WO1992020993A1 - Method of detecting position in a laser sensor and device therefor - Google Patents

Method of detecting position in a laser sensor and device therefor Download PDF

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WO1992020993A1
WO1992020993A1 PCT/JP1992/000630 JP9200630W WO9220993A1 WO 1992020993 A1 WO1992020993 A1 WO 1992020993A1 JP 9200630 W JP9200630 W JP 9200630W WO 9220993 A1 WO9220993 A1 WO 9220993A1
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WO
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light receiving
light
value
scanning angle
output
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Application number
PCT/JP1992/000630
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nobutoshi Torii
Ryo Nihei
Yasuo Naito
Hiroshi Wakio
Takashi Iwamoto
Original Assignee
Fanuc Ltd
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Publication date
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Priority to EP92909796A priority patent/EP0539598B1/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques

Definitions

  • the present invention relates to a laser sensor attached to a robot that performs arc welding, sealing, and the like, and relates to a method and an apparatus for detecting the position of welding, sealing, and the like using the sensor.
  • Laser sensors are used in arc welding robots, sealing robots, and the like to detect welding positions and sealing positions.
  • This laser sensor has a structure as shown in FIG.
  • reference numeral 10 denotes a detection unit, which includes a laser oscillator 11, an oscillating mirror (galvanometer) 12 for scanning a laser beam, an optical system 13 for capturing reflected light and forming an image on a light receiving element 14, and a control unit 20.
  • the laser driving unit 21 drives the laser oscillator 11 to generate a laser beam
  • the mirror scanning unit 22 drives the oscillating mirror 12
  • the signal detecting unit 23 detects the position from the position received by the light receiving element 14. Have been.
  • the laser drive unit 21 drives the laser oscillator 11 to generate a laser beam, and also drives the mirror scanning unit 22 to swing the oscillating mirror 12 so that the laser beam generated from the laser oscillator 11 is applied to the object 30.
  • the laser beam diffusely reflected on the object 30 forms an image on the light receiving element 14 by the optical system 13 according to the reflection position on the object.
  • a PSD Position Sensitive Dector
  • CCD Charge Couled Device
  • the light hitting the light receiving surface (image of the reflected light) is converted into a photocurrent, flows from the electrodes on both sides of the element to the outside, and flows to these two electrodes.
  • the position Xa where the light hits the light receiving surface is derived from the current value. That is, assuming that the distance from the center of the light-receiving element to each electrode is L, the position where the incident light hits is the distance Xa from the center and the incident light hits the position Xa, and the current flowing through each electrode is as shown in the figure. Where I i and I 2, the distance X a can be obtained by the following first equation.
  • the light (image of the reflected light) hitting the light receiving surface is converted into photoelectrons and stored in the cell.
  • the charge stored in the cell is output to the outside in order from the first end in a predetermined cycle.
  • the cell that receives more light has more charge stored, and therefore the cell position with the largest output
  • the position where the reflected light hits can be determined. Based on this position, the position of the object 30 is calculated from the sensor. Fig.
  • 3 is an explanatory diagram for obtaining the coordinate position (X, Y) of the object 30 from the sensor based on the position xa detected by the light receiving element 14, which connects the center of the optical system and the center point of the light receiving element 14 Assuming that the sensor origin (0, 0) is on the line, this line is the Y axis, and the glaze perpendicular to the Y axis is the X glaze.
  • the distance from the origin to the center of the optical system is L1, and light is received from the center of the optical system.
  • L2 is the distance from the element 14 to the center point
  • D is the distance from the sensor origin to the center of the moving mirror 12 in the X-glaze direction
  • D is the distance from the sensor origin to the center of the oscillating mirror.
  • the distance between the Y-sleeve of the mirror 12 and the angle of the reflected light of the laser beam from the mirror 12 with respect to the Y-glaze direction is 0.
  • the coordinate position (X, Y) at which the laser beam hits and reflects on the object can be obtained by performing the calculations of the following equations (2) and (3).
  • the detection resolution is very high because the PSD is a non-divided and integrating element. Since all light is converted to photocurrent, there is no problem if the light hitting the light receiving surface is the desired beam (reflected light). However, light other than reflected light, such as arc light when used for arc welding, is used. Light and secondary reflected light are simultaneously received by the light-receiving surface, and as a result, these incident lights are also converted into photocurrents and output from the electrodes at both ends of the element. The resulting beam position (reflected light input position) will be shifted, and the detected beam position will be shifted as the position of the object obtained by the calculation of the above equations (2) and (3). It deteriorates the detection accuracy of the sensor.
  • the beam BQ reflected by the moving mirror 12 is reflected by the object 30 and forms an image on the light receiving element 14 as primary reflected light B1.
  • the beam reflected on the object 30 is further reflected and forms an image on the light receiving element 14 as a secondary reflected light B2.
  • the light receiving element 14 receives the primary and secondary reflected lights, and receives the reflected light. Accordingly, the current flowing through the electrodes at both ends of the light receiving element 14 is affected by the primary and secondary reflected lights, and indicates an output position Xa obtained by combining the primary reflected light and the secondary reflected light.
  • the position of the object 30 calculated based on this output position Xa is shifted from the actual position as indicated by 30 'in FIG. Will be shown.
  • each cell of CCD has a certain size, and the distance between cells limits the resolution of the sensor. For this reason, the resolution is improved by using a cell having a small cell or a cell having a large number of cells, but such a disadvantage is disadvantageous in that the element becomes expensive or the outer shape becomes large.
  • the laser light is coherent, the output waveform of the CCD tends to be intense and weak, and the cell position where the output becomes maximum fluctuates, so that there is a problem that an accurate light receiving position cannot be detected.
  • An object of the present invention is to provide a position detection method and a device using a CCD as a light receiving element and performing the same integral type processing as the PSD to improve the detection resolution.
  • a CCD is used as a light receiving element of a laser sensor for detecting a position of an object, and a product of an output of each cell of the CCD and a position of the cell is used. The sum is obtained, the outputs of the cells are added, and the light-receiving position is obtained by dividing the above sum of products by the added value.
  • the product sum is divided by the addition value to obtain the light receiving position, and the product sum and addition ⁇ are reset.
  • the position of the object is determined by determining the light receiving position of the primary reflected light of the laser beam. To detect.
  • the one or more light receiving positions are sequentially detected by changing the scanning angle of the laser beam, and the first light receiving position and the two or more light receiving positions corresponding to the scanning angles immediately before the two or more light receiving positions are detected.
  • the second light receiving position corresponding to the scan angle immediately after the position is no longer detected is stored, and one light receiving position obtained at the scan angle obtained before the first light receiving position and the first light receiving position are obtained.
  • an intersection of the first straight line and the second straight line is obtained, and the intersection is detected as a bending point of the object.
  • the one or more light receiving positions detected by changing the scanning angle of the laser beam are sequentially stored, and the closest scanning angle at which the two or more light receiving positions stored corresponding to the same scanning angle are closest is determined.
  • the light receiving position with a small value from the smaller scanning angle to the above-mentioned closest scanning angle and the light receiving position with a larger value from the above-mentioned closest scanning angle to the maximum scanning angle are detected. Detected as the light receiving position.
  • the position of the object is obtained from the light receiving position of the primary reflected light
  • a first straight line is obtained from the position of the object obtained at the light receiving position of the primary reflected light from the minimum scanning angle to the closest scanning angle. From the position of the object obtained at the light receiving position of the primary reflected light from the closest scanning angle to the scanning angle maximum value, and obtain the second straight line from the first straight line and the second straight line.
  • a light-receiving element configured by a CCD having a plurality of cells and outputting a voltage corresponding to charges accumulated according to the intensity of light applied to each cell
  • Timing signal output means for outputting a sample hold signal for sequentially scanning each cell of the light receiving element from the beginning after outputting a gate signal
  • a cell counter that resets with the gate signal, counts the sample and hold signal, and outputs a value Xi of the cell position of the light receiving element, and is reset with the gate signal and scanned with the sample and hold signal
  • An adding means for obtaining a value ⁇ C i by sequentially adding the outputs C i of the cells of the light receiving element
  • the output C i of each cell of the light receiving element reset by the gate signal and scanned by the sample and hold signal is multiplied by the value X i of the position of each cell output from the cell counter and sequentially multiplied.
  • the value ⁇ C i XX i obtained by the product-sum operation means is divided by the value ⁇ C i obtained by the addition means to obtain the position of the center of gravity of the light receiving beam ( ⁇ C i XX i) / ⁇ ⁇ C i.
  • the output C i of each cell is compared with a set threshold value Vs, and a comparator that outputs an output signal when the cell output C i is equal to or more than the threshold value Vs;
  • a counter for counting the number of cells to be scanned when the output signal disappears, outputting an output signal when the output signal exceeds a set value, resetting the adding means, the product-sum calculating means, and the dividing means;
  • a plurality of latch buffers for storing the output of the dividing means in the first stage and resetting the latch signal with the gate signal;
  • the means for changing a scanning angle of the laser beam in synchronization with the gate signal and the means for obtaining the light receiving position by the primary reflected light is one storage data from the plurality of latch buffers after the start of laser beam scanning.
  • a first straight line connecting the object positions respectively corresponding to the first and second light receiving positions and a second straight line connecting the object positions respectively corresponding to the third and fourth light receiving positions are obtained.
  • means for changing a scanning angle of a laser beam in synchronization with the gate signal, and the means for obtaining a light receiving position by the primary reflected light is a device for detecting two or more light receiving positions obtained from the plurality of latch buffers.
  • means for obtaining the position of the object from the light receiving positions of the first and second primary reflected lights, and a first object position from the position of the object obtained from the light receiving positions of the first primary reflected light Means for obtaining a straight line of the second object position from the position of the object obtained from the light receiving position of the second primary reflected light and a straight line of the second primary reflected light;
  • the product sum of the output of each cell of CCD and the position of the cell is obtained, and this product sum is divided by the added value of the output of each cell to obtain the product sum.
  • the position of the center of gravity is required. That is, the light receiving position on the light receiving element is determined as a position that is not divided by each cell, and a highly accurate position is determined. If the position of the object is obtained from the light receiving position, a highly accurate position of the object can be obtained. Further, each time the output of the cell exceeds the set threshold value and thereafter reaches a position separated by a predetermined distance from the threshold value, the center of gravity is calculated from the sum of products and the added value i S, Multiple light receiving positions such as primary reflected light and secondary reflected light are individually detected.
  • the closest scanning angle at which two or more light receiving positions are closest at the same scanning angle is used as a reference.
  • the scanning angle of the laser beam is divided into two, and only the light receiving position of the primary reflected light is detected as the position of the target object based on the magnitude relationship of the values of the light receiving positions detected at each scanning angle section. .
  • Figure 1 is a schematic block diagram of the laser sensor
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for calculating a light receiving position when PSD is used as a light receiving element
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for obtaining the position of the object from the light receiving position of the light receiving element
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the secondary reflected light by the object
  • FIG. 5 is a block diagram of a signal detection unit in the embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of an output of a light receiving element in the embodiment
  • FIG. 7 is a processor of a control device in the embodiment. Is a flowchart of the process of the first embodiment regarding the position detection performed by
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of an example of a light receiving position in the first embodiment
  • FIG. 9 is a flowchart of the process of the second embodiment relating to position detection performed by the processor of the control device in the embodiment.
  • FIG. 10 is a flowchart showing the continuation of the processing of the second embodiment relating to position detection performed by the processor of the control device in the same embodiment
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of an example of a light receiving position in the second embodiment
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing an arrangement state of a register storing a light receiving position in the second embodiment
  • FIG. 13 is an explanatory diagram showing an arrangement state of the registers storing the light receiving positions of the primary reflected light in the second embodiment.
  • FIG. 5 is a block diagram of the signal detection unit 23 according to one embodiment of the present invention.
  • Reference numeral 40 denotes a timing I for outputting the sample and hold signal SH and the gate signal TG, and light is received during one cycle of outputting the gate signal TG.
  • the number of the sample-and-hold signals SH as many as the cells of the element 14 are output.
  • the light receiving element 14 has 1024 cells for receiving the reflected light and 28 optical black cells for both sides on each side, and has a total of 1080 cells, and the gate signal TG
  • the sample-and-hold signal SH is output while the signal is output.
  • Numeral 14 denotes a light receiving element composed of a CCD, which sequentially designates each cell by the sample hold signal SH and outputs a voltage corresponding to the accumulated electric charge according to the intensity of light applied to each cell. .
  • the output voltage is converted into a digital signal by the AD converter 43 in synchronization with the sample-and-hold signal SH, and its value C i (i changes from 1 to the number of cells. In the above example, the value changes from 1 to 1080.
  • Reference numeral 41 denotes a cell counter, which is reset each time the gate signal TG is output, and counts the sample hold signal SH.
  • Reference numeral 42 denotes a product-sum operation circuit, which multiplies the output X i of the cell counter 41 and the value C i output from the AZD converter 43 in synchronism with the sample-and-hold signal SH, and performs a sensible addition. That is, the operation of the following formula 4 is performed.
  • the product-sum operation circuit 42 is reset by the output of a counter 45 described later and the gate signal TG.
  • the counter 44 is a comparator, which compares the output of the AZD converter 43 with the set threshold Vs in synchronization with the sample-and-hold signal SH, outputs an output when it exceeds the threshold Vs, and resets the counter 45 I do.
  • the counter 45 counts the sample hold signal SH, and is reset every time an output signal is output from the comparator 44.
  • the counter 45 exceeds the set value N, the counter 45 outputs an output, resets the product-sum operation circuit 42, an adder 46, and a division circuit 47, which will be described later, and stops counting of the counter 45. Then, when the output is output from the comparator 44, it is reset and starts counting.
  • the adder circuit 46 sequentially adds the output C i of the A / D converter 43 in synchronization with the sample-and-hold signal SH, outputs the output ⁇ C i to the divider circuit 47, and outputs the output of the counter 45 and the gate signal TG Is reset.
  • the division circuit 47 divides the output ⁇ C i X Xi of the product-sum operation circuit 42 by the output ⁇ C i of the addition circuit 46 to obtain a position where the light receiving element 14 receives light. That is, the light receiving position Xa is obtained by calculating the position of the center of gravity of the received light beam by performing the calculation of the following equation (5).
  • the required number of latch buffers 48 and 49 are connected in series. (Generally, two latch buffers 48 and 49 are connected in series to store two pieces of information, primary reflected light and secondary reflected light. The number is increased according to the output of the counter 45, the stored position information Xa of the dividing circuit 47 is sent to the next latch buffer, and the light receiving position Xa output from the dividing circuit 47 is further increased.
  • the latch buffers 48, 49,... 2 At the same time, the light receiving position xa is sent to the control device 50 and reset.
  • the control device 50 is composed of a processor, a memory, and the like, and obtains the position of the object by performing processing described later. This control device may be a control device for a welding robot / sealing port bot using the laser sensor.
  • the gate signal TG is output, and all elements are reset.
  • the cell counter 41 counts the sample hold signal SH. And outputs the count value. That is, the cell positions are sequentially output from x l.
  • the light receiving element 14 sequentially outputs a voltage corresponding to the charge accumulated in the first cell from the first cell, and is converted into a digital signal Ci by the AZD converter 43.
  • the product-sum operation circuit 42 performs the operation of the fourth expression and outputs the result to the division circuit 47.
  • the adder circuit 46 adds the outputs of the AZD converters 43 and outputs the result to a divider circuit 47, and the divider circuit 47 performs the operation of the fifth equation.
  • the comparator 44 compares the output Ci of the A / D converter 43 with the set threshold value Vs. Each time the element performs the above processing every time the sample hold signal SH is output, the value of the output X i of the cell counter 41 becomes xkl in the example of FIG. 6, and the output C i of the cell at this position becomes The value is the threshold Vs If it does, comparator 44 will output and reset counter 45. Further, when the output of the cell counter 41 becomes the value of X k 2 and the output C i of the cell at that time falls below the threshold value V s, the output of the comparator 44 stops and the counter 4 5 Starts counting the sample-and-hold signal SH.
  • the counter 45 outputs the output and stops counting at this time.
  • the output of 47 outputs the position of the center of gravity from the cell position X1 to the cell position Xk3, that is, the light receiving position Xa1, and this value Xa1 is stored in the latch buffer 48. Become.
  • the output of the cell counter 41 becomes X k 4 and the output of the AZD converter 43 exceeds the threshold value Vs
  • the output is output from the comparator 44 and the counter 45 is reset again. Is done.
  • the output of the cell counter 41 becomes the value of X k 5
  • the output of the comparator 44 stops when the output of the AZD converter 43 falls below the threshold value V s, and the counter 4 stops. 5 starts counting again, but in the example shown in FIG. 6, before the set value N is exceeded, the output of the AZD converter exceeds the threshold value Vs and is reset again.
  • the output of the cell counter 41 becomes X k 6
  • the output of the AZD converter 43 becomes equal to or less than the threshold value V s
  • the counter 45 starts counting.
  • the count value of the counter 45 is set to the set value N
  • the counter 45 outputs an output to stop counting, and at the same time, sends the light receiving position Xa1 stored in the latch buffer 48 to the latch buffer 49, and outputs the output of the dividing circuit 47.
  • the data is stored in the latch buffer 48.
  • the addition circuit 46, the product-sum operation circuit 42, and the division circuit 47 are reset.
  • the product-sum operation circuit 42 outputs the product-sum value ( ⁇ C i XX i) from the previously reset position of xk 3
  • the adder circuit 46 outputs the output of the AZD converter from the position X k 3 Since the output obtained by adding C i ( ⁇ ⁇ C i) was output, the output of the division circuit 47 when the output was output from the counter 45 was obtained from the cell position X k 3 to the cell position X k
  • the gate signal TG when the gate signal TG is output, the stored values of the latch buffers 48 and 49 are output to the control device 50 and reset.
  • the output of the gate signal TG also resets the product-sum operation circuit 42 and the addition circuit 46,
  • the light receiving position is sequentially detected by changing the scanning angle of the laser beam, and the position of the primary reflected light corresponding to the scanning angle immediately before the secondary reflected light is detected and the secondary reflected light are detected.
  • the position of the primary reflected light corresponding to the scan angle immediately after the detection is stopped is stored, and the position of the object is determined from the relationship between each light receiving position at the minimum scan angle and the maximum scan angle. 5 i This is to detect.
  • a scanning command is issued from a control device of the robot to which the laser sensor is attached (when the processor of the mouth robot control device also serves as the control device of the laser sensor, the scanning command is sent from the control device in accordance with the operation of the mouth robot.
  • the laser driving unit 21 starts driving and oscillates a laser beam from the laser oscillator 11.
  • the processor outputs a scanning start command to the mirror scanning unit 22 (Step Sl).
  • the mirror scanning unit 22 changes the tilt of the mirror 12 by a set predetermined pitch, and swings to the set swing angle.
  • the tilt of the mirror 12 that determines the scanning angle of the laser beam is such that the counterclockwise swing limit in FIG.
  • the processor reads the light receiving positions Xa 1 and xa 2 sent from the latch buffers 48 and 49 every time a gate signal is input.
  • the tilt of the mirror is usually sent from the latch buffers 48 and 49 because the mirror beam is reflected on one plane of the object 30 and set at a position where there is no secondary reflected light.
  • the coming position Xa is one data by the primary reflected light. For example, in the case of the object 30 as shown in FIG. 4, initially there is no secondary reflected light, only primary reflected light, and only the position data based on the primary reflected light is sent.
  • the processor stores the data at the start of scanning in the register R (P a) (step S 2), and sets the state memory flag F to 0 (step S 3).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the laser beam scanning angle (moving mirror angle) with respect to the object 30 as shown in FIG. 4 and the light receiving position Xa of the light receiving element 14.
  • the scanning angle of the laser beam increases and the position of the laser beam hitting the object 30 approaches the bent portion, secondary reflected light is generated, whereby the light receiving positions of the primary reflected light and the secondary reflected light become two. That is, two data are sent from the latch buffers 48 and 49.
  • the secondary reflected light is apparently temporarily lost, and only the data from the latch buffer 48 is lost.
  • the two light receiving positions will be detected again.
  • the scanning angle of the laser beam further increases, the position where the laser beam hits the target and reflects away from the bent portion, the secondary reflected light disappears, and the light receiving position becomes one again.
  • the processor stores the data of one light receiving position sent at the start of scanning in the register R (P a).
  • this position is Pa
  • this position Pa is stored in the register R (Pa).
  • the mirror scanning unit 22 tilts the one-pitch moving mirror 12, and the processor synchronizes with the gate signal TG to change the scanning angle of the laser beam.
  • the processing as shown in steps S4 to S19 is selectively repeated and executed.
  • the value of the status flag F is the initial value 0, and the beam scanning angle has not reached the maximum scanning angle.
  • the data is read, and the processing from step S5 to step S8 is repeatedly executed, and the light receiving position data of the primary reflected light corresponding to the latest scanning angle is stored in the register R ( P b) is updated and stored (Step S 7)
  • step S9 the state storage flag F is set to 1 (step S10), and the step S14 (the flag F 2) and the determination process of step S8 is performed, and the process returns to step S4 again.
  • the data stored in the register R (Pb) is the value of the latch buffer 48 corresponding to the scan angle immediately before the secondary reflected light is detected, that is, the light received by Pb shown in FIG. This is the position data (first light receiving position).
  • Step S5 As a result of the state memory flag F being set to 1 at the time when the secondary reflected light is generated, the following steps S5, S9, and S9 are performed every time the scanning angle of the laser beam changes in the processing of step S4. Steps S14 and S8 are repeatedly executed. In addition, as the position of the laser beam hitting the object 30 approaches the bent portion, the secondary reflected light also gradually approaches the bent portion from a position opposite to the bent portion (see FIG. 8).
  • the primary reflected light and the secondary reflected light are very close, it is not always possible to distinguish the primary reflected light and the secondary reflected light depending on the setting of the set value Vs and N, and the apparent secondary In some cases, it may be determined that there is no reflected light. In cases where the scan angle is extremely narrow, The situation may be detected more than once (the point of overlap of the primary and secondary reflection components in Figure 8).
  • step S4 since only one data is sent from the latch buffer 48, the processor that repeats the processing of step S4, step S5, step S9, step S14, and step S8 is executed. Determines that there is no secondary reflected light in step S5, and proceeds to step S6.Since the state storage flag F is set to 1, the processor further executes the determination processing in step S11. The process proceeds to step S12, in which 2 is set to the sleep storage flag F, and after performing the determination process in step S8, the process returns to step S4 again. If the primary reflected light cannot be distinguished from the secondary reflected light, or if the secondary reflected light has temporarily disappeared, the result of the determination in step S5 is false. Since the value of F is 2, during this period, the processing of step S4, step S5, step S6, step S11, step S13, and step S8 is repeatedly executed.
  • Step S15 where the state storage flag F is set to 3, and the determination process of Step S8 is performed.
  • the flow returns to step S4 again. Since the value of the state storage flag F is 3 while the secondary reflected light is detected, the processor performs the following processing in step S4, step S5, step S9, step S14, and step S8. It will be executed repeatedly.
  • step S5 If there is no discrepancy, the determination result of step S5 becomes false, and the processor proceeds to step S17 after performing the determination processing of step S6, step S11, step S13, and step S16, and executes the latest processing.
  • the light receiving position data corresponding to the scanning angle that is, the value of the latch buffer 48 corresponding to the scanning angle immediately after the secondary reflected light is no longer detected, that is, the light receiving position data of Pc shown in FIG. (Pc)
  • the state storage flag F is set to 4 in the processing of step S18, the determination processing of step S8 is executed, and the process returns to step S4 again.
  • the value of the state storage flag F at this stage is 4, and since the secondary reflected light is not detected thereafter, the processor repeats Step S4 and Step S5 every time the scanning angle of the laser beam changes.
  • the determination process of step S6, step S11, step S13, and step S16, the process of step S19, and the determination process of step S8 are repeatedly executed. Is updated and stored in the register R (Pd) corresponding to the scanning angle. Therefore, when the scanning angle reaches the maximum angle and the result of the determination in step S8 becomes true, the register R (Pd) stores the light receiving position of the primary reflected light corresponding to the maximum scanning angle, ie, FIG. This means that the data of P d at is stored.
  • the light receiving positions stored in the registers R (P a) to R (P d) are those of the primary reflected light, and the laser beam is moved and reflected on the plane of the object by the oscillating mirror 12. At this time, the light receiving position hitting the light receiving element changes linearly, so the first reflection by the primary reflection of the laser beam hitting a position far from the bending point of the object stored in the register R (Pa) Light receiving position Pa and approaching the bending point stored in register R (Pb), just before secondary reflected light occurs
  • the straight line connecting the light receiving positions P b is the moving straight line of the light receiving position when the laser beam moves on one plane, and similarly, the light receiving positions stored in the registers R (P c) and R (P d)
  • the straight line connecting P c and P d is the moving straight line of the light receiving position when the laser beam moves on the other plane.
  • the position where these two straight lines intersect represents the light receiving position at the bending point of the object.
  • the processor calculates the equations (2) and (3) for the positions Pa, Pb, Pc, and Pd stored in the registers R (Pa) to R (Pd), and calculates The coordinate positions (Xa, Ya), (Xb, Yb), (Xc, Yc), (Xd, Yd) of the object are obtained, and the coordinate positions (Xa, Ya) and (Xb, Yb ), Coordinate position (Xc, Yc) and (Xd, Yd) to obtain a straight line equation, find the intersection of these two straight lines, determine this position as the bending point position, and determine the welding or sealing position. Yes (step S20).
  • the above operation is for detecting one point of the welding position and the sealing position.
  • the mirror 12 is detected.
  • the swinging direction is reversed, and the processing from step S1 onward is repeatedly executed.
  • the light receiving position P d in FIG. 8 is set in the register R (P a)
  • the light receiving position P c is set in the register R (P b)
  • the light receiving position P is set in the register R (P c)
  • the register R The light receiving position Pa is stored in R (Pd).
  • FIG. 11 newly shows the relationship between the laser beam scanning angle (oscillating mirror angle) with respect to the object 30 and the light receiving position Xa of the light receiving element 14.
  • the processor that has started the processing as shown in FIG. 9 first initializes the address index j (step T1), and sets the state storage flag f to 0 (step T2).
  • step T3 the processor that has shifted to step T3 sets the latch buffers 48, 4
  • the light receiving position data from 9 is read, but at this stage immediately after the start of scanning, there is no secondary reflected light, and only the data Xa1 from the latch buffer 48 is input, so the determination result of step T4 is false.
  • the light receiving position data Xa1 of the latch buffer 48 is stored in each of the registers RL (j) and RS (j) of the address j provided in the RAM or the like of the control device (step T5).
  • Registers R L (j) and RS (j) are registers for storing the light receiving position corresponding to the scanning angle of mirror 12, and are registers RL (j) and RS at address j.
  • step T7 the maximum scanning angle
  • step T3 the processor of the control device repeats the processing from step T5 to step T7 to execute the processing corresponding to the new scanning angle j.
  • the light receiving position data Xa1 of the next reflected light is stored in each of the registers RL (j) and RS (j). Therefore, in the example shown in FIG. 11, each of the light receiving position data Xa 1 of the primary reflected light corresponding to each of the scanning angles 0 to a is a register RL (0) to RL of the address 0 to the address a. (a) and are stored in RS (0) to RS (a).
  • Each of the light receiving position data stored in the registers RL (0) to RL (a) and the registers RS (0) to RS (a) is the movement of the primary reflected light on the light receiving element 14 as shown in FIG. This is an element of the trajectory LD1. Then, when the scanning angle exceeds a ⁇ 0 and the secondary reflected light is generated, and the light receiving position data Xa 1 and xa2 are input from both the latch buffers 48 and 49, the determination result of step T4 is obtained. Is true, and the processor proceeds to step T8 and determines whether or not the value of the state storage flag f is 0, that is, whether or not this secondary reflected light is the first detected secondary reflected light.
  • the processor proceeds to step T9, stores the current value of the address index j in the register A s storing the address of the start position of the secondary reflected light, and sets the state storage flag f to 1 (step T10).
  • the value of a.sub.1 is stored in the register As.
  • Step Tl 1 the processor compares the light receiving position data Xa1 from the latch buffer 48 with the light receiving position data Xa2 from the latch buffer 49.
  • Step Tl 2 the light receiving position data with the larger value is stored in the register RL (j), and the light receiving position data with the smaller value is stored in the register RS (j). 13)
  • step T6 it is determined whether or not the scanning angle of the mirror 12 has reached the maximum scanning angle (step T7). At this stage, the maximum scanning angle is determined. , The process returns to step T3 again.
  • step T4 becomes true. Since 1 has already been set to the state storage flag f, the determination result in step T8 is false. Therefore, every time the swing angle of the mirror 12 changes and new light receiving position data is input, the processor proceeds to step T14 after executing the determination processing of step T8 and ends the generation of the secondary reflected light.
  • the current value of the address index j is updated and stored in the register A e for storing the position, and the light receiving position data Xa 1 from the latch buffer 48 and the light receiving position data x a2 from the latch buffer 49 are compared in magnitude relation.
  • Step Tl 1 the light receiving position data having the larger value is stored in the register RL (j), and the light receiving position data having the smaller value is stored in the register RS (j) (Step T12, Step T11). T13), after incrementing the address index j (Step T6), the discriminating process of Step T7 is executed, and the process returns to Step T3 again.
  • step T4 the processor repeatedly executes the above processing every time the swing angle of the mirror 12 changes and new light receiving position data is input.
  • the scan angle is b ⁇
  • the primary reflected light and the secondary reflected light are very close to each other and it becomes impossible to identify the reflected light, only the light receiving position data X al from the latch buffer 48 is input. Therefore, during this time, the determination result of step T4 becomes false, and the light receiving position Xa1 of the latch buffer 4 ⁇ 8 is stored in each of the registers RL (j) and RS (j) of the address j (step T5). ).
  • step T4 becomes true.
  • the register A storing the secondary reflection light generation end position again is returned.
  • the current value of the address index j is updated and stored in e, the light receiving position data of the larger value is sequentially stored in the register RL (j), and the light receiving position data of the smaller value is stored in the register RS (j). Is stored.
  • the register A e that stores the generation end position of the secondary reflected light is finally stored.
  • the value of the stored address index j is c-1.
  • step T5 the processing of step T5 is repeatedly executed, and the light receiving position x al of the primary reflected light is sequentially stored in each of the registers RL (j) and RS (i), and the mirror 12
  • the opening processor of the control device shifts to the process at step T15.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing an outline of the light receiving position data stored in the registers RL (0) to RL (d) and the registers RS (0) to RS (d) in the processing up to now.
  • the light receiving position data stored in the registers RS (a + 1) to RS (b-1) is stored on the light receiving element 14.
  • the light-receiving position data stored in the registers RL (a + 1) to RL (b-1) is the movement of the secondary reflected light on the light-receiving element 14 This is an element of the locus LU1.
  • the light receiving position data stored in the registers RS (b + 1) to RS (c-1) is an element of the movement locus LD 3 of the secondary reflected light on the light receiving element 14, and the register RL (b + 1 ) Through RL (c-1) are the elements of the movement locus LU 2 of the primary reflected light on the light receiving element 14, and the registers RL (b) and RS (b)
  • the light receiving position data stored in the light receiving element 14 is an element common to the movement trajectories LD2 and LU2 of the primary reflected light and the movement trajectories L ⁇ 1 and LD3 of the secondary reflected light on the light receiving element 14.
  • the overlapping light receiving positions are stored in a plurality of registers such as the registers RL (b) and RL (b + 1) and the registers RS (b) and RS (b + 1).
  • the data value xa 1 will be stored.
  • the registers RL (0) to RL (0) Each of RL (a) and registers RS (0) to RS (a), and registers RL (c) to register RL (d) and registers RS (c) to RS (d) receive light.
  • the movement trajectories LD1 and LU3 of the primary reflected light on the element 14 are stored.
  • step T15 the processor of the control device that has completed the detection processing over the entire scanning angle proceeds to step T15, where the light receiving positions of the primary reflected light and the secondary reflected light stored corresponding to the same scanning angle are the most. Detect the closest approaching scan angle To start processing.
  • the processor that has proceeded to step T15 first sets the value of the register Ac that stores the generation start position of the secondary reflected light in the register Ac that stores the address corresponding to the closest scanning angle and the address index]. Based on the value of index j, the difference between the light receiving position of the primary reflected light and the light receiving position of the secondary reflected light at the position where the secondary reflected light starts to be generated is calculated, and this value is initialized in the minimum value storage register W. (Step T16).
  • the value of j at this time is the value of the register As and corresponds to the scanning angle (a + 1) 0 in FIG.
  • the processor of the control device increments the value of the index j by
  • step T17 it is determined whether or not the value of the address index j has reached the value of the register A e that stores the end position of the secondary reflected light generation. If not, the difference between the light receiving position of the primary reflected light and the light receiving position of the secondary reflected light at this scanning angle is calculated, and whether this value is equal to or less than the current value of the minimum value storage register W is determined. (Step
  • step T19 the value calculated in the processing of step T19 is equal to or smaller than the current value of the minimum value storage register w, this value is reset in the minimum value storage register w (step T20), and the current value of the index j is also set. The value is updated and stored in the register Ac (step T21).
  • step T19 the value calculated in the process of step T19 is larger than the current value of the minimum value storage register W, the values of the minimum value storage register W n and the register A c are stored as they are, and the process returns to step T17 to return to the index j. Is incremented, and the processing after step T18 is repeatedly executed based on the updated value of the index j.
  • the processor of the control device performs the above operation until the value of the address index: ⁇ ⁇ ⁇ reaches the value of the register Ae that stores the position where the secondary reflected light is generated (step T18).
  • the address index value corresponding to the scanning angle is updated and stored in the register Ac. Therefore, the register A c has the light receiving position of the primary reflected light within the range of (c + 1) ⁇ S from the scanning angle section (a + 1) where the primary reflected light and the secondary reflected light are simultaneously detected.
  • the value of the address corresponding to the scanning angle at which the difference between and the light receiving position of the secondary reflected light is minimized is stored as the address of the approaching scanning angle.
  • the scanning angle is b ⁇ 0
  • the difference between the light receiving position of the primary reflected light and the light receiving position of the secondary reflected light has the minimum value of 0.
  • the value is stored, as described above, if the situation where the reflected light cannot be identified is detected several times, all the values during this period become the minimum value 0.
  • the address immediately before the reflected light can be identified is stored in the register Ac. If the criterion of step T19 is 1RL (j) -RS (j) I ⁇ W, the address of the position where the reflected light cannot be identified first is stored.
  • the light receiving position data RL (j) having the larger value up to the corresponding d-th address is identified as the light receiving position data of the primary reflected light (step T22).
  • FIG. 13 is an explanatory diagram showing the arrangement of the light receiving position data identified by the port processor.
  • the processor of the control device calculates Equations 2 and 3 for each of the light receiving position data of the primary reflected light stored in each register, and calculates the coordinate position (X j) of the object with respect to each light receiving position. , Y j), and stores these values as the cross-sectional position data of the object (step T 23).
  • the inflection point is obtained after calculating the coordinate position, there is little adverse effect due to disturbance or the like, and the coordinates of the inflection point can be detected with higher accuracy than in the first embodiment.
  • the position of an object can be detected with higher resolution and accuracy than the conventional detection method using CCD as the light receiving element.
  • detection errors due to secondary reflected light and noise light can be avoided.

Description

明 細 書
レーザセンサにおける位置検出方法およびその装置
技 術 分 野
本発明は、 アーク溶接やシーリング等を行なうロボッ 卜に取り付けられ るレーザセンサに関し、 該センサによる溶接ゃシーリング等の位置の検出 方法ならびにその装置に関する。
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アーク溶接ロボッ 卜やシーリングロボッ ト等には、 溶接位置やシーリン グ位置を検出するために、 レーザセンサが用いられている。
このレーザセンサは図 1に示すような構造を有している。 図 1中 10は 検出部で、 レーザ発振器 11, レーザビームをスキャンさせる揺動ミラー (ガルバノメータ） 12, 反射光を捕らえて受光素子 14に像を作る光学 系 13を有し、 制御部 20には、 レーザ発振器 11を駆動しレーザビーム を発生させるレーザ駆動部 21, 揺動ミラー 12を摇動させるミラー走査 部 22, 受光素子 14で受光した位置から、 位置を検出する信号検出部 2 3で構成されている。
レーザ駆動部 21により、 レーザ発振器 11を駆動し、 レーザビームを 発生させると共に、 ミラー走査部 22を駆動し揺動ミラー 12を揺動させ て、 レーザ発振器 11から発生するレーザビームを対象物 30上に当て走 査させる。 対象物 30上で拡散反射したレーザビームは光学系 13により、 対象物上の反射位置に応じて、 受光素子 14上に像を作ることになる。 該 受光素子には、 非分割型 ·積分型素子の P S D (P o s i t i o n S e n s i t i v e D e t e c t o r) か、 分割型素子の C CD (Ch a r g e C o u l e d D e v i c e) などが使用される。 P S Dを用いたセンサの場合、 図 2に示すように、 受光面に当たった光 (反射光の像） は光電流に変換され、 素子の両側の電極から外部に流れ、 この二つの電極に流れる電流値より受光面に光の当たつた位置 X aが導き 出される。 すなわち、 受光素子の中央から各電極までの距離を Lとし、 入 射光の当たった位置を中央からの距離 X aの位置に入射光が当たったとし、 各電極に流れる電流値を図に示すように I i , I 2 とすると、 距離 X aは 次の第 1式で求められる。
X a = L · ( 1 2- 1 1 ) / ( 1 2 + I I ) … （1 ) こうして求められた受光素子上の入射光の位置 X aより、 後述するよう にセンサから対象物 3 0の位置を算出している。
また、 受光素子 1 4として C C Dを用いたセンサの場合には、 受光面に 当たった光 （反射光の像） は光電子に変換され、 そのセルに蓄えられる。 セルに蓄積された電荷は、 所定周期毎 1番端から順に外部に出力され、 C C Dの場合、 光が多く当たったセルほど蓄積される電荷も多く、 したがつ て 1番出力の大きいセル位置 （セル番号） を求めれば、 反射光の当たった 位置がわかる。 この位置により、 センサから対象物 3 0の位置を算出する。 図 3は受光素子 1 4で検出した位置 x aにより、 センサからの対象物 3 0の座標位置 （X, Y) を求める説明図で、 光学系の中心と受光素子 1 4 の中央点とを結ぶ線上にセンサ原点 （0 , 0 ) があるとし、 この線を Y軸、 この Y軸に直交する釉を X釉とし、 原点から光学系の中心までの距離を L 1 、 光学系の中心から受光素子 1 4の中央点までの钜離を L 2 、 センサ原 点から X釉方向への摇動ミラー 1 2の摇勖中心までの距離を D、 センサ原 点から揺動ミラーの摇勐中心までの Y袖距離を L 0 、 摇勖ミラー 1 2によ るレーザビームの反射光の Y釉方向に対する角度を 0、 受光素子 1 4での 受光位置を x aとすると、 レーザビームが対象物に当たり反射した座標位 置 （X, Y) は次の第 2, 第 3式の演算を行なって求めることができる。
X= a · [ (LI -L0 ) · tan ^ + D] / (x a + L2 · tan Θ)
… (2) Y= [LI · x a + L2 · (L 0 · tan ^ -D) ] /
(x a + L2 Man Θ - (3) 受光素子に P S Dを使用した場合には、 該 P S Dは非分割型 ·積分型素 子であるため、 検出分解能は非常に高い。 しかし、 受光面に当たった光は 全て光電流に変換されるため、 受光面に当たる光が求めるビーム （反射光） であれば問題がないが、 反射光以外の光、 例えば、 アーク溶接に使用する 場合においてはアーク光のようなノィズ光や、 2次反射光のようなものを 同時に受光面に受光することになる。 その結果、 これらの入射光も光電流 に変換され素子両端の電極から出力されることになるので、 結果として求 めるビーム位置 （反射光の入力位置） はずれることになる。 検出ビーム位 置のずれは上記第 2式， 第 3式の計算で得られる対象物の位置のずれとな つてあらわれ、 センサの検出精度を悪化させる。
例えば、 図 4に示すように、 摇動ミラー 12で反射したビーム BQ は対 象物 30で反射し 1次反射光 B 1として受光素子 14上に像を作る。 一方 対象物 30上で反射したビームはさらに反射し 2次反射光 B 2として受光 素子 14上に像を作ることになり、 受光素子 14は 1次， 2次の反射光を うけ、 この反射光により、 受光素子 14の両端の電極に流れる電流は 1次、 2次の反射光の影響を受けて、 1次反射光と 2次反射光を合成した出力位 置 X aを示すことになる。 その結果この出力位置 X aに基づいて計算され る対象物 30の位置は図 4に 30 'で示すように実際の位置とずれた位置 を示すことになる。
また、 受光素子 1 4として C C Dを用いた場合には、 C C Dを構成する 各セル単位で別個に光電変換を行なうので、 ノイズ光や 2次反射光と 1次 反射光を区別して検出することができる。 そのため、 上述した P S Dの場 合とは異なり、 2次反射光等の影響を受けないという利点がある。 しかし, C C Dの各セルはある大きさを有しており、 セルとセルの間隔がセンサの 分解能の限界となる。 そのため、 セルの小さいもの、 若しくは、 セル数の 大きいものを用いて分解能を向上させることになるが、 そうすれば、 素子 が高価になること、 または外形が大きくなる等の欠点が生じ好ましくない。 また、 レーザ光は可干渉性なため、 C C Dの出力波形に強弱ができやすく、 出力が最大となるセル位置が変動し正確なビーム受光位置を検出すること ができないという問題もある。
発 明 の 開 示
本発明の目的は、 受光素子として C C Dを用い、 かつ P S Dと同じ積分 型の処理を行なつて検出分解能を向上した位置検出方法ならびにその装置 を提供することにある。
上述の目的を達成するために、 本発明の第 1の態様によれば、 対象物の 位置を検出するレーザセンサの受光素子に C C Dを用い、 C C Dの各セル の出力とそのセルの位置の積和を求めると共に各セルの出力を加算し、 上 記積和を上記加算値で除して受光位置を求める。
好ましくは、 上記 C C Dの出力が設定されたしきい値を越えるとリセッ 卜され、 該しきい値以下になると走査するセル数を計数し、 設定された値 になると出力を出す手段を設け、 該手段から出力があると上記積和を上記 加算値で除し受光位置を求めると共に、 上記積和および加算值をリセッ ト し、 設定所定間隔をおいて上記しきい値を越える受光位置を 1以上検出し, 検出された 1以上の受光位置より、 レーザビームの 1次反射光による受光 位置をもとめて対象物の位置を検出する。
好ましくは、 レーザビームの走査角度を変化させて 1以上の受光位置を 逐次検出すると共に、 2以上の受光位置が検出される直前の走査角度に対 応する第 1の受光位置と 2以上の受光位置が検出されなくなった直後の走 査角度に対応する第 2の受光位置とを記憶し、 上記第 1の受光位置を得る 前の走査角度において得られた 1つの受光位置と上記第 1の受光位置に夫 々対応する対象物位置とを結ぶ第 1の直線と、 上記第 2の受光位置を得た 後に得られた 1つの受光位置と上記第 2の受光位置に夫々対応する対象物 位置とを結ぶ第 2の直線を対象物の位置として検出する。
好ましくは、 上記第 1の直線と第 2の直線の交点を求め、 該交点を対象 物の屈曲点として検出する。
好ましくは、 レーザビームの走査角度を変化させて検出した 1以上の受 光位置を逐次記憶すると共に、 同一走査角度に対応して記憶された 2以上 の受光位置が最も接近する最接近走査角度を検出すると共に、 走査角度の 小さい方から上記最接近走査角度までは小さい値の受光位置を、 また、 上 記最接近走査角度から走査角度最大値までは大きい値の受光位置を 1次反 射光の受光位置として検出する。
さらに好ましくは、 上記一次反射光の受光位置より対象物の位置を求め、 最小走査角度から上記最接近走査角度までの上記一次反射光の受光位置で 求められた対象物の位置より第 1の直線を求め、 上記最接近走査角度から 走査角度最大値までの上記 1次反射光の受光位置で求められる対象物の位 置より第 2の直線を求め、 上記第 1の直線と第 2の直線の交点を対象物の 屈曲点として検出する
また、 本発明の第 2の態様によれば、 複数のセルを有し各セルに当たつ た光の強さに応じて蓄積された電荷に応じた電圧を出力する C C Dで構成 された受光素子と、
ゲート信号を出力した後上記受光素子の各セルを始めから順次走査する サンプルホールド信号を出力するタイミング信号出力手段と、
上記ゲート信号でリセッ 卜されると共に、 上記サンプルホールド信号を 計数し上記受光素子のセル位置の値 X iを出力するセルカウンタと、 上記ゲート信号でリセッ 卜され、 上記サンプルホールド信号で走査され た上記受光素子の各セルの出力 C iを順次加算した値∑ C iを得る加算手 段と、
上記ゲート信号でリセッ 卜され、 上記サンプルホールド信号で走査され た上記受光素子の各セルの出力 C iと上記セルカウンタから出力される各 セルの位置の値 X iとを掛け合わせ、 それを順次加算した値∑ c i X X i を得る積和演算手段と、
上記積和演算手段で得られた値∑ C i X X iを上記加算手段で得られた 値∑ C iで割り受光ビームの重心位置 （∑ C i X X i ) /∑ C iを求め、 該重心位置を受光位置として出力する割算手段とを有する。
好ましくは、 各セルの出力 C iと設定しきい値 V sとを比較し、 セル出 力 C iがしきい値 V s以上のとき出力信号を出力するコンパレータと、 上記コンパレータの出力信号によりリセッ 卜され、 該出力信号がなくな ると走査するセル数を計数し、設定値以上になると出力信号を出力し、 上 記加算手段， 積和演算手段， 割算手段をリセットするカウンタと、
直列に接続され、 上記カウンタの出力信号で記憶内容を次段にシフ卜す ると共に、 上記割算手段の出力を第 1段に記憶し、 且つ上記ゲート信号で リセッ 卜されるする複数のラッチバッファと、
上記複数のラッチバッファの記憶データより一次反射光による受光位置 を求める手段とを有する。
好ましくは、 上記ゲート信号に同期してレーザビームの走査角度を変化 させる手段を備え、 上記一次反射光による受光位置を求める手段は、 レー ザビームの走査開始後上記複数のラッチバッファより 1つの記憶データし か得られないときの第 1の受光位置， 2以上の記憶データが得られる直前 の第 2の受光位置、 2以上の記憶データが得られなくなった直後の第 3の 受光位置、 レーザビームの走査による最後に得られた 1つの記憶データに よる第 4の受光位置をそれぞれ求める手段を有すると共に各受光位置を記 憶する記憶手段とを備える。
好ましくは、 上記第 1と第 2の受光位置にそれぞれ対応する対象物位置 を結ぶ第 1の直線及び上記第 3と第 4の受光位置にそれぞれ対応する対象 物位置を結ぶ第 2の直線を求める手段を有し、 第 1 , 第 2の直線を対象物 位置として検出する。
好ましくは、 上記ゲ一ト信号に同期してレーザビームの走査角度を変化 させる手段を備え、 上記一次反射光による受光位置を求める手段は、 上記 複数のラッチバッファより得られる 2以上の受光位置をそれぞれ記憶する 記憶手段と、 各受光位置が最も接近した最接近走査角度を検出手段を有し、 レーザビームの走査から上記最接近走査角度までは上記記憶手段に記憶し た最も小さい値の受光位置を第 1の一次反射光の受光位置として検出し、 上記最接近走査角度からレーザビームの走査終了までは上記記憶手段に記 憶した最も大きい値の受光位置を第 2の一次反射光の受光位置として検出 する。
好ましくは、 上記第 1 , 第 2の一次反射光の受光位置より対象物の位置 を求める手段と、 第 1の一次反射光の受光位置より求められる対象物の位 置より第 1の対象物位置の直線と第 2の一次反射光の受光位置より求めら 5 れる対象物の位置より第 2の対象物位置の直線とを求める手段と、
上記第 1 , 第 2の対象物位置の直線の交点を対象物の屈曲点として求め る手段を有する。
上述のように、 本発明によれば、 C C Dの各セルの出力とそのセルの位 置の積和を求め、 この積和を各セルの出力の加算値で除すことで、 積和の
10 重心位置が求められる。 すなわち、 受光素子上での受光位置が各セルで分 割されない位置として求められ、 精度の高い位置が求められる。 この受光 位置によつて対象物の位置を求めれば、 精度の高い対象物の位置を求める ことができる。 また、 セルの出力が設定しきい値を越え、 その後該しきい 値以下になって設定所定蹈離離れた位置に達する毎に、 上記積和と加算値 i S より重心位置を求めることにより、 1次反射光や 2次反射光等の複数の受 光位置が個別に検出される。
更に、 レーザビームの走査角度を変化させて受光位置を検出する間に同 一走査角度に対して 2以上の受光位置が検出された場合には、 2以上の受 光位置を同時に記億したデータ、 すなわち、 2次反射光等の受光位置を 1 0 次反射光の受光位置と同時に記憶したデータが全て無視され、 対象物の位 置は、 1次反射光の受光位置のみを記憶したデータから算出されたレーザ ビームの移動軌¾の交点として検出される。
また、 同一走査角度に対して 2以上の受光位置が検出された場合には、 同一走査角度で 2以上の受光位置が最も接近する最接近走査角度を基準と してレーザビームの走査角度が 2分され、 各走査角度の区分で検出された 複数の受光位置の値の大小関係に基いて 1次反射光の受光位置のみが対象 物の位置として検出される。
図面の簡単な説明
第 1図は、 レーザセンサの概要ブロック図、
第 2図は、 受光素子として P S Dを用いた時の受光位置を算出する説明 図、
第 3図は、 受光素子の受光位置より対象物の位置を求める説明図、 第 4図は、 対象物による 2次反射光の説明図、
第 5図は、 本発明の実施例における信号検出部のブロック図、 第 6図は、 同実施例における受光素子の出力の一例を示す図、 第 7図は、 同実施例における制御装置のプロセッサが行なう位置検出に 関する第 1実施例の処理のフローチヤ一ト、
第 8図は、 第 1実施例における受光位置の一例の説明図、
第 9図は、 同実施例における制御装置のプロセッサが行なう位置検出に 関する第 2実施例の処理のフローチヤ一ト、
第 1 0図は、 同実施例における制御装置のプロセッサが行なう位置検出 に関する第 2実施例の処理の続きを示すフローチャート、
第 1 1図は、 第 2実施例における受光位置の一例の説明図、
第 1 2図は、 第 2実施例における受光位置を記憶したレジスタの配列状 態を示した説明図、 および
第 1 3図は、 第 2実施例における 1次反射光の受光位置を記憶したレジ スタの配列状態を示した説明図である。
発明を実施するための最良の形態 レーザセンサの全体構成
本発明のレーザセンサの構成は図 1に示す従来のレーザセンサとほぼ同 —であるが、 受光素子 14として CCDが用いられていることを特徵とし、 また、 従来のものと比較し、 信号検出部 23の構成が相違する。 図 5は本 発明の一実施例における信号検出部 23のブロック図で、 40はサンプル ホールド信号 SH、 およびゲー卜信号 TGを出力するタイミング Iじで、 ゲー卜信号 TGを出力する一周期間に受光素子 14が有するセルの数だけ のサンプルホールド信号 SHを出力する。 この実施例では、 受光素子 14 は反射光を受光するセルが 1024個と受光しないォプティカルブラック のセルが両側にそれぞれ 28個設けられ、 合計 1080個のセルを有して おり、 ゲート信号 TGが出力される間にサンプルホールド信号 SHが 10 80出力されることになる。
14は CCDで構成された受光素子で、 上記サンプルホールド信号 SH によつて順次各セルを指定し、 各セルに当たった光の強さに応じて蓄積さ れた電荷に応じた電圧を出力する。 出力された電圧はサンプルホールド信 号 SHに同期して A D変換器 43でディジタル信号に変換され、 その値 C i (iは 1からセルの数まで変化する。 上記例で、 1〜1080まで変 化する） は後述するコンパレータ 44, 加算回路 46, 積和演算回路 42 に入力される。 41はセルカウンタで、 上記ゲート信号 TGが出力される 毎にリセッ トされ、 上記サンプルホールド信号 SHを計数するものである。 42は積和演算回路で、 サンプルホールド信号 SHに同期して上記セル力 ゥンタ 41の出力 X i と AZD変換器 43から出力される値 C iが掛け合 わされ、 かつ、 顕次加算される。 すなわち、 次の第 4式の演算を行なう。
∑ C i X i … （4) また、 該積和演算回路 42は後述するカウンタ 45の出力およびゲート信 号 TGでリセッ 卜される。
44はコンパレータで、 サンプルホールド信号 S Hに同期して AZD変 換器 43の出力と設定されたしきい値 V sを比較し、 該しきい値 V s以上 になると出力を出しカウンタ 45をリセッ トする。 カウンタ 45はサンプ ルホールド信号 SHを計数し、 上記コンパレータ 44から出力信号が出力 される毎にリセッ 卜される。 そして、 このカウンタ 45は、 設定値 Nを越 えると出力を出し、 積和演算回路 42、 および後述する加算器 46, 割算 回路 47をリセッ 卜すると共に、 該カウンタ 45の計^ [を停止し、 コンパ レータ 44から出力が出されるとリセッ 卜され計数を開始する。
加算回路 46はサンプルホールド信号 SHに同期して A/D変換器 43 の出力 C iを順次加算しその出力∑ C iを割算回路 47に出力し、 また、 カウンタ 45の出力およびゲート信号 TGでリセッ 卜される。 割算回路 4 7は積和演算回路 42の出力∑ C i X X iを加算回路 46の出力∑ C iで 割り、 受光素子 14が受光した位置を求める。 すなわち、 次の第 5式の演 算を行なうことによつて受光ビームの重心位置を求めることによって受光 位置 X aを求める。
x a = (I C i X x i ) /∑ C i ·'· (5)
ラッチバッファ 48, 49は必要数直列に接続され （一般的には 1次反 射光と 2次反射光の二つの情報を記憶するために 2つ直列に接続されてい るが、 ノイズ光の出現頻度に合わせその数を増加させる） 、 カウンタ 45 の出力に合わせ、 記憶している割算回路 47の位置情報 X aを次のラッチ バッファに送り出し、 さらに割算回路 47から出力される受光位置 X aを 記憶する。 また、 該ラッチバッファ 48, 49, …はゲート信号 TGに合 2 一 わせて受光位置 x aを制御装置 5 0に送出しリセッ 卜される。 制御装置 5 0はプロセッサ， メモリ等で構成され、 後述する処理を行なって対象物の 位置を求める。 なお、 この制御装置は該レーザセンサを使用する溶接ロボ ッ トゃシーリング口ボッ トの制御装置でもよい。
位置検出信号処理
次に、 この図 5に示す信号検出部 2 3の動作を説明する。
例えば、 受光素子 1 4の各セル X i ( i - 1〜1 0 8 0 ) に蓄積された 電荷の値 C iが図 6に示される状態であったとする。 なお、 図 6で横軸は セル位置 （セル番号） X iで縱釉は各セルに記憶された電荷の値 C iであ る。
まず、 タイミング I じから、 ゲー卜信号 T Gが出力され、 全ての要素が リセッ ト状態にされ、 次に、 サンプルホールド信号 S Hが出力される毎に、 セルカウンタ 4 1はサンプルホールド信号 S Hを計数し、 その計数値を出 力する。 すなわち、 セルの位置を x l から順次出力する。 一方受光素子 1 4はサンプルホールド信号 S Hが入力される毎に 1番目のセルから順次そ のセルに蓄積した電荷に応じた電圧を出力し、 AZD変換器 4 3によって ディジタル信号 C iに変換され、 積和演算回路 4 2は第 4式の演算を行な いその結果を割算回路 4 7に出力する。 また、 加算回路 4 6は AZD変換 器 4 3の出力を加算し、 その結果を割算回路 4 7に出— し、 割算回路 4 7 は第 5式の演算を行なう。
—方コンパレータ 4 4は A/D変換器 4 3の出力 C iと設定されたしき い値 V sとを比較する。 以下サンプルホールド信号 S Hが出力される毎に 上記処理を各要素が行なっており、 図 6の例でセルカウンタ 4 1の出力 X iの値が x k l になり、 この位置のセルの出力 C iの値がしきい値 V sを 越えると、 コンパレータ 4 4は出力を出しカウンタ 4 5をリセッ トする。 さらに進んで、 セルカウンタ 4 1の出力が X k 2 の値になった時、 その時 のセルの出力 C iがしきい値 V s以下になると、 コンパレータ 4 4の出力 は停止し、 カウンタ 4 5はサンプルホールド信号 S Hの計数を開始する。 そして、 セルカウンタ 4 1の出力が X k 3 になったとき、 カウンタ 4 5の 計数値が設定された値 Nを越えたとすると、 この時、 該カウンタ 4 5は出 力を出し計数を停止すると共に、 ラッチバッファ 4 8の記憶値をラッチバ ッファ 4 9に送り、 割算回路 4 7の出力をラッチバッファ 4 8に記憶する c そして、 加算回路 4 6 , 積和演算回路 4 2， 割算回路 4 7をリセッ トす る。 すなわち、 割算回路 4 7は積和演算回路 4 2と加算回路 4 6の出力で 第 5式の演算を行なっており、 その結果、 カウンタ 4 5から出力が出され た時の該割算回路 4 7の出力はセル位置 X 1からセル位置 X k 3 までにお ける重心位置すなわち受光位置 X a 1を出力することになり、 この値 X a 1がラッチバッファ 4 8に記憶されることになる。
さらに進んで、 セルカウンタ 4 1の出力が X k 4 になり、 A ZD変換器 4 3の出力がしきい値 V sを越えると、 コンパレータ 4 4から出力が出て カウンタ 4 5は再びリセッ 卜される。 また、 セルカウンタ 4 1の出力が X k 5の値になったとき、 AZD変換器 4 3の出力がしきい値 V s以下にな ることによって、 コンパレータ 4 4の出力が停止し、 カウンタ 4 5は再び 計数を開始するが、 図 6に示す例では設定値 Nを越える前に、 AZD変換 器の出力がしきい値 V sを越えるため再びリセッ 卜される。 セルカウンタ 4 1の出力が X k 6 になったとき A ZD変換器 4 3の出力はしきい値 V s 以下となりカウンタ 4 5は計数を開始する。 そして、 セルカウンタ 4 1の 出力が x k 7 になったとき、 上記カウンタ 4 5の計数値が設定された値 N を越えたとすると、 この時、 該カウンタ 4 5は出力を出し計数を停止する と共に、 ラツチバッファ 4 8に記憶する受光位置 X a 1をラツチバッファ 4 9に送り、 割算回路 4 7の出力をラッチバッファ 4 8に記憶する。
そして、 加算回路 4 6 , 積和演算回路 4 2 , 割算回路 4 7をリセッ トす る。 その結果、 積和演算回路 4 2は先にリセッ 卜された x k 3 の位置から 積和の値 （∑ C i X X i ) を出力し加算回路 4 6は位置 X k 3 から AZD 変換器の出力 C iを加算した出力 （∑C i ) を出力していたので、 カウン タ 4 5から出力が出された時の該割算回路 4 7の出力はセル位置 X k 3 か らセル位置 X k 7 までにおける重心位置すなわち受光位置 X a 2を出力す
10 ることになり、 この値 X a 2がラツチバッファ 4 8に記憶されることにな る。
そして、 ゲート信号 T Gが出力されると、 ラッチバッファ 4 8 , 4 9の 記憶値は制御装置 5 0に出力しリセッ トされる。 また、 ゲート信号 T Gが 出力されることにより、 積和演算回路 4 2 , 加算回路 4 6もリセッ 卜され、
I S さらにセルカウンタ 4 1もリセッ 卜され、 受光素子 1 4の 1番目のセルか ら再び走査を開始し、 上述した動作を行なう。
位置検出信号処理方法の第 1実施例
次に、 対象物の位置を検出するために制御装置 5 0が実施する処理に関 する第 1の実施例の動作を、 図 7に示す制御装置のプロセッサが実施する 0 処理のフローチャートと共に説明する。 この実施例は、 レーザビームの走 查角度を変化させて受光位置を逐次検出すると共に、 2次反射光が検出さ れる直前の走査角度に対応する 1次反射光の位置と 2次反射光が検出され なくなった直後の走査角度に対応する 1次反射光の位置とを記憶し、 最小 走査角度と最大走査角度における各受光位置との関係から対象物の位置を 5 一 検出するようにしたものである。
まず、 該レーザセンサを取り付けたロボッ 卜の制御装置から走査指令 (口ボッ 卜制御装置のプロセッサがこのレーザセンサの制御装置を兼ねて いる場合には口ボッ トの動作に合わせて該制御装置から発生する走査指令） により、 レーザ駆動部 2 1は駆動を開始し、 レーザ発振器 1 1からレーザ ビームを発振させる。 そして、 プロセッサはミラー走査部 2 2に走査開始 指令を出力する （ステップ S l ) 。 ミラー走査部 2 2はゲート信号 T Gが 入力される毎に、 設定された所定ピッチだけミラー 1 2の傾きを変え、 設 定された揺動角度まで揺動することになる。 なお、 レーザビームの走査角 度を決めるミラー 1 2の傾きは図 4の反時計方向の揺動限界が最小走査角 度に対応し、 ミラー 1 2が時計方向に摇動するにつれてレーザビームの走 査角度が大きくなる。 一方プロセッサはゲート信号が入力される毎に、 ラ ツチバッファ 4 8 , 4 9から送られてくる受光位置 X a 1 , x a 2 を読み 取る。 走査開始指令直後におけるミラーの傾きは通常対象物 3 0の一平面 上にレーザビームを反射させ、 2次反射光がない位置に設定されているの で、 ラッチバッファ 4 8 , 4 9から送られてくる位置 X aは 1次反射光に よる 1つのデータである。 例えば図 4に示すような対象物 3 0の場合、 始 めは 2次反射光はなく、 1次反射光のみであり、 この 1次反射光による位 置のデータだけが送られてくる。 プロセッサはこの走査開始時点のデータ をレジスタ R ( P a ) に格納し （ステップ S 2 ) 、 伏態記憶フラグ Fに 0 をセッ 卜する （ステップ S 3 ) 。
図 8は図 4に示すような対象物 3 0に対するレーザビーム走査角度 （摇 動ミラー角度） と受光素子 1 4の受光位置 X aとの関係を説明した図で、 始めはレーザビームが対象物に当たり反射する位置は溶接もしくはシーリ ングしょうとする屈曲部から遠く、 1次反射光しか生じないので、 受光素 子 1 4の受光位置 X aは 1つであり、 ラッチノくッファ 4 8からのデータの みが制御装置 5 0に送られてくる。 レーザビーム走査角度が増大し、 対象 物 3 0に当たるレーザビームの位置が屈曲部に近付くと 2次反射光が発生 し、 これにより、 1次反射光と 2次反射光による受光位置が 2つになり、 ラッチバッファ 4 8 , 4 9から、 データが 2つ送られてくるようになる。 そして、 1次反射光と 2次反射光が非常に接近し、 または、 重合した場合 には、 2次反射光が見掛上一時的に消失し、 ラッチバッファ 4 8からのデ 一夕のみが送られてくるようになるが、 走査角度の変化にともなって 1次 反射光と 2次反射光が再び分離すると再度 2つの受光位置が検出されるよ うになる。 さらにレーザビーム走査角度が増大すると、 レーザビームが対 象物に当たり反射する位置は屈曲部から遠ざかり、 2次反射光がなくなり、 再び受光位置は 1つとなる。
そこで、 プロセッサは走査開始時点で送られてくる 1つの受光位置のデ 一夕をレジスタ R ( P a ) に記憶する。 図 8の例で、 この位置が P aであ つたとし、 この位置 P aがレジスタ R ( P a ) に記憶されることになる。 その後、 ゲート信号 T Gが出力される毎に、 ミラー走査部 2 2は 1ピッ チ摇動ミラー 1 2を傾け、 また、 プロセッサはゲート信号 T Gと同期して、 レーザビームの走査角度が変化する毎、 ステップ S 4乃至ステップ S 1 9 に示されるような処理を選択的に操り返し実行することとなる。
まず、 走査を開始した直後の段階では反射成分が 1つしかなく、 状態記 憧フラグ Fの値は初期値 0であり、 しかも、 ビームの走査角度は最大走査 角度に達していないから、 制御装置のプロセッサは、 ステップ S 4に対応 する処理でレーザビームの走査角度が変化する毎にラッチバッファ 4 8か 7 一 らのデータを読込み、 ステップ S 5乃至ステップ S 8の処理を繰り返し実 行し、 最新の走査角度に対応する 1次反射光の受光位置データを該走査角 度に対応してレジスタ R ( P b ) に更新記憶することとなる （ステップ S 7 )
そして、 対象物 3 0に当たるレーザビームの位置が屈曲部に近付いて 2 次反射光が発生し、 ラッチバッファ 4 8 , 4 9から 2つのデータが送られ てくると、 制御装置のプロセッサはステップ S 5の判別処理で 2次反射光 ありと判別し、 ステップ S 9の判別処理実行後、 状態記憶フラグ Fに 1を セッ トして （ステップ S 1 0 ) 、 ステップ S 1 4 (フラグ Fが 「2」 にセ ッ トされているか否かの判断処理） およびステップ S 8の判別処理を実行 し、 再度、 ステップ S 4に復帰する。 この時点でレジスタ R ( P b ) に記 憶されているデータは 2次反射光が検出される直前の走査角度に対応する ラツチバッファ 4 8の値、 即ち、 図 8に示される P bの受光位置データ (第 1の受光位置） である。
2次反射光が発生した段階で状態記憶フラグ Fに 1がセッ 卜される結果、 以下、 ステップ S 4の処理でレーザビームの走査角度が変化する毎にステ ップ S 5 , ステップ S 9 , ステップ S 1 4 , ステップ S 8の処理が繰り返 し実行されることとなる。 また、 対象物 3 0に当たるレーザビームの位置 が屈曲部に近付くにつれ、 2次反射光もこの屈曲部の反対位置から徐々に 屈曲部に近付く （図 8参照） 。
1次反射光と 2次反射光とが非常に接近すると、 設定値 V sや Nの設定 状態によっては 1次反射光と 2次反射光とが必ずしも区別できるとは限ら ず、 見掛け上 2次反射光が存在しないかのように判定される場合があり、 また、 走査角度の刻み幅が極端に狭いような場合においては、 このような 状況が複数回にわたって検出される場合もある （図 8におけ 1次反射成分 と 2次反射成分との重合点） 。
この場合、 ラツチバッファ 48から 1つのデータのみが送られてくるの で、 ステップ S 4, ステップ S 5， ステップ S 9, ステップ S 14, ステ ップ S 8の処理を操り返し実行しているプロセッサは、 ステップ S 5で 2 次反射光なしと判定してステップ S 6に移行するが、 状態記憶フラグ Fに は 1がセッ 卜されているから、 プロセッサは更にステップ S 11の判別処 理実行後ステップ S 12に移行して伏態記憶フラグ Fに 2をセッ 卜し、 ス テツプ S 8の判別処理実行後、 再度、 ステップ S 4に復帰する。 1次反射 光と 2次反射光との区別が不能となった場合、 および、 2次反射光が一時 的に消失した状態においてはステップ S 5の判別結果が偽となるが、 状態 記億フラグ Fの値は 2であるから、 この間、 ステップ S 4, ステップ S 5, ステップ S 6, ステップ S 11, ステップ S 13およびステップ S 8の処 理が橾り返し実行されることとなる。
そして、 レーザビームの走査角度が更に変化して 1次反射光と 2次反射 光とが分離し、 ラッチバッファ 48, 49から再び 2つのデータが送られ てくると、 制御装置のプロセッサはステップ S 5の判別処理で 2次反射光 ありと判定し、 ステップ S 9, ステップ S 14の判別処理実行後ステップ S 15に移行して状態記憶フラグ Fに 3をセッ 卜し、 ステップ S 8の判別 処理実行後、 再度、 ステップ S 4に復帰する。 2次反射光が検出される間 は状態記憶フラグ Fの値が 3であるから、 プロセッサは、 以下、 ステップ S 4, ステップ S 5, ステップ S 9, ステップ S 14, ステップ S 8の処 理を緣り返し実行することとなる。
次いで、 1次反射光と 2次反射光とが更に離間して 2次反射光が検出さ 9 一 れなくなると、 ステップ S 5の判別結果が偽となり、 プロセッサはステツ プ S 6, ステップ S 11, ステップ S 13およびステップ S 16の判別処 理実行後ステップ S 17に移行して、 最新の走査角度に対応する受光位置 データ、 すなわち、 2次反射光が検出されなくなった直後の走査角度に対 応するラッチバッファ 48の値、 つまり、 図 8に示される P cの受光位置 データをレジスタ R (P c) に記憶して、 更に、 ステップ S 18の処理で 状態記億フラグ Fに 4をセッ 卜してステップ S 8の判別処理を実行し、 再 度、 ステップ S 4に復帰する。
現段階における状態記憶フラグ Fの値は 4であり、 これ以降、 2次反射 光が検出されることはないから、 プロセッサはレーザビームの走査角度が 変化する毎にステップ S 4, ステップ S 5, ステップ S 6， ステップ S 1 1， ステップ S 13およびステップ S 16の判別処理とステップ S 19の 処理ならびにステップ S 8の判別処理を繰り返し実行し、 逐次、 ステップ S 19の処理でラツチバッファ 48の最新の値を走査角度に対応させてレ ジスタ R (P d) に更新記憶する。 従って、 走査角度が最大角度に到達し てステップ S 8の判別結果が真となった段階では、 レジスタ R (P d) に 最大走査角度に対応する 1次反射光の受光位置、 即ち、 図 8における P d のデータが記憶されていることになる。
レジスタ R (P a) 〜R (P d) に格納された受光位置は 1次反射光の ものであり、 揺動ミラー 12によって対象物の平面上をレーザビームが移 動して反射している時は、 受光素子に当たる受光位置は直線的に変化する ことになるので、 レジス夕 R (P a) に記憶する対象物の屈曲点より離れ た位置に当たったレーザビームの 1次反射による最初の受光位置 P aと、 レジスタ R (Pb) に記憶する屈曲点に近付き、 2次反射光が生じる直前 の受光位置 P bを結ぶ直線は一方の平面をレーザビームが移動したときの 受光位置の移動直線であり、 また同様に、 レジス夕 R (P c)， R (P d) に記憶する受光位置 P c， P dを結ぶ直線は他方の平面をレーザビームが 移動したときの受光位置の移動直線となる。 そして、 この 2つの直線が交 差する位置が、 対象物の屈曲点における受光位置をあらわすことになる。 そこで、 プロセッサは、 レジスタ R (P a) 〜R (P d) に記憶する位 置 P a， P b, P c, P dに対し第 2式、 第 3式の計算を行ない、 各位置 に対する対象物の座標位置 （X a, Y a)、 (Xb, Yb) 、 (X c, Y c) , (X d, Yd) を求め、 座標位置 （X a, Y a) と （Xb, Yb)、 座標位置 （X c， Y c) と （X d， Yd) の組み合わせで直線式を求めこ の 2つの直線の交点を求め、 この位置を屈曲点の位置とし、 溶接もしくは シーリングの位置とする （ステップ S 2 0) 。
上記動作は、 溶接位置やシーリング位置の 1点を検出する動作であるが、 連続して溶接位置， シーリング位置を検出する場合には、 ステップ S 2 0 の処理が終了した後、 ミラー 1 2の揺動方向を逆転してステップ S 1以下— の処理を繰り返し実行することになる。 この場合、 レジスタ R (P a) に は図 8中の受光位置 P dが、 レジスタ R (P b) には受光位置 P cが、 レ ジスタ R (P c) には受光位置 P が、 レジスタ R (P d) には受光位置 P aがそれぞれ記億されることになる。
位置検出信号処理方法の第 2実施例
次に、 同一走査角度に対応して検出された 1次反射光と 2次反射光の受 光位置が最も接近する最接近走査角度を検出して 1次反射光と 2次反射光 の受光位置データを分離し、 1次反射光の受光位置のみを抽出するように した第 2の実施例について図 9および図 10のフローチヤ一卜と共に説明 する。 この実施例における最小操作角度はミラー 12の原位置を示すもの であり、 また、 最大走査角度は原位置からの揺動限界を示すものである。 なお、 レーザセンサ各部の構成および検出対象となる対象物 30は上記第 1の実施例と同様であり、 制御装置 50におけるプロセッサの処理のみが 異なる。 対象物 30に対するレーザビーム走査角度 （揺動ミラー角度） と 受光素子 14の受光位置 X aとの関係を新たに図 11に示す。
図 9に示されるような処理を開始したプロセッサは、 まず、 アドレス指 標 jを初期化し （ステップ T 1) 、 状態記憶フラグ f に 0をセッ 卜する (ステップ T2) 0
次いで、 ステップ T3に移行したプロセッサはラッチバッファ 48， 4
9からの受光位置データを読込むが、 走査開始直後の現段階では 2次反射 光はなく、 ラッチバッファ 48からのデータ X a 1 だけが入力されるから、 ステツプ T 4の判別結果は偽となり、 制御装置の RAM等に設けられたァ ドレス jのレジスタ RL ( j ) および RS ( j ) の各々にラッチバッファ 48の受光位置データ X a 1 が記憶される （ステップ T 5) 。 レジスタ R L ( j ) および RS ( j ) はミラ一 12の走査角度に対応して受光位置を 記憶するレジスタであり、 アドレス jのレジスタ RL (j ) および RS
( j ) の各々には走査角度の刻み幅 Δ 0に jを乗じた走査角度に対応する 受光位置データが記憶される。 受光位置データを記憶したプロセッサはス テツプ T 6に移行してア ドレス指標 jをインクリメントした後、 ミラー 1 2の走査角度が最大走査角度に達しているか否かを判別するが （ステップ T7) 、 走査開始直後の現段階では最大走査角度に達していないから、 再 び、 ステップ T3の処理に復帰することとなる。
以下、 ステップ T4の判別結果が偽となる間、 ミラー 12の揺動角度が 変化して新たな受光位置データが入力される毎に （ステップ T 3) 、 制御 装置のプロセッサはステップ T 5乃至ステップ T 7の処理を操り返し実行 して、 新たな走査角度 j に対応する 1次反射光の受光位置データ X a 1 をレジスタ RL ( j ) および R S ( j ) の各々に記憶してゆく。 従って、 図 1 1に示される例では走査角度 0から走査角度 a の各々に対応する 1次反射光の受光位置データ X a 1 の各々がァドレス 0乃至ァドレス aの レジス夕 RL (0) 乃至 RL (a) と R S (0) 乃至 R S (a) に記憶さ れることとなる。 レジスタ RL (0) 乃至 RL (a) とレジスタ R S (0) 乃至 R S (a) に記憶された受光位置データの各々は図 1 1に示されるよ うな受光素子 14上における 1次反射光の移動軌跡 L D 1の要素である。 そして、 走査角度が a Δ 0を越えて 2次反射光が発生し、 ラッチバッフ ァ 48, 49の双方から受光位置データ X a 1 , x a2 が入力されるよう になると、 ステップ T 4の判別結果が真となり、 プロセッサはステップ T 8に移行して状態記憶フラグ f の値が 0であるか否か、 すなわち、 この 2 次反射光が初めて検出された 2次反射光であるか否かを判別するが、 現段 階では状態記億フラグ f の値が 0、 すなわち、 この 2次反射光が初めて検 出されたものであることを意味する。 そこで、 プロセッサはステップ T 9 に移行して 2次反射光の発生開始位置のァドレスを記憶するレジスタ A s にァドレス指標 jの現在値を格納し、 状態記憶フラグ f に 1をセッ 卜する (ステップ T 1 0) 。 なお、 図 1 1に示される例では走査角度が a厶 0を 越えた時点で初めて 2次反射光が発生しているから、 レジスタ A sには a 1の値が記憶されることとなる。
次いで、 プロセッサはラツチバッファ 48からの受光位置データ X a 1 とラッチバッファ 49からの受光位置データ X a2 との大小関係を比較し (ステップ T l 1) 、 値の大きな方の受光位置データをレジスタ RL ( j ) に記憶すると共に値の小さい方の受光位置データをレジスタ R S ( j ) に 記憶して （ステップ T 12, ステップ T 13) 、 了 ドレス指標 jをインク リメントした後 （ステップ T 6) 、 ミラー 12の走査角度が最大走査角度 に達しているか否かを判別するが （ステップ T 7) 、 この段階では最大走 査角度には達していないから、 再び、 ステップ T 3の処理に復帰すること となる。
以下、 1次反射光と 2次反射光が検出されてラッチバッファ 48， 49 の双方から受光位置データ X a 1 , X a2 が入力される間、 ステップ T 4 の判別結果が真となるが、 状態記憶フラグ f には既に 1がセッ トされてい るので、 ステップ T 8の判別結果は偽となる。 従って、 プロセッサはミラ 一 12の揺動角度が変化して新たな受光位置データが入力される毎に、 ス テツプ T 8の判別処理実行後ステツプ T 14に移行して 2次反射光の発生 終了位置を記憶するレジスタ A eにァ ドレス指標 jの現在値を更新記憶し、 ラッチバッファ 48からの受光位置データ X a 1 とラッチバッファ 49か らの受光位置データ x a2 との大小関係を比較して （ステップ T l 1) 、 値の大きな方の受光位置データをレジスタ RL (j ) に記憶すると共に値 の小さい方の受光位置データをレジスタ RS ( j ) に記憶して （ステップ T 12, ステップ T 13) 、 ァ ドレス指標 jをインクリメントした後 （ス テツプ T 6) 、 ステップ T 7の判別処理を実行して、 再び、 ステップ T 3 の処理に復帰することとなる。
ステップ T 4の判別結果が真となっている間、 プロセッサはミラ一 12 の揺動角度が変化して新たな受光位置データが入力される毎に上記の処理 を繰り返し実行することとなるが、 図 11に示されように走査角度が b Δ Θとなって 1次反射光と 2次反射光とが非常に接近し、 反射光の識別が不 能となった場合には、 ラッチバッファ 48からの受光位置データ X al の みが入力されるので、 この間、 ステップ T 4の判別結果が偽となり、 アド レス jのレジスタ RL ( j ) および RS ( j ) の各々にラッチバッファ 4 ό 8の受光位置 X a 1 が記憶される （ステップ T 5) 。 そして、 1次反射光 と 2次反射光が分離して再び識別可能な状態になると、 ステップ T 4の判 . 別結果が真となり、 再び、 2次反射光の発生終了位置を記憶するレジスタ A eにアドレス指標 jの現在値が更新記憶されると共に、 逐次、 値の大き な方の受光位置データがレジスタ RL ( j ) に記憶され、 値の小さい方の 受光位置データがレジスタ RS (j) に記憶される。 なお、 図 11に示さ れる例では走査角度が c Δ 0に達した時点で 2次反射光の発生が検出され なくなるから、 2次反射光の発生終了位置を記憶するレジスタ A eに最終 的に格納されるァドレス指標 jの値は c— 1である。
ミラー 12の走査角度が c Δ Θに達してからは 2次反射光の発生が検出 されることはないから、 以下、 ミラ一 12の走査角度が最大走査角度に達 するまでの間、 1次反射光が検出される毎にステップ T 5の処理が繰り返 し実行されてレジスタ RL ( j ) および RS (i ) の各々に 1次反射光の 受光位置 x al が順次記憶され、 ミラー 12の走査角度が最大走査角度 d Δ 0に達してステップ T 7の判別結果が真となつた段階で、 制御装置のプ 口セッサはステップ T15の処理に移行することとなる。
図 12はこれまでの処理でレジスタ RL (0) 乃至 RL (d) とレジス タ RS (0) 乃至 RS (d) に記憶された受光位置データの概要を示す説 明図であり、 図 11および図 12に示されるように、 レジスタ RS (a + 1) 乃至 RS (b— 1) に記憶された受光位置データは受光素子 14上に おける 1次反射光の移動軌跡 LD 2の要素であり、 レジスタ RL (a + 1) 乃至 RL (b— 1) に記憶された受光位置データは受光素子 14上におけ る 2次反射光の移動軌跡 LU 1の要素である。 また、 レジスタ RS (b + 1) 乃至 RS (c— 1) に記憶された受光位置データは受光素子 14上に おける 2次反射光の移動軌跡 LD 3の要素であり、 レジスタ RL (b + 1) 乃至 RL (c - 1) に記憶された受光位置データは受光素子 14上におけ る 1次反射光の移動軌跡 LU 2の要素であって、 レジスタ RL (b) およ び RS (b) に記憶された受光位置データは受光素子 14上における 1次 反射光の移動軌跡 LD 2と LU2および 2次反射光の移動軌跡 L ϋ 1と L D 3に共通する要素である。 なお、 1次反射光と 2次反射光とを識別する 分解能は設定値 V sや Νの設定状態によつて変化するから、 1次反射光と 2次反射光とが重合する領域が 1点であるとは限らず、 このような場合に は、 レジスタ RL (b) , RL (b + 1) やレジスタ RS (b) , RS (b + 1) 等の複数のレジスタに、 重複する受光位置データの値 x a 1 が 記憶されることになる。 ミラー 12の走査角度が a Δ 0に達する前とミラ -12の走査角度が c Δ 0に達してからは 2次反射光の発生が検出される ことはないので、 レジスタ RL (0) 乃至レジスタ RL (a) とレジスタ RS (0) 乃至レジスタ RS (a) 、 および、 レジスタ RL (c) 乃至レ ジス夕 RL (d) とレジスダ RS (c) 乃至レジスタ RS (d) の各々に は、 受光素子 14上における 1次反射光の移動軌跡 LD 1および LU 3の 要素が記憶される。
このようにして全走査角度にわたる検出処理を終了した制御装置のプ口 セッサはステップ T15に移行し、 同一走査角度に対応して記憶された 1 次反射光と 2次反射光の受光位置が最も接近する最接近走査角度を検出す るための処理を開始する。
ステップ T15に移行したプロセッサは、 まず、 最接近走査角度に対応 するァドレスを記憶するレジスタ A cおよびァドレス指標】に 2次反射光 の発生開始位置を記憶するレジスタ A sの値を設定し、 該指標 jの値に基 D いて 2次反射光の発生開始位置における 1次反射光の受光位置と 2次反射 光の受光位置との差を算出し、 この値を最小値記憶レジスタ Wに初期設定 する （ステップ T16) 。 この時の jの値はレジスタ A sの値であって図 11における走査角度 （a + 1) 厶 0に対応する。
次いで、 制御装置のプロセッサは指標 jの値をィンクリメントして次の
10 走査角度 （a + 2) に対応させ （ステップ T17) 、 ァ ドレス指標 j の値が 2次反射光の発生終了位置を記憶するレジスタ A eの値に達したか 否かを判別するが （ステップ T18) 、 達していなければ、 この走査角度 における 1次反射光の受光位置と 2次反射光の受光位置との差を算出し、 この値が最小値記憶レジスタ Wの現在値以下か否かを判別する （ステツプ
ID T19) 。 このとき、 ステップ T 19の処理で算出した値が最小値記憶レ ジスタ wの現在値以下であれば、 この値を最小値記憶レジスタ wに再設定 すると共に （ステップ T 20) 、 指標 jの現在値をレジスタ A cに更新記 憶する （ステップ T 21) 。 一方、 ステップ T19の処理で算出した値が 最小値記憶レジスタ Wの現在値より大きければ、 最小値記憶レジスタ Wお n よびレジスタ A cの値をそのまま保存し、 再びステップ T17に復帰して 指標 jの値をインクリメントし、 更新された指標 jの値に基いて、 ステツ プ T18以降の処理を繰り返し実行する。
制御装置のプロセッサはァドレス指標： ίの値が 2次反射光の発生終了位 置を記憶するレジスタ Aeの値に達するまで （ステップ T18) 、 上記の - 21 - 処理を繰り返し実行し、 1次反射光の受光位置と 2次反射光の受光位置と の差を逐次算出して、 それ以前に最小値記憶レジスタ Wに保存された値よ りも小さな値か等しい値が算出される毎に走査角度に対応するァドレス指 標の値をレジスタ A cに更新記憶する。 従って、 レジスタ A cには、 1次 反射光と 2次反射光が同時に検出された走査角度の区間 （a + 1) か ら （c一 1) Δ Sの範囲で 1次反射光の受光位置と 2次反射光の受光位置 との差が最小となる走査角度に対応するァドレスの値が再接近走査角度の ァドレスとして記憶されることとなる。 図 1 1に示される例では走査角度 が b Δ 0のときに 1次反射光の受光位置と 2次反射光の受光位置との差が 最小値 0となるのでレジスタ A cにはァドレス bの値が記憶されることと なるが、 前述したように反射光の識別が不能となつた状況が複数回にわた つて検出されたような場合においては、 この間の値が全て最小値 0となる ので反射光の識別が可能となる直前のァドレスがレジスタ A cに記憶され る結果となる。 なお、 ステップ T 19の判別基準を 1 RL (j ) — RS ( j ) I く Wとすれば、 最初に反射光の識別が不能となった位置のアド レスが記憶される。
このようにして、 最接近走査角度に対応するァドレスレジスタ A cを検 出したプロセッサは、 最小操作角度に対応する第 0ァドレスから再接近走 査角度に対応する第 A c (=b) ア ドレスまでの値の小さな方の受光位置 データ RS (j ) を 1次反射光の受光位置データとして識別し、 かつ、 再 接近走査角度に対応する第 A c (=b) ア ドレスから最大走査角度に対応 する第 dア ドレスまでの値の大きい方の受光位置データ RL (j ) を 1次 反射光の受光位置データとして識別する （ステップ T22) 。 図 13はプ 口セッサによつて識別された受光位置データの配列状態を示す説明図であ り、 j = 0〜bまでの値の小さな方の受光位置データ R S ( j ) は図 1 1 における受光素子 1 4上の 1次反射光の移動軌跡 L D 1および L D 2の要 素であり、 また、 j = b〜dまでの値の大きな方の受光位置データ R L ( j ) は 1次反射光の移動軌跡 L U 2および L U 3の要素である。 制御装 置のプロセッサは、 各レジスタに記憶された 1次反射光の受光位置データ の各々に対して第 2式、 第 3式の計算を行ない、 各受光位置に対する対象 物の座標位置 （X j， Y j ) を算出して、 これらの値を対象物の断面位置 データとして記憶し （ステップ T 2 3 ) 、 また、 j = 0〜bと j = b〜d の各々の範囲で対象物の座標位置 （X j , Y j ) を直線捕間して 2つの直 線を求め、 この 2直線の交点により対象物の屈曲点を算出する。
上記第 2の実施例では同一走査角度に対応して記憶された受光位置デー 夕から各走査角度毎に 1次反射光の受光位置データのみを抽出し、 全ての 走査角度に対して対象物の座標位置を算出してから屈曲点を求めるように しているので、 外乱等による悪影響が少なく、 第 1の実施例に比べ更に高 い精度で屈曲点の座標を検出することができる。
なお、 図 9および図 1 0ではミラ一 1 2を原位置から最大走査角度の側 に向けて揺動する場合の処理について説明してあるが、 ミラー 1 2を最大 走査角度 （揺動限界） から原位置に向けて揺動する場合の処理もこれと略 同様である。 但し、 ステップ T 1の処理でァドレス指標 jにァドレス最大 値 dを設定する点と、 ステップ T 6の処理で指標 jの値をデイクリメント する点、 および、 ステップ T 7における判別基準を最小操作角度とする点、 ならびに、 ステップ T 9の処理で指標 jの値をレジスタ A eに格納する一 方ステップ T 1 4の処理で指標 jの値をレジスタ A sに格納する点が異な る。 従って、 同じ対象物に対して走査を行った場合においては、 ミラー 1 2を原位置から最大走査角度の側に向けて揺動する場合であっても最大走 査角度から原位置に向けて揺動する場合であっても、 ステツプ T 1 5の処 理開始時点における各レジスタの値は全く同一である。
本発明による位置検出方式によると、 受光素子に C C Dを用いた従来の 検出方式と比べ高い分解能の精度で対象物の位置を検出できる。 また、 2 次反射光やノィズ光などによる検出誤差もさけることができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 対象物の位置を検出するレーザセンサにおける位置検出方式において、 受光素子に C C Dを用い、 C C Dの各セルの出力とそのセルの位置の積 和を求めると共に各セルの出力を加算し、 上記積和を上記加算値で除し て受光位置を求めることを特徴とするレーザセンサにおける位置検出方 法。
2 . 上記 C C Dの出力が設定されたしきい値を越えるとリセッ 卜され、 該 しきい値以下になると走査するセル数を計数し設定された値になると出 力を出す手段を設け、 該手段から出力があると上記積和を上記加算値で 除して受光位置を求めると共に上記積和および加算値をリセッ 卜し、 設 定所定間隔における上記しきい値をこえる受光位置を 1以上検出し、 検 出された 1以上の受光位置より、 レーザビームの一次反射光による受光 位置を求めて対象物の位置を検出する請求の範囲第 1項記載のレーザセ ンサにおける位置検出方法。
3 . レーザビームの走査角度を変化させて 1以上の受光位置を逐次検出す ると共に、 2以上の受光位置が検出される直前の走査角度に対応する第 1の受光位置と 2以上の受光位置が検出されなくなつた直後の走査角度 に対応する第 2の受光位置とを記憶し、 上記第 1の受光位置を得る前の 走査角度において得られた 1つの受光位置と上記第 1の受光位置に夫々 対応する対象物位置とを結ぶ第 1の直線と、 上記第 2の受光位置を得た 後に得られた 1つの受光位置と上記第 2の受光位置に夫々対応する対象 物位置とを結ぶ第 2の直線を対象物の位置として検出する請求の範囲第 2項記載のレーザセンサにおける位置検出方法。
. 上記第 1の直線と第 2の直線の交点を求め、 該交点を対象物の屈曲点 として検出する請求の範囲第 3項記載のレーザセンサにおける位置検出 方法。
5 . レーザビームの走査角度を変化させて検出した 1以上の受光位置を逐 次記憶すると共に、 同一走査角度に対応して記憶された 2以上の受光位 置が最も接近する最接近走査角度を検出し、 走査角度の小さい方から上 記最接近走査角度までは小さい値の受光位置を、 また、 上記最接近走査 角度から走査角度最大値までは大きい値の受光位置を一次反射光の受光 位置として検出するようにした請求の範囲第 2項記載のレーザセンサに おける位置検出方法。
6 . 上記一次反射光の受光位置より対象物の位置を求め、 最小走査角度か ら上記最接近走査角度までの上記一次反射光の受光位置で求められた対 象物の位置より第 1の直線を求め、 上記最接近走査角度から走査角度最 大値までの上記 1次反射光の受光位置で求められる対象物の位置より第 2の直線を求め、 上記第 1の直線と第 2の直線の交点を対象物の屈曲点 として検出する請求の範囲第 5項記載のレーザセンサにおける位置検出 方法。
7 . 上記対象物の屈曲点として検出する交点位置は、 溶接またはシーリ ン グを行う位置である請求の範囲第 4項または第 6項記載のレーザセンサ における位置検出方法。
8 . 複数のセルを有し各セルに当たった光の強さに応じて蓄積された電荷 に応じた電圧を出力する C C Dで構成された受光素子と、
ゲート信号を出力した後上記受光素子の各セルを始めから順次走査す るサンプルホールド信号を出力するタイミ ング信号出力手段と、 上記ゲート信号でリセッ 卜されると共に、 上記サンプルホールド信号 を計数し上記受光素子のセル位置の値 x iを出力するセルカウンタと、 上記ゲート信号でリセッ 卜され、 上記サンプルホールド信号で走査さ れた上記受光素子の各セルの出力 C iを順次加算した値∑ C iを得る加 算手段と、
上記ゲート信号でリセッ 卜され、 上記サンプルホールド信号で走査さ れた上記受光素子の各セルの出力 C i と上記セルカウンタから出力され る各セルの位置の値 X i とを掛け合わせ、 それを順次加算した値∑ c i X iを得る積和演算手段と、
上記積和演算手段で得られた値∑ C i X X iを上記加算手段で得られ た値∑ C iで割り受光ビームの重心位置 （∑ C i X X i ) /∑ C iを求 め、 該重心位置を受光位置として出力する割算手段と、
を有することを特徵とするレーザセンサにおける位置検出装置。
. 各セルの出力 C i と設定しきい値 V sとを比較し、 セル出力 C iがし きい値 V s以上のとき出力信号を出力するコンパレ一夕と、
上記コンパレータの出力信号によりリセッ トされ、 該出力信号がなく なると走査するセル数を計数し、 設定値以上になると出力信号を出力し、 上記加算手段， 積和演算手段， 割算手段をリセッ トするカウンタと、 直列に接続され、 上記カウン夕の出力信号で記憶内容を次段にシフト すると共に、 上記割算手段の出力を第 1段に記憶し、 且つ上記ゲート信 号でリセッ 卜されるする複数のラッチバッファと、
上記複数のラッチパッファの記憶データより一次反射光による受光位 置を求める手段とを有する請求の範囲 8項記載のレーザセンサにおける 位置検出装置。
0 . 上記ゲ一ト信号に同期してレーザビームの走査角度を変化させる手 段を備え、 上記一次反射光による受光位置を求める手段は、 レーザビー ムの走査開始後上記複数のラッチバッファより 1つの記憶データしか得 られないときの第 1の受光位置， 2以上の記憶データが得られる直前の 第 2の受光位置、 2以上の記憶データが得られなくなった直後の第 3の 受光位置、 レーザビームの走査による最後に得られた 1つの記憶データ による第 4の受光位置をそれぞれ求める手段を有すると共に各受光位置 を記憶する記憶手段とを備えている請求の範囲第 9項記載のレーザセン ザにおける位置検出装置。
1 . 上記第 1と第 2の受光位置にそれぞれ対応する対象物位置を結ぶ第 1の直線及び上記第 3と第 4の受光位置にそれぞれ対応する対象物位置 を結ぶ第 2の直線を求める手段を有し、 第 1 , 第 2の直線を対象物位置 として検出する請求の範囲第 1 0項記載のレーザセンサにおける位置検 2 . 上記第 1の直線と第 2の直線の交点を対象物の屈曲点として検出す る手段を備える請求の範囲第 1 1項記載のレーザセンサにおける位置検 3 . 上記ゲート信号に同期してレーザビームの走査角度を変化させる手 段を備え、 上記一次反射光による受光位置を求める手段は、 上記複数の ラツチバッファより得られる 2以上の受光位置をそれぞれ記憶する記憶 手段と、 各受光位置が最も接近した最接近走査角度を検出手段を有し、 レーザビームの走査から上記最接近走査角度までは上記記憶手段に記憶 した最も小さい値の受光位置を第 1の一次反射光の受光位置として検出 し、 上記最接近走査角度からレーザビームの走査終了までは上記記憶手 段に記憶した最も大きい値の受光位置を第 2の一次反射光の受光位置と して検出する請求の範囲第 9項記載のレーザセンサにおける位置検出装
Figure imgf000036_0001
1 4. 上記第 1 , 第 2の一次反射光の受光位置より対象物の位置を求める 手段と、
ό 第 1の一次反射光の受光位置より求められる対象物の位置より第 1の 対象物位置の直線と第 2の一次反射光の受光位置より求められる対象物 の位置より第 2の対象物位置の直線とを求める手段と、
上記第 1， 第 2の対象物位置の直線の交点を対象物の屈曲点として求 める手段を有する請求の範囲第 1 3項記載のレーザセンサにおける位置 10 検出装置。
1 5. 上記屈曲点位置は溶接またはシ一リングを行う位置である請求の範 . 1項または第 1 4項記載のレーザセンサにおける位置検出装置。
ί ό
0
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