光素子
の位置とが対応関係にある。

受光素子アレーの間隔は物体上の測定される光切断面の
密度に対応するので、所要測定密度からきめられる。受
光素子アレー間隔を細かくとシ、例えば、第１図に示す
ように物体表面の帯領域八、２．　ｊ、　４ｔ、　Ｊ−
、Ａに対応して、測定ヘッドＢをｙ軸のまわりに順次回
転して測定することもできるが、受光素子アレーの間隔
を十分細かく配置できない場合は測定ヘッドＢの微小回
転を用いて、中間部分を補充して測定することも可能で
ある。

さらＫまた、必要に応じて微小回転と帯領域的回転を組
合せて測定することも可能である。

また、受光素子アレー中に配列された受光素子数が大き
くなると、７個の切換スイッチ８Ｗ、＜だけでは、Ｓｉ
　　中の全てを切換えていくに充分でないので、Ｓ４　
　の受光素子を分割して８４１　ｔ　Ｓｔ＠　＋・・・
８ｊｍ　　とし、各Ｓよ・ｊにｌ系列の検出回路を対応
させて測定するようにする。また、測定ヘッドＢ。

ｙ軸のまわりの回転はコンビニータｏＯＭＰカラノ信号
により、ヘッド回転駆動器ＨＤにより行なわれる。

コンピュータＯＯＭＰは回転鏡Ｍの回転角、すなわちθ
、。およびｎ７　（λ＝０−１１＞　の出力を受は入れ
式（１）の計算を行なって物体の形を求める。

上記の場合は輝線／掃引に対して！列の測定値が得られ
るので、測定時間が１１５に短縮される。

測定に用いるレーザ光（信号光）は高周波パルス発振器
の出力で変調されておシ、受光器で復調検出されるので
、外部雑音光の妨害が殆んどない。

受光素子アレーとしては、受光ダイオードを多数並べた
ものを使用するが、素子数が多くなシ、素子のまわシの
電気配線が困難になる場合は集積回路化して周辺回路と
ともに７個の集積回路とするか、あるいは、多数の光フ
テイバのｌ端を所定間隔に並べて受光端とし他端に受光
ダイオード素子を・設は光電変換等のことを行なうこと
は言うまでもない。

（実施例コ） 第を図は本発明をアーク溶接等に用いるロボットの視覚
センサに適用した場合の実施例を示す。

図における記号は前述した各図で用いたものと同じ、も
のを示す。投光器りから板状光ｔを物体Ｊ上に投射し、
輝線ＱＱ’を生ずる。ＱＱ’はθカの変化にともなって
物体Ｊの表面上を掃引する。ＱＱ’は受光器Ｒのレンズ
ｂにより、受光素子アレー列上に映像を結び、映像に対
応する位置にある受光素子から電気出力が得られるので
、受光素子アレー８６　＋　８１　＋　８２　に対応す
る輝線上の点Ａ６　＋　ＡＩ　＋　Ａｔが測定される。

θＬＯの変化にともなって、図の点線α８．α２．α、
が測定される。したがうて溶接線ＷｏＷ、　Ｗ、　　を
容易に求めることができる。点部。

Ｗｌ　ｒ　Ｗｌの位置はＸ、）’ｌ　　Ｚ座標で与えら
れる。

図の場合は図示せざる溶接トーチはＷ、　−＋　Ｗ、→
鶴の方向に誘導される。物体Ｊの表面に関する測定値は
全て、測定ヘッドＢＫ固定のχ、ｙ、ｚ座標系で与えら
れ、測定ヘッドと溶接トーチとの関係位置は既知である
から、溶接トーチの溶接線に対する位置および姿勢が完
全に求められ、溶接作業を容易確実にすることができる
。

本実施例は受光素子アレーの列数ｎ　＝　３の場合であ
るが、ｎの数による制御上の得失を見ると次のとおシで
ある。

（７）　ｎ　＝　／の場合は信号光の／掃引にょシ溶接
線上の７点のみが求められるので、信号光で繰返し掃引
して測定することにより、溶接線と測定ヘッドとの距離
が求められる。

０）ｎ＝２の場合は信号光の／掃引にょυ溶接線上の一
点が求められるので、溶接線と測定ヘッドとの関係位置
と姿勢がおおよそ求められる。

＠　ｎ〉３の場合は、溶接線上の３点以上が求められる
ので、溶接線と測定ヘッドとの関係位置と姿勢がほぼ完
全に求められ、かつ溶接線の曲線としての形が求められ
るので、溶接トーチの進行を浴接線に沿うて精度よく制
御することができる。ｎの数が大きい程、溶接線の曲線
近似精度がよくなる。

ここで、特筆すべきことは、ｎを２以上にすることによ
り・ｎ　＝　／の場合に比して、ロボット制御が格段に
やシ易くなシ、制御精度がよくなるととである。

さらにまた、第！図の受光素子アレー８（１＋　８１　
Ｈ８，を機械的に分離して構成し、その間隔を外部から
調整して変えられるようにしておけば、ｓｏ。

Ｓｔ＊ＳＨに対応する被測定物Ｊ上の線ｃ４　、　ａ、
　。

α雪　の間隔を変えることができる。したがって、溶接
線の曲率に応じて溶接線上の点Ｗｏｌ　Ｗ、　。

Ｗｔの間隔を変えて測定することができる。

この場合、受光素子アレー８６．８（＊　８重の間隔の
調整は、外から手動で行なうようにすることも可能であ
るが、自動調整機構を設けて行なうこともできる。自動
調整機構を設けて行なう場合は、既に測定された溶接線
の形を参照してフィードバックをかけて行なうことも可
能である。上記においてはｎ＝ｊを例にとって述べたが
、ｎが２，４Ｌ等の値をとる場合も全く同様である。

（発明の効果） 以上に説明したように、本発明では、投光器は板状の信
号光を放射し、かつ該信号光の方向を揺動させて被測定
物の表面を掃引し、受光器は複数列の受光素子アレー上
に、前記被測定物体表面上の輝線の映像を結像させ、信
号光対応の電気出力を生じた受光素子の位置および前記
信号光の方向からコンピュータ処理により物体の表面の
形を、座標値で求めることができ、かつ、測定所要時間
も短時間となる。また現在、広く検討されているテレビ
カメラと画像処理を用いる方法ではなだらかな曲線の形
を正確に求めることは困難であるが、本発明の測定器に
よると、曲面の形を容易に求めることができる。

また、テレビカメラと画像処理による方法は、被測定物
体の照明に制約がアシ、かつ雑音光の存在下では測定が
困難であるが、本発明の場合は、雑音光の影響を除去す
ることが可能であシ、外部照明には無関係である。

さらにまた、本発明を適用したロボット視覚センサは溶
接用ロボットの制御ではロボットの誘導制御に大きい効
果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定器の講成概要図、第２図は受光器
の受光素子アレーの配列図、第３図は本発明の測定原理
を説明するための図、第μ図及び第ｊ図は本発明の各実
施例図で、第μ図は物体の表面の形を測定する測定器の
構成例、第３図は本発明を適用した溶接用ロボットの視
覚センサの測定ヘッドを示す。 Ｌは投光器、几は受光器、Ｍは回転鏡、ＯＲはその中心
、θ１゜は信号光の面とｙ軸とのなす角、ｊは集光レン
ズ・凱はその中心、Ｓｏ、Ｓλ、８ｎ。 （イ＝０．／、！＋・・・ｎ）は受光素子アレー、Ｊは
被測定物、ＱＱ’は信号光が物体表面に生ずる輝線、人
、・は輝線の点で、人−・は受光素子アレー面における
Ａえの映像、ＸＩ　　：／ｌ　　Ｚ　　は測定器ヘッド
Ｂに固定の座標軸、ＬＤは信号光の光源、ＭＰＯは高周
波パルス発振器、ＬＤ几はレーダダイオード、駆動回路
、ＯＬＯはクロックカウンタ、ＭＤ　は回転鏡の回転駆
動回路、５Ｗ０１　ＳＷ、　Ｉ・・・謂番　　は切換ス
イッチ、Ａｏ＋　Ａ４　”’　Ａ４は増巾器、ＦＯ＋Ｆ
ｌ＋・・・Ｆ、はフィルタ、ＤＴ６　Ｔ　ＤＴＩ　＋・
・・ｌ　ＤＴ、は検波器、ＯＯＭＰはコンピュータ、）
（Ｄはヘッド回転駆動器、ｗｗ’は溶接線、Ｗｏｌ　Ｗ
、　ｌ〜Ｖｔ　　は溶接線上の測定点、α。、α１．α
２は物体Ｊ上における、受光素子アレ一対応線。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一定距離をへだてて設定された投光器と受光器を
   具え、該投光器は板状の信号光を射出し、かつ信号光の
   方向を揺動させて被測定物の表面を輝線で掃引する手段
   を具え、上記受光器は集光レンズにより、複数列の受光
   素子アレー上に、上記被測定物体表面上の輝線の映像を
   結像させ、該結像位置にある受光素子の電気端子に上記
   信号光成分を含む電気出力を得、各受光素子アレーの受
   光素子の端子を前記信号光の揺動速度より高速で、順次
   切換えて出力するスイッチ回路および該スイッチ回路の
   出力より信号光成分を検出する回路を具え、上記揺動信
   号光の方向を示す信号を発生する手段と、上記信号光成
   分を検出した受光素子の受光素子アレー中における位置
   を知る手段とを具え、上記揺動信号光の方向と、信号光
   を受光した受光素子の受光素子アレー中の位置とから、
   輝線上における点の位置を求める演算手段とを具えたこ
   とを特徴とする物体の形状測定器。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項において、投光器の射
   出する板状の信号光を高周波パルス変調し、受光器の受
   光素子の出力側回路で復調して変調波を検出することに
   より信号光成分を検出するようにしたことを特徴とする
   物体の形状測定器。