KR900006577B1

KR900006577B1 - 형상 측정기

Info

Publication number: KR900006577B1
Application number: KR1019870010688A
Authority: KR
Inventors: 기이찌 이또오; 고오사꾸 무까이; 유우이찌 시미즈; 사이쥬우 스즈끼
Original assignee: 엔티티 기쥬쯔이덴 가부시끼가이샤; 기이찌 이또오
Priority date: 1986-10-03
Filing date: 1987-09-26
Publication date: 1990-09-13
Also published as: EP0262646A3; KR880005441A; US4790660A; EP0262646A2

Abstract

내용 없음.

Description

형상 측정기

제 1 도는 이 발명의 물체표면형상을 측정하는 측정기의 구성개요를 도시하는 도.

제 2 도는 수광기의 수광소자어레이의 배열예를 표시하는 도.

제 3 도는 이 발명의 측정원리를 설명하기 위한 도.

제 4 도는 이 발명의 실시예를 도시하는 블록도.

제 5 도는 이 발명을 용접용 로보트의 시각센서의 측정헤드에 적용한 예를 도시하는 도.

제 6 도는 이 발명을 물체표면형상 및 간격을 선상신호광을 사용하여 측정하는 측정기의 원리를 표시하는 도.

제 7 도 a는 1열의 수광소자어레이를 도시하는 도.

제 7 도 b는 하나의 선상수광소자를 도시하는 도.

제 7 도 c는 1쌍의 복합 포토센싱장치를 도시하는 도.

제 8 도는 빔 스플릿터 부착 포트센싱장치를 도시하는 도.

제 9 도 a는 멀티 수광소자어레이를 도시하는 도.

제 9 도 b는 멀티선상 수광소자를 도시하는 도.

제 9 도 c는 멀티 복합포트센싱장치를 도시하는 도.

제10도는 빔 스플릿터 부착 멀티형 포트센싱장치를 도시하는 도.

제11도는 이 발명의 물체표면형상 및 간격을 측정하는 측정기의 실시예를 도시하는 블록도.

제12도는 고속전자스위치 및 신호검출회로를 도시하는 도.

제13도 a는 선상수광소자와 신호검출회로를 도시하는 도.

제13도 b는 분할선상 수광소자와 신호검출회로를 도시하는 도.

공장등의 공정의 자동화에 따라 물체형상의 자동인식이 필요하게 되었다. 예를들어, 호름작업중에 잇달아 보내어오는 부품의 형상을 자동측정하여, 특정의 부품을 적출(摘出)하는 등의 일은 종종 필요하게 돤다.

본 발명은, 이와같은 물체의 형상을 단시간에 자동측정하여, 그 형체를 구하는 형상측정기에 관한 것이며, 공장에 있어서 공정중의 부품의 자동측정 로보트의 시간센서 등에 요효하게 사용할 수 있다.

물체의 형상을 구하기 위해 종래부터 각종의 방법이 제안되고 있다. 그 주된것에 대해 설명한다.

(1) TV 카메라를 사용하는 방법.

2 내지 3개의 TV 카메라를 사용하여 물체를 촬영하면, 각 카메라의 영상면에 생기는 물체의 상은 물체를 보는 방향, 거리에 의해 다름으로, 그 차이를 콤퓨터처리하여 물체의 형상을 구하는 방법이다. 이 방법으로는, 콤퓨터 처리시간이 상당히 길고 측정정도가 낮고, 더욱 물체의 조명의 상태에 따라 측정정도가 영향을 받는 결점이 있다.

(2) 레이저빔을 사용하는 삼각측량법

이것은 미국특허 제4,567,347호(1986년 1월 28일 발행)로 제안되어 있고, 물체표면에 레이저빔을 투사하여, 물체표면에 생기는 빛의 스폿을 포트센싱장치로 잡고, 포트센싱장치위의 스폿의 상의 위치에서 스폿에서 오는 빛의 방향을 구하고, 이것과 레이저빔의 방향에서 삼각측정법의 원리에 의해 빛의 스폿의 위치를 구하고, 이와같은 많은 측정치에서 물체의 형태를 구하는 방법이다. 이 방법은 용접용 로보트의 시각센서에 사용되고 있어 물체의 1단면의 형태를 구하는데는 편리하지만, 물체전체의 형태를 구하는데는 측정시간이 오래 걸린다는 결점이 있다.

(3) 판상광(板狀光)과 TV 카메라를 사용하는 방법

투광기(投光器)에서의 판상광(팬 빔광 또는 슬럿 광)을 물체에 투사했을때 생기는 빛의 밝은선을 비스듬한 방향에서 보면, 밝은선이 물체표면의 요철에 따라 구부러진다. 이 빛의 밝은선을 TV 카메라로 잡아서, 물체표면의 형태를 아는 방법이다. 이 방법은 용접 로보트의 시각센서로서 사용되고 있으나 측정정도가 낮고, 더욱 물체 전체의 형태의 측정에는 적합하지 않다.

상술한 바와같이, 물체의 형상을 구하는 방법으로서 각종의 방법이 제안되어 있으나, 물체의 형상을 구하기 위한 콤퓨터에 의한 처리시간이 길어진다. 혹은 측정정도가 낮았있다. 또 물체의 대략의 형태를 측정할수 있어도 좁은 간격을 측정할수는 없었다. 또 임의의 형태의 물체의 형상 및 2개의 물체의 맞대는 부분의 검출이 곤란하며, 이것들의 측정을 동시에 행할 수 있는 것은 없었다.

이 발명의 목적은 물체의 형상을 높은 정밀도로 더욱 단시간에 측정할 수가 있는 형상 측정기를 제공하는데 있다.

이 발명의 다른 목적은 물체의 형상 및 그 물체표면의 간격을 측정할수가 있는 형상측정기를 제공하는데 있다.

이 발명의 더욱 다른 목적은 물체의 형상 및 그 물체표면의 간격을 높은 정밀도로 더욱 단시간에 측정할수가 있는 형상측정기를 제공하는데 있다.

이 제일발명에 의하면 측정헤드에 투광기 및 수광기가 부착되어, 그 투광기에서 판상 신호광(板狀信號光)이 사출되고, 그 신호광은 요동되어서 피측정물체의 표면을 회선(輝線)으로 소인(掃引)하고, 상기 수광기에는 복수열의 수광소자어레이에서 이루어진 포토센싱장치가 설치되고, 그 수광소자어레이위에 광학수단에 의해 상기 피측정물체 표면상의 휘선의 영상이 결상(結像)된다.

상기 각 수광소자어레이의 수광소자의 단자는, 신호광의 요동속도보다 고속으로 스위치회로에 의해 각각순차 절환되어서 그 스위치회로의 각 출력신호에서 검파회로(檢波回路)에서 신호광 성분이 검출된다. 신호광의 투사방향을 가르키는 신호가 발생되고, 또 신호광의 검출한 수광소자의 수광소자어레이중에 있어서의 위치가 검지되고, 이들 요동 신호광의 투사방향과, 검지한 수광소자어레이중의 위치에서 상기 휘선상에 있어서의 점의 위치가 연산수단에 의해서 구하여지고 있다.

이와같이 구성되어 있기 때문에, 수광소자어레이의 수 n만 휘선상의 점의 위치가 동시에 구하여지고, 종래의 휘점을 피측정물질 표면에 얻는 삼각층량법에서 n배 속도로 물제의 형상을 측정할수가 있고, 더욱 수광소자어레이의 간격을 작게함으로 인하여 높은 측정정도를 얻을 수가 있다.

이 발명에 있어서는 물체의 형상을 측정함과 동시에 그 물체의 표면에 존재하는 간격을 측정하도록 구성할수도 있다. 이 경우에는 상술에 있어서 수광기측에 n열의 수광소자 어레이와 대응하여 n열의 선상 수광소자가 설치되고, 이 n열의 선상수광소자에 대해서도 상기 휘선의 영상이 결상된다. 그 각선상 수광소자의 출력에서 신호성분이 소멸한 것을 표시하는 결락(缺落)신호가 발생되어, 연산수단에 의해 먼저 구한 휘선상의 위치와 이 결락신호에서 피측정물체 표면의 간격의 위치가 구하여진다.

이 제 2 발명에 의하면 상기 판상신호광 대신에 선상신호광을 사용하고, 따라서 피측정물체의 표면을 휘점으로 소인하여, 수광기로는 복수열을 수광소자어레이 대신에 하나의 수광소자어레이를 사용하고, 또 복수개의 선상 수광소자 대신에 하나의 선상수광소자를 설치한다. 이들 수광소자어레이 및 선상수광소자의 출력을 사용하여 피측정 물체상의 휘점의 위치와 그 간격의 위치를 구하는 것은 제 1 발명과 같은 것이다.

이와같이 이 발명에 의하면 물체의 형상과 간격을 동시에 측정할 수가 있다. 상술한 바와같이 판상신호광과 복수열의 수광소자어레이 및 복수열의 선상수광소자를 조합함으로서, 보다 신속하게 더욱 높은 정밀도로 물체의 형상 및 간격을 측정할 수가 있다.

[실시예]

제 1 도는 본 발명의 측정기의 구성개요를 도시하는 도이다. 투광기(10)과 수광기(20)는 측정기의 측정헤드(100)에 부착되어 있고, 그 측정헤드(100)에 공정의 좌표계 XYZ를 도시하는 바와같이 취한다.

투광기(10)는 레이저다이오드와 원통렌즈로 이루어진 신호광원(레이저 광원)(11)과 회전경(12)으로 이루어지고, 레이저광원(11)에서 방사된 신호광(편상광(13)을 형성한다)은 왕복회전진동을 하는 회전경(12)에 의해 반사되어, 피측정물(30)에 투사되어, 회전경(12)의 회전에 의해 빛의 밝은선(휘선 QQ')이 물체(30)위를 소인한다. 그 휘선과 소인방향과는 수직으로 하고 있다. 여기에서 회전경(13)은 중심을 OL, 회전축을OLOL'로 인한다. 신호광으로서는 레이저광을 사용하는 것이 사정이 좋으나 통상의 광이라도 무방하다. 또 레이저광은 후술하는 바와같이 잡음광에 의한 방해제거의 입장에서 고주파변조되어 있고, 수광기(20)로 수광후복조(復調)하여 잡음 성분을 제거하는 것이 바람직하다.

수광기(20)는 수광렌즈(21)와, 제 2 도에 도시하는것 같은 복수열(즉 멀티 어레이)의 수광소자어레이(S0,S1,…Sn-1)를 갗는 포트센싱장치(22)로 이루어져 있고, 물체(30)의 표면의 휘선 QQ'의 영상 qq'을 수광소자어레이상으로 잡아서, 그 영상 qq'이 실려있는 수광소자에서 전기출력을 발생한다. 여기에서 수광렌즈(21)의 중심을 OR로 한다. 휘선 QQ'이 제 1 도의 물체(30)위를 위에서 아래로 소인하면, 수광소자어레이(S-,S1,…Sn-1)에 상당하는 n염의 측정치가 얻어진다. 수광소자어레이의 간격이 크면 물체(30)위에서의 측정간격 δ이 거칠어짐으로, 더욱 세밀하게 측정할 필요가 있을 경우에는 헤드(100)전체를 Y축 주위에 미소(微小)회전하여 세밀하게 측정한다. 또, 측정되는 폭(n-1) δ이 부족합 경우에도 헤드(100) 전체를 Y축의 주위에 회전하여 대응한다.

본 발명의 측정에서 사용하는 변형삼각측량을 제 3 도를 사용하여 설명한다. 도면에 있어서 OL을 회전경(12)의 중심 OR을 수광렌즈(21)의 중심,

=d0 판상신호광(13)이 물체(30)위에 만드는 휘선을 QQ'로한다. 판상신호광(13)과 Y축과의 이루는 각 θL이 변화하여 휘선 QQ'이 물체(30)의 표면을 소인한다고 한다. 수광렌즈(21)에 의해, 휘선 QQ'의 영상이 수광소자어레이 열상에 맺어져 qq'로 된다. 도면과 같이 휘선 QQ'상의 A1와 영상 qq'중의 A1'가 대응하는 것으로 한다. 측정헤드(100)의 중심면을 3점 OLAYZOR을 통하는 평면으로 하고, 이면은 Z축을 포함하는 것으로 하고, AYZ는 A1에서 YZ면으로 내린 수직선의 바닥으로 한다.

A1의 좌표를 XA1, YA1, ZA1로 한다. 수광소자어레이(SC)는 헤드의 중심면인 YZ면상에 있고, 각 어레이 S0,S1,…SC,…S1,…Sn는 Y축에 평행하며, 더욱 XY면에 평행한 면상에 있고, 거의 물체표면의 겉상면에 일치한다.

AYZ에서 Z축으로 내린 수직선의 바닥을 AZ로 하고, 그 수광소자어레이상의 상을 A'Z로 하면, 거리 ORA'Z는 측정기의 구조 정수이다. Y축과 ORAYZ와의 이루는 각을 θR로 한다. 이와 같이 하면, A1의 좌표는 아래식으로 표시된다.

θL은 회전경(12)의 회전각이며 측정상은 이미 알고 있는 것이며, A'ZA'XZ 및 A'XZA'1는 A1점의 상을 받아 전기출력을 내고 있는 수광소자의 속하는 어레이번호 i와, 그 어레이중의 소자번호에서 구해진다. ORA'Z는 측정기의 구조정수이다. 따라서 A1점의 수광소자의 전기출력을 검출하면 상기식에서 A1의 위치를 구할 수 있다. 또 측정기의 헤드전체를 Y축의 주위에 회전하여 측정을 행할 경우는, 좌표 변환에 의해 용이하게 원좌표치로 환산할 수 있다.

제 1 도에 도시한 바와같이 본 발명에서는, 판상신호광(13) 이 물체(30)위에 생기는 휘선(QQ')에 의해서 물체(30)표면을 소인하고, 복수열(n열)의 수광소자어레이를 사용하여, 변형삼각측량법에 의해 물체(30)위의 점을 측정함으로, 측정시간이 단축되고, 더욱 통상의 삼각측량에 의한 경우와 동등한 고정도의 측정이 가능하다.

제 4 도는 본 발명 측정기의 1실시예의 블록도를 도시한다. 도면에 있어서 고주파 펄스발진기(40)의 출력은 레이저다이오드 구동기(50)를 통해서 레이저다이오드(11)에 더하여진다. 더욱 상기 고주파 펄스발진기(40)의 출력은 클록카운터(60)에 더하여져, 그 카운터(60)는 본측정기의 각부 전기회로에 필요한 주파수의 신호를 발생하여 송출한다. 예를들어 절환스위치 SW0, SW1,…SW4로 스위칭 신호를 공급하고, 회전경(12)의 회전구동회로(70)로 회동진동의 주기의 기초가 되는 신호를 제공하는 등을 행한다. 그런데, 레이저다이오드(11)의 출력은 회전경(12)으로 그 방향이 변화되어져, 판상신호광(13)이 물체(30)의 표면을 소인하고, 휘선(QQ')이 물체(30)의 표면을 이동한다. 레이저다이오드(11)의 출력은 레이저다이오드(11)에 설치된 원통렌즈에 의해 판상광으로 되어, 물체(30)도면에 투사하여 휘선(QQ')을 낳는다.

물체(30)의 표면의 휘선(QQ')은 수광렌즈(21)를 통해서, 수광소자어레이열 S0,S1,S2,S3,S4 위에 영상을 맺고, 거기에 대응위치에 수광소자가 전기출력을 발생한다. 도면은 n=5의 경우이지만 n가 다른 값의 경우도 같다. 각 수광소자어레이의 각 출력단자는 절환스위치, 예를들어 그속전자 스위치 SW1(이하 i=0,1,2,3,4)에 의해 절환되어서, 직렬신호로서 증폭기 AMP1, 필터 FIL1, 및 검파기 DT1를 통해서 콤퓨터(110)에보내어진다. 검파기 DT1에 신호출력이 생기는 것은 휘선(QQ')의 영상이, 신호출력 대응의 수광소자 위를 지날때 뿐이며, 검파기 DT1에서 신호출력이 발생할 시각과 스위칭의 시각과 수광소자의 위치가 대응관계에 있다.

수광소자어레이 S0, S1,…S4의 간격은 물체(30)위의 측정되는 광 전달도의 간격에 대응함으로 소요측정간격에서 정하여진다. 수광소자어레이 간격을 세밀하게 잡고, 예를들어, 제 1 도에 도시하는 바와같이 물체(30)의 표면의 대(帶)영역 1,2,3,4,5,6으로 대응하여, 측정헤드(100)를 Y축 주위에 순차 회전하여 측정할수도 있으나, 수광소자어레이의 간격을 충분히 촘촘하게 배치할 수 없을 경우는 측정헤드(100)의 미소회전을 사용하여, 중간부분을 보충하여 측정하는 것도 가능하다. 또, 필요에 따라 미소회전과 대영역적회전을 조합하여 측정하는 것도 가능하다.

또 수광소자어레이중에 배열된 수광소자 수가 커지면, 1개의 절환스위치 SW1만으로는, 각 어레이 S1중의 모든 소자를 절환하여 나가는데 충분하지 않으므로, 각 어레이 S1 수광소자를 복수의 소자그룹 SI1, S12,…SIm에 분할하고, 각 Sij에 1계열의 검출회로를 대응시켜서 측정하도록 해도 좋다. 측정헤드(100)의 Y축의 주위의 회전은 콤퓨터(110)에서의 신호에 의해, 헤드회전구동기(120)에 의해 행해진다.

콤퓨터(110)는 회전경(12)의 회전각, 즉 θL 및 DT1(i=0∼4)의 출력을 받아들여 식(1)의 계산을 행하여 물체의 형태를 구한다

상기의 경우는 휘선 1소인에 대해서 5열의 측정치가 얻어지므로, 측정시간이 1/5로 단축된다. 측정에 사용되는 레이저광(신호광)은 고주파펄스발진기(40)의 출력으로 변조되어 있어, 수광기(20)를 통한 후 복조검출됨으로 의부잡음광의 방해가 거의 없다.

수광소자어레이로서는, 수광다이오드를 다수 나열한 것을 사용하지만, 소자수가 많아져, 소자주위의 전기배선이 곤란하게 될경우에는 집적회로화하여 주변회로와 같이 1개의 집적회로로 하든가, 혹은, 다수의 광화이버의 1단을 소정간격으로 나열하여 수광단으로 하고 타단에 수광다이오드소자를 설정하여 광전번변환등의 일을 행하는 것은 말할것도 없다

제 5 도는 본 발명을 아크용접 등에 사용하는 로보트의 시각센서에 적용했을 경우의 실시예를 도시한다. 도면에 있어서 기호는 상술한 각 도면에서 사용한 것과 같은 것을 표시한다. 투광기(10)에서 판상광(13)을 물체(30)위에 투사하여, 휘선(QQ')을 발생한다. 휘선(QQ')은 θL 변화에 수반하여 물체(30)의 표면상을 소인한다. 휘선(QQ')은 수광기(20)의 렌즈(21)에 의해, 수광소자어레이열(S0,S1,S2)상에 영상을 맺고, 그 영상에 대응하는 위치에 있는 수광소자에서 전기출력을 얻을 수 있으므로 수광소자어레이 S0,S1,S2에 대응하는 휘선(QQ')상의 점 A0,A1,A2가 측정된다.

θL의 변화에 수반하여, 도면의 점선 α1,α2,α3,가 측정된다. 따라서 용접선 WW'(W0,W1,W2)를 용이하게 구할 수사 있다. 점 W0,W1,W2의 위치는 X, Y, Z 좌표로 주어진다. 도면의 경우는 도시하지 않은 용접도치는 W0→W1→W2의 방향으로 유도된다. 물체(30)의 표면에 관한 측정치는 모두, 측정헤드(100)에 고정의 X, Y, Z의 좌표계로 주어져 측정헤드와 응접도치의 관계위치는 이미 알고 있으므로, 용접도치의 용접선에 대한 위치 및 자세가 완전하게 구하여져, 용접작업을 쉽고 확실하게 할수가 있다.

본 실시예는 수광소자어레이의 열수 n=3의 경우이지만, n의 수에 의한 제어상의 득실을 보면 다음과 같다.

(1) n=1의 경우는 신호광의 1소인에 의해 용접선(WW')상의 1점만이 구하여지므로 신호광으로 반복하고 소인하여 측정함으로인해, 용접선(WW')과 측정헤드와의 위치관계와 자세가 구하여진다.

(2) n=2의 경우는 신호광의 1소인에 의해 용접선(WW')상의 2점이 구하여지므로 용접선(WW')과 측정헤드와의 위치관계와 자세가 대강 구하여진다.

(3) n

3의 경우는, 용접선(WW')상의 3점 이상이 구하여짐으로, 용접선과 측정헤드와의 관계위치와 자세가 거의 완전하게 구하여져, 더욱 용접선의 곡선으로서 형태가 구하여짐으로, 용접도치의 진행을 용접선에 따라 정밀도 높이 제어할 수가 있다. n의 수가 클수록 용접선의 곡선 근사 정밀도가 좋아진다.

여기에서 특기할일은, n를 2이상으로 함으로써 n=1의 경우에 비해서 로보트 제어가 각별히 하기 쉽고, 제어 정밀도가 좋아지는 것이다.

또, 제 5 도의 수광소자어레이 S0,S1,S2를 기계적으로 분리하여 구성하고, 그 간격을 의부에서 조정하여 바꿀수 있도록 해두면, S0,S1,S2에 대응하는 피측정물(30)상의 선 α0,α1,α2의 간격을 바꿀수가 있다. 따라서, 용접선의 곡율에 따라 용접선(WW')상의 점 W0, W1,W2의 간격을 바꾸어 측정할 수가 있다.

이경우, 소광소자어레이 S0,S1,S2의 간격의 조정은 밖에서 수동으로 행하도록 하는 것도 가능하지만 자동조정기구를 실치하여 행할수도 있다. 자동 조정기구를 설치하여 행할 경우에는 이미 측정된 용접선의 형태를 참조하여 피드백을 걸어서 행하는 것도 가능하다. 상기에 있어서는 n=3을 예로서 기술했으나, n이 2,4등의 값을 취할 경우도 아주 똑같다.

이상 설명한 바와같이, 본 발명에 의하면 물체의 형상을 측정할수가 있다. 다음에 본 발명의 의해 형상과 같이 그 물체표면에 존재하는 간격의 위치를 측정할 경우에 대해 설명한다.

아시는 바와같이 일반적으로 성질로서, 빛이 물체표면에 투사되면, 빛이 맞고 있는 표면은 빛을 난반사(亂反射)하여 밝게 보이나, 물체표면에 있는 간격에서는 빛이 간격내로 흡수되어서, 난반사광이 현저하게 감소하여 어둡게 보인다. 본 발명의 형상측정기는 그 특성을 이용하는 것이며, 이하 그 원리를 설명한다.

(a) 1조의 수광소자어레이와 선상수광소자를 사용할 경우.

삼각측량법을 사용하는 본 발명의 형상측정기의 측정원리를 제 6 도에 도시한다. 측정헤드(100)는 투광기(10)와 수광기(20)로 이루어지며, 투광기(10)는 레이저다이오드(14)와 집광렌즈(15)로 이루어진 광원(11)으로부터 예리한 선상 신호광빔(16)을 발사하고, 주기적 각진동을 하는 회전경(12)에 의해, 신호광빔(16)의 방향 θL을 요동하여 물체표면(30을 휘점(A)에 의해 도면의 파선과 같이 주사한다.

수광기(20)는 수광렌즈(21)와, 그 결상면에 놓여진 포트센싱장치(22)로 이루어지며, 수광렌즈(21)의 광축, 포로센싱장치(22), 신호광빔(16)을 형상 동일 평면내에 있도록 한다. 이와같이 하면 휘점(A)에서의 난반사광은 수광렌즈(21)를 통해서 포트센싱장치(22)위에 휘점의 상(A')을 맺는다. 수광렌즈(21)의 중심을 OR로 하고, A'ORA를 통하는 선(17)을 수광기(20)의 시선으로 칭하는 것으로 한다. 회전경(12)의 중심을 OL로 하고 OLOR과 시선(17)과의 이루는 θR로 시선방향(수광방향)을 나타내는 것으로 한다. XYZ좌표를 도시한 바와같이, OR를 원점, 수광렌즈(21)의 광축을 Z축,OLOR를 Y축으로 하여, 오른쪽 좌표계를 이루도륵 X축을 잡는다. 투광기(10)와 수광기(20)와의 거리

는 일정하므로 θL, θR을 알면 휘점(A)의 좌표는

에 의해 구할 수 있다. 포토센싱장치(22)의 1예로서, 제7A도(a)의 수광소자어레이 Sd, 제7도(b)의 선상수광소자 S1 및 제7c도의 수광소자어레이 및 선상수광소자를 조합한 복합수광부 Sd1를 취하고, 이들의 수광부(22)를 사용한 형상측정기의 동작을 설명한다.

제7a도의 수광소자어레이 Sd는, 미소수광면의 수광소자 S1,S2,…Si,…Sm를 직선상에 동간격으로 배치하여 형성되어 있다. 제 6 도의 포트센싱장치(22)로서 수광소자어레이 Sd를 사용하면 그 수광소자 S1의 전기단자의 출력에 신호성분을 포함하는지 아닌지에 의해, 휘점상(A')이 맺어져 있는지 아닌지를 아는 것이 가능하며, 그 수광소자 S1의 의치, 즉 순번 i에서 사선방향 θL가 구하여진다. 이 θR 및 θL을 사용하여 휘점 A의 위치를 구할 수 있다.

신호광빔의 방향의 변화에 따라, 휘점(A)은 연속적으로 이동하지만 측정점은 수광소자 S1에 대응하여 디스플릿트에 구하여진다. 휘점(A)이 간격(G)에 만나면, 난반사광이 현저하게 감소하여 상(A')은 소멸한다. 이때, 간격(G)의 위치가 소광소자(S1)에 대응하고 있으면, S1의 전기단자에서는 신호성분을 얻을 수 없고, 간격(G)의 위치가 인접하는 2개의 수광소자의 중간에 대응하면 수광기의 전기출력에는 하등 변화가 없다. 따라서 간격측정의 신뢰도는 현저하게 낮고, 불가능으로 보아도 무방하다.

제7b도는 선상수광소자, S1는, 가는 선상의 수광면을 갓는 포트센싱장치(22)이며, 그 어딘가에 휘점상(A')이 맺어지면 그 전기단자에서 신호성분이 얻어져 휘점상(A')이 소멸하면 신호성분이 없어진다. 따라서 포토센싱장치(22)로서 선상수광소자 S1를 사용하면 휘점(A)이 간격(G)과 만난시각을 검지할 수가 있다. 그러나 그 위치를 알수는 없다.

지금, 수광기(20)로서 제 8 도에 도시하는 바와같이 수광렌즈(21)의 후방에 빔스플릿터(하프미러, 또는 편광 프리즘)(23)을 설치하여 광속(光柬)을 분할하고 그 한쪽을 수광소자어레이 S'd에, 다른한쪽을 선상수광소자 S'1에 입사시켜, 각각의 위에 휘점상(A')을 맺게한다. 이와같이 하면, 신호광빔의 방향 θL 수광소자어레이의 신호출력에서 물체(30)표면의 형태가 삼각측량법에 의해 계산되고, 더욱, 선상수광소자 S1의 전기출력에서 신호성분이 사라진것을 표시하는 결락신호를 이용하여, 그 시각에 있어서의 수광소자어레이 S'd상의 대응점의 위치가 구하여져, 그것에서 간격의 시선방향을 구하고, 간격(G)의 위치를 산출할수가 있다.

간격(G)의 폭이 비교적 넓을 경우에는, 휘점(A)을 크게해도 간격(G)의 검출이 가능하기 때문에, 포트센싱장치(22)로서 제7c도에 도시하는 바와같이, 수광소자어레이와 선상수광소자와를 미소거리 사이에 두고 평행으로 배치한 포트센싱장치 Sd1를 사용하여, 휘점(A)의 형태를 도면과 같이 약간 가늘고 길게하면, 빔스플릿터(23)를 사용하지 않아도 물체의 형태 및 간격의 측정이 가능하게 된다.

(b) 복수조의 수광소자어레이와 선상수광소자를 사용할 경우.

상기 발명을 확장하여 판상신호광을 사용하여 구성한 형성측정기를 제 3 도에 대해 설명한다. 도면에 있어서 레이저다이오드(14)와 원통렌즈(15)로 이루어진 광원(11)에서 발사원 판상신호광(13)은 회전경(12)에 의해 그 방향 θL을 주기적으로 요동하여, 물체(30)의 표면에 투사되어, 밝은선(휘선(QQ')으로 물체(30)표면을 주사(走査)한다. 판상신호광(13)은 X축에 평행한 축(OLO'L)을 동일면내에 포함하고, 그것을 축으로하여 각 진동을 한다. 수광기의 곁상면에 포토센싱장치(22)로서 멀티어레이형의 프토센싱장치 SM을 설치하면, SM위에 휘선(QQ')의 상 qq'이 곁상되어, 상 qq'는 휘선(QQ')의 이동에 따라 멀티어레이 포토센싱장치 SM위를 주사한다. 멀티어레이 포트센싱장치 SM로서 제 2 도와 같은 제9a도에 도시하는 멀티 수광소자어레이 SMd, 즉 곁상면상에 복수열의 수광소자어레이를 등간격, 평행으로 배치한 것을 Y축에 평행하게 설치하면, 각 수광소자어레이 Si와 수광렌즈(21)의 중심을 통하면 면내에는 다수의 시선이 포함된다. 이면은 시선면 PV1라고 칭하는 것으로 한다. 이와같이 하면, 판상신호광이 요동하면, 수광기(20)는 복수캐의 시선면과 물체표면과의 교선(交線)에 따라 측정을 행하여 가는 것이 된다. 휘선(QQ')위의 점(A')이, 수광소자어레이의 소자(S1)위에 상(A'1)을 맺고 있는 것으로 하면, 점(A1)의 좌표는 상기(1)식에 의해 산출된다.

(1)식에 있어서, ORA'Z는 상술한 바와같이, 수광기의 구성으로 정하여지는 구조 정수이다. A'ZA'XZ 및 A'XZA'1는 신호성분을 출력한 수광소자(S1)의 순번위치를 검출하여 구할 수 있다. 따라서, 판상신호광의 방향θL, 투광기의 수광기의 거리 d0, 수광기의 구조정수 ORA'Z와 신호성분을 출력한 수광소자의 순번위치 A'Z사용하여 휘선(QQ')위의 점(A1)의 좌표가 구하여진다.

다음에 제 3 도에 있어서 상술의 멀티 수광소자어레이 SMd의 대신에 제9b도의 멀티선상수광소자 SM1을 사용할 경우를 설명한다. 수광기(20)의 곁상면에서 복수개(0,1,2,…j,…n)의 선상수광소자, 휘선상(qq') 및 물체(30)표면의 상이 있고, 물체표면에 간격(G)이 있으면 그상(g)이 멀티선상수광소자 SM1상에 있다. 휘선(QQ')이 주사하면 휘선상(qq')이 곁상면에 주사하여, 휘선상(qq')이 선상수광소자 Sij와 간격상(g)의 교점을 통할때, 선상수광소자 Sij의 신호출력이 사라짐으로, 이것을 이용하여 결탁신호를 발생시켜, 타이밍신호로서 사용할 수가 있다.

수광기(30)로서 제10도에 바와같이 수광렌즈(21), 빔스플릿터(23) 멀티수광소자어레이 SMd, 멀티선상수광소자 SM1을 사용하여, 수광소자간의 위치 대응을 바르게 잡아두면, 휘선(QQ')이 물체(30)표면을 1주사할때마다, 수광부의 수광소자어레이 및 선상수광소자의 대수와 동수의 측정치 계열을 얻을 수 있다. 이 경우, 물체(30)표면의 간격(G)위치의 산출법은 전의 경우와 같다.

또 제 3 도의 포트센싱장치(22)로서 제7c도에 도시하는 수광소자어레이와 선상수광수자의 쌍을 더수 설치한 제9c도에 도시하는 멀티복합포토센싱장치(22)(SMd1)를 사용하면 빔스플릿터(23)를 없애고 상기와 같은측정을 할 수 있다.

(c) 수광소자어레이·선상수광소자 쌍의 수의 효과.

수광소자어레이·선상수광소자를 1쌍 사용하는 형상측정기에서는, 신호광 빔의 일주사(一走査)에 대해, 물체의 1단면의 형태가 구하여진다. 이것에 대해서 복수쌍의 수광소자어레이·선상수광소자를 사용할 경우는, 판상신호광의 1주사에 대해 대수 n와 동수의 단면의 형태가 구하여진다.

본 발명의 형상측정기를 아크용접 로보트 혹은 접착 작업용 로보트 등의 시각센서로하여 사용하면, 수광소자어레이·선상수광소자 1조를 사용한것, 즉 n=1의 경우는 신호광이 1주사에서는 로보트의 작업점 1개밖에 얻을 수 없으므로, 작업의 진행방향을 아는 것은 곤란하다. 대수 n을 2,3,…으로 증가하면 그것에 따라 작업선의 방향, 굴곡 등을 상세하게 알 수 있다. 따라서 로보트의 고속 고정밀도의 제어가 할 수 있도록 된다. 그러나 n의 증가와 아울러, 측정헤드, 측정제어부가 크게 무겁게 된다. 실제로는 실용상의 요구를 만족시키는 범위로 n을 작게 잡아 형상측정기의 실용화를 행한다.

제 8 도 도시하는 수광기를 사용한 본 발명의 실시예를 제11도에 의해 설명한다. 도면중의 기호는 특히 말하지 않는 한, 전에 기록한 것과 같다. 도면에 있어서, 회전경 구동회로(70)는 회전경(12)의 각진동구동을 행하고, 구동전류를 회전경(12)에 보냄과 동시에 회전각 θL에 관한 신호를 콤퓨터(110)로 보낸다. 레이저다이오드 구동회로(50)는 레이저다이오드(14)에 고주파 변조원 구동전류를 공급한다. 고속전자스위치 제어회로(80)는 고속전자스위치 SW로 제어신호를 공급함과 동시에 스위칭에 관한 정보를 콤퓨터(110)로 보낸다. 신호검출회로(91)는, 수광소자어레이 Sd의 수광소자단자를 고속전자스위치 SW로 전환해서 얻어진 직열신호열을 복조(覆調), 검파(檢波)하여 신호성분을 검출하고, 그것을 콤퓨터(110)로 보낸다. 격간신호검출회로(92)는 선상수광소자 S1의 출력을 복조·검파하여 신호성분이 없을 경우에는, 그것을 표시하는 결락신호를 콤퓨터(110)로 보낸다. 타이밍신호 분배회로(120)는 측정제어부 전체가 정연하게 동작하는데 필요한 타이잉신호를 발생하여, 각부회로로 보내진다. 콤퓨터(110)는 각부회로(70,80,91,92 및 120)에서 각종신호를 받아들여서 휘점(A) 및 간격(G)의 위치좌표를 산출한다. 이 산출을 신호광의 방향 변화에 수반하여 차례차례로 행하고 물체의 단면형상을 구한다.

신호검출회로(91)의 동작을 제12도에 의해 설명한다. 신호광 빔의 각진동주기 TL는 회점상(A')의 수광소자어레이 Sd주사주기와 같고, 비교적 길다. 따라서, 고속전자 스위치 SW의 수광소자어레이 Sd 주사주기 TSW를 TSW ＜＜ TL에 있어서 신호 성분을 출력하고 있는 수광소자의 출력을 놓치는 일없이 스위치하여 후속회로로 보내도록 할수가 있다. 고속전자 스위치 SW의 출력은 증폭기 AMP, 필터 FIL, 검파기 DT를 통해서 복조되어, 신호광빔 각진동의 1주기 중에서 최대의 값을 잡아 신호출력, 즉 회점상 대응의 출력으로하고, 그 출력을 발생한 수광소자의 번호에서 시선방향 θR을 구한다.

간격신호출력 검출회로(92)를 제13a, 13b도에 도시한다. 제13a도는 하나의 선상 수광소자 S1을 사용할경우이며, 물체(30)표면에 휘점(A)이 존재하는한 선상수광소자 S1에서는 신호성분이 출력되어, 신호광빔이 물체(30)표면의 간격(G)에 입사하면 휘점(A)이 소멸하고, 그상(A')이 선상수광소자 S1상에서 사라지므로 그 출력단자에는 신호출력을 얻을 수 없다. 따라서 동도면에서 도시하는 바와같이 선상수광소자 S1의 출력을 증폭기 AMP로 중폭하여, 그 중폭출력을 필터 FIL로 신호성분을 꺼내어, 검파기 DT로 검파하여 디프(depth)검출회로 DP로 신호의 깊이빠져 들어가는데 대응하여 펄스를 내고, 이 펄스를 신호성분이 없는 것을 표시학으로 신호광빔(16)이 간격(G)에 들어갔을 때에 신호성분의 소멸을 표시하는 결락신호(VG)를 얻을수 있다.

선상수광소자 S1은 고주파 변조광에 대해서도 양호한 응답속도를 갖는 것이 필요하지만, 선상수광소자 S1가 깊어지면, 고주파에 있어서의 응답속도가 저하함으로 이런 경우에는, 제13b도에 도시하는 바와같이, 선상수광소자를 적당수로 분할하고, 더욱 인접 분할편의 단부가 서로 행방향으로 겹치도록 테이퍼로하여 구성하고, 이것들의 분할편의 출력을 각각 개별의 증폭기 AMP를 통해서 병열접속함으로써 분할 부분에 있어서의 신호출력의 소실을 없이함과 동시에, 고주파 감도의 개선을 도모한다. 또, 선상수광소자의 끝에 점상수광소자를 설치하고, 그 신호성분 출력을 검지하고, 주사의 타이빙신호로서 사용할수도 있다. 제13a도는 선상수광소자 S1의 양면에 수광소자 t,t'를 설치한 예를 도시한다.

선상수광소자 S1의 신호출력은 물체(30)의 표면의 상태에 의존하여 변한다. 예를들어 신호광빔(16)이 물체(30)의 표면에 작은 비트 등에 입사하면, 거기에서의 난반사광이 현저하게 저하한다. 신호광빔(16)의 주사를, 측정헤드를 이동하면서 몇번이고 반복 행하고 선상수광소자 S1의 신호출력의 저하를 조사하면, 물체표면흠에 의한 출력저하는 대개 랜덤으로 생기고, 2개의 물체의 맞닿은 부분의 간격에 의한 출력저하는 맞닿은 선에 따라 규칙적으로 생긴다. 측정결과를 통계적으로 처리함으로서, 간격 측정의 착오를 제거할 수가 있다.

더욱, 본 발명의 형상측정기는, 측정헤드를 로보트 혹은 공작기계에 탑재하여 사용할때가 많다. 측정헤드의 신호광밤의 파장이 비가시 영역에 있으면, 작업자가 측정헤드(100)의 정면이 측정점에 정대(正對)하고 있는지 어떤지를 확인하기 어려운 경우가 적지 않다. 그 대책으로서, 측정헤드(100)에 신호광빔 외에, 가시광의 빔을 정면방향으로 사출하는 수단을 설치하면 편리하다.

제 6 도에 있어서, 포토센싱장치(22)로서 제7c도에 도시하는 복합 포트쎈싱장치 Sd1를 사용하고, 휘점(A)의 형태를 약간 가늘고 길게하여 그 상(A')이 복합 포트쎈싱장치 Sd1의 수광소자어레이와 선상수광소자에 걸치도록 하면 빔스폴릿터 없이, 물체표면의 형태 및 간격을 도시에 측정합 수 있다.

측정기의 기본원리 및 측정기의 시스템 구성은 제11도의 실시예의 경우와 같기 때문에 생략한다. 단 이경우는 휘점(A)의 형태를 가늘고 길게하기 위해, 측정 가능한 간격폭이 제11도의 실시예의 경우보다도 커진다.

측정헤드(100)의 투광기(10)로서 제 3 도의 같은 것을 사용하고, 수광기(20)로서 제10도에 도시하는 것을 사용하면 판상신호광(13)의 물체 표면의 각 주사마다 복수개의 물체단면형상을 도시하는 선을 얻을 수 있다. 예를들어 용접 로보트 시각센서로서 사용하면, 물체상의 작업선이 일주사로 구할 수 있다.

수광기(20)의 출력측의 복조·신호검출 등의 회로는 제11도의 실시예의 경우와 같다. 또, 수광부로서 제9c도의 멀티복합 포토센싱장치를 사용하면 빔스플릿터(23)를 생략할 수가 있다.

이상 설명한 바와같이, 본 발명에서는 투광기는 판상의 신호광을 방사하고, 또한 그 신호광의 방향을 요동시켜서, 피측정물의 표면을 소인하고, 수광기는 복수열의 수광소자어레이상에 상기 피측정물체 표면상의 휘선의 영상을 결상시켜, 신호광 대응의 전기출력을 발생하는 수광소자의 위치 및 상기 신호광의 방향에서 콤퓨터 처리에 의해 물체의 표면형태를 좌표치로 구할 수가 있고 더욱 측정소요시간도 단시간으로 된다. 또현재 넓게 검트되고 있는 TV 카메라의 화상처리를 사용하는 방법으로는 매끄러운 곡선의 형태를 정확하게 구하기는 곤란하지만, 본 발명의 측정기에 의하면 곡선의 형태를 용이하게 구할 수가 있다. 또 TV 카에라의 화상처리에 의한 방법은, 피측정물체의 조명에 제약이 있어, 또한 잡음광의 존재하에서는 측정이 곤란하지만, 본 발명의 경우는 잡음광의 영향을 제거하는 것이 가능하며, 의부조명에도.무관하다.

또, 본 발명을 적용한 로보트 시각센서는 용접용 로보트의 제약으로는 로보트의 유도제어에 큰 효과를 발휘한다.

또한 본 발명의 형상측정기는, 신호광으로서 외부 잡음광의 방해을 제거하는 고주파변조를 받은 예리한광빔 흑은 엷은 판상광을 사용하여 물체표면을 주사하고, 이 신호광이 물체표면에 만드는 밝은 점(회점) 혹은 밝은 휘선의 이동을 수광기로 잡고, 이 수광기는 수광소자어레이 및 선상수광소자를 한쌍 혹은 복수쌍갖고, 이것들의 전기출력에서 물체의 표면의 형태, 맞닿은 간격의 위치, 작업선의 방향 등을 고정도로 측정할 수 있을뿐만 아니라, 외부 잡음광을 영향을 받지 않는다. 따라서, 공장 등에서 행하여지는 아크용접, 레이저용접, 이온빔용접 등의 자동화를 위한 로보트용 시각센서에 유효하게 사용할 수 있다.

Claims

측정헤드와, 그 측정헤드에 부착되어 판상신호광을 사출하고, 그 신호광을 요동시켜서 피측정물체의 표면을 휘선으로 소인하는 투광기와, 상기 측정헤드에 부착되어, 복수열의 수광소자어레이상에 상기 피측정물체 표면상의 휘선의 영상을 광학수단으로 결상시키는 수광기와, 상기 각 수광소자어레이의 수광소자의 단자를, 각각 상기 신호광의 요동속도 보다 고속으로 순차 절환하여 출력하는 스위치회로와, 그 스위치회로의 각 출력에서 신호광 성분을 검출하는 검파회로와, 상기 신호광의 투사의 방향을 표시하는 신호를 발생하는 수단과, 상기 신호광을 검출하는 수광소자의 수광소자어레이중에 있어서의 각 위치를 아는 소자 검지수단과, 그 검지한 각 수광소자어레이중의 위치와, 상기 요동 신호광의 투사방향에서 상기 휘선상에 있어서의 복수점의 위치를 구하는 연산수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제 1 항에 있어서, 상기 광학수단은 수광렌즈이며, 상기 판상신호광의 요동축을 상기 수광렌즈의 중심면과 평행면 또는 상기 수광렌즈의 궁심 OR과 요동의 중심 OL을 잇는 선과 직각내에 있고, 상기 복수의 수광소자어레이는 상기 수광렌즈의 평행한면내에 있고, 각 상기 수광소자어레이의 소자의 배열방향은 상기 결선과 평행으로 되어있는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제 2 항에 있어서, 상기 수망렌즈의 중심 OR을 원점으로 하고. 상기 맷는 선을 Y축, 상기 판상신호광의 요동축과 평행하는 상기 원점 OR을 통하는 선을 X축, 이것을 X축, Y축과 직교한 축을 Z축으로 하고, 상기 원점 OR및 상기 요동 중심간의 거리를 dO, 상기 Y축과 상기 판상 신호광과의 이루는 각도를 θL, 휘선(QQ')상의 점을 A1, 점 A1 보다 XZ면에 내린 수직의 다리를 AXZ, 점 A1, AXZ의 각 수광소자어레이상의 영상을 A'1, A'XZ 수광소자어레이와 Z축과의 교점을 A'Z로 하면 A1의 좌표 XA1, YA1, ZA1는

에 따라서 상기 연산수단에 의해 연산되어 구하여지는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제 1 항에 있어서, 상기 투광기는 상기 사출하는 판상신호광에 대해, 고주파펄스변조를 행하는 수단을 함유하고, 상기 스위치회로의 각 출력에서 상기 고주파펄스변조를 복조하여 상기 신호광 성분으로서 상기검파회로로 공급하는 복조수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 측정기
제 1 항에 있어서, 상기 수광기에는 상기 수광소자어레이의 수와 같운 복수의 선상수광소자가 실치되어, 그 선상수광소자상에 상기 광학수단에 의해 상기 휘선의 영상이 결상되어, 그 선상수광소자의 출력에서 신호성분이 소멸한 것을 나타내는 결락신호가 발생되어, 상기 연산수단은 상기 구한위치와 상기 결락신호와를 사용하여 피측정물체 표면의 간격의 위치를 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제 5 항에 있어서, 상기 판상신호광이 상기 피측정 물체표면에서 반사되고, 상기 수광기에 입사되어,그 입사광은 상기 광학수단으로 2분되어, 그 한편에 의해 수광소자어레이상에 다른 한편에 의해 상기 선상수광소자상에 각각 휘선의 영상이 결상되는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제 5 항에 있어서, 상기 수광소자어레이와 상기 선상수광소자가 평행 근접 배치되어 복수쌍의 복합 포트센싱장치로 되어있는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제 5 항에 있어서, 상기 투광기는 상기 사출하는 판상신호광에 대해 고주파 펄스변조를 행하는 수단을 포함하고, 상기 스위치 회로의 각 출력에서 상기 고주파 펄스변조를 복조하여 상기 신호광성분으로서 상기 검파회로로 공급하는 복조수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제 5 항에 있어서, 상기 선상수광소자는 그 장수(長手)방향에 있어서, 복수로 분할된 것이 병열 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
측정헤드와, 그 측정헤드에 부착되어, 신호광을 사출하고, 그 신호광을 요동시켜서 피측정 물제표면을 휘점으로 소인하는 투광기와, 상기 측정헤드에 부착되어, 수광소자어레이와 선상수광소자상에 상기 휘점의 영상을 광학수단에 의해 결상시키는 수광기와, 상기 신호광을 검출하는 수광소자의 수광소자어레이중에 있어서 위치를 아는 수단과, 상기 선상 광학신호소자의 출력에서 신호성분이 소멸한 것을 표시하는 결락신호를 발생하는 수단과, 상기 신호광의 투사방향을 표시하는 신호를 발생하는 수단과, 그 신호광의 투사방향을 표시하는 신호와, 상기 수광소자의 위치에서, 상기 피측정물 표면의 휘점의 위치계산하여, 이것과 상키결락신호를 사용하여 상기 피측정뭍 표면의 간격의 위치를 계산하는 연산수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제10항에 있어서, 상기 신호광의 피측정 물체표면에서 반사되어 상기 수광기에 임사되고, 그 입사광은 상기 광학수단으로 2분되어, 그 한쪽에 의해 상기 수광소자어레이 위에 다른 한쪽에 의해 상기 선상수광소자 위에 각각 상기 휘점의 영상이 결상되는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제10항에 있어서, 상기 수광소자어레이와 상기 선상수광소자가 평형 근접하여 배치되어서 복합 포토센싱장치로 되어있는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제10항에 있어서, 상기 투광기는 상기 사출하는 선상신호광에 대해 고주파 펄스변조를 행하는 수단을 포함하고, 상기 수광소자어레이 및 상기 선상수광소자로부터의 각 출력에서 고주파 펄스변조를 복조하여 상기 신호성분을 각각 검출하는 복조수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.
제10항에 있어서, 상기 선상수광소자는 그 장수방향에 있어서 복수로 분할된 것이 병열접속 되어있는 것을 특징으로 하는 형상 측정기.