JPH0324603B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、産業用ロボツトの視覚センサとし
て、あるいは物体の形状、寸法、位置等の検査、
位置決め用非接触センサとして利用されるスポツ
ト光位置検出装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 溶接、塗装、組立、検査等の自動化、無人化の
ために、各種のセンサが使用されている。中で
も、光学方式のものは、測定レンジ、分解能、応
答性、柔軟性あるいは大局的および微視的な計測
ができる等の優位性を他方的のものに比し有して
いるため、注目されている。その代表的な方法
は、固体撮像素子（例えば、CCD素子）やPSD
（POSITION SENSITIVE DETECTOR）をセ
ンサとして用い、スリツト光やスポツト光を被測
定物（ワーク）に投光して、その投光像の特徴点
（例えば、折曲点）等から、ワークの形状や位置
等を計測する方法である。

第１図は、前記方式のものの実施例を示し、第
11回産業用ロボツトシンポジウム（1981年10月東
京で開催）で発表されたものである。図におい
て、１は近赤外LED、２は前記近赤外LED１か
ら光をスポツト光（略円形状の平行光束）に絞る
ためのコリメートレンズ、３はスポツト光を溶接
ワーク４上に投光し、そのスポツト光を走査する
ためのガルバノメータ、５はワーク４上でのスポ
ツト光像で、このスポツト光像５を集光レンズ６
を介して、２次元PSDセンサ７上に結像させる。
周知のように前記２次元PSDセンサ７は、その
上に結像されたスポツト光像５の照度重心に比例
した信号を出力するので、前記２次元PSDセン
サ７面上にＸ−Ｙ軸を設け、前記２次元PSDセ
ンサ７面に垂直な軸をＺ軸とするような座標系を
設定し、前記２次元PSDセンサ７と集光レンズ
６およびガルバノメータ３の位置関係と、スポツ
ト光の投光方向（位置）を決めれば、前記２次元
PSDセンサ７面上のスポツト光像５の位置デー
タからワーク４面上のスポツト光像５の位置を三
角測量の原理で算出できる。したがつて、第１図
のようなワーク４の溶接線８の位置は、前記２次
元PSDセンサ７で検出されたスポツト光像５の
位置データをもとにして、マイコン等で容易に算
出できる。そして２次元PSDセンサ７を用いれ
ば、スポツト光像５の照度重心を自動的に検出し
てくれるのでCCD素子を用いる方法に比し、像
のぼけを気にしなくてもよいし、スポツトの位置
を求めるための細線化処理等の演算が不要なこと
やランダムアクセスであるため高速の検出が可能
である等の利点を有する。

しかしながら、第２図に示すように凹状の形状
をしたワーク４の斜面にスポツト光９を投光する
と、Ｃ点で反射された光がC′点にも像をつくるこ
とになり、前記２次元PSDセンサ７上には、Ｃ
点、C′点に対するＤ点、D′点の像が検出され、前
記２次元PSDセンサ７はＤ点、D′点の照度重心
の位置すなわち、D″点を出力する。検出したい
のは、スポツト光９のＣ点に対するＤ点の位置で
あるのに、このような２次反射の影響からD″点
に偏位し、（Ｄ−D″）分が検出誤差となる。この
量は、斜面の反射状態によつても大きく影響を受
け、２次元PSDセンサ７を利用する場合は、ワ
ーク４の斜面の形状を検出することは困難であ
る。一方、ワーク４が特に厚板の場合は、第３図
に示すように、Ｖ型の開先を取つて溶接をするの
が通例であるが、このとき、開先ギヤツプ巾
（GW）を±0.2mm程度の精度で検出する必要があ
る。

しかし、前記の反射の問題や、この従来例のよ
うにスポツト光９の光源として、近赤近LEDを
使用している場合はスポツト光径として0.7〜1.0
mm程度にしか、光径を絞れないため、開先ギヤツ
プ巾GWを要求精度内で計測することができな
い。このため、２次元PSDセンサ７を使用した
方法では、反射の影響を受けない凸状物体の計測
にしか適用できないことになり、制約が多くかつ
計測精度も十分ではない問題があつた。

発明の目的 本発明は、前記従来例の問題点（反射の問題や
スポツト光の形状）を改善することにより、物体
の３次元的な位置、形状、寸法の測定を可能にす
る視覚センサとしてのスポツト光位置検出装置を
得ることを目的とする。

発明の構成 そのための構成として、本発明はスポツト光を
設定する手段と、前記スポツト光を被測定物に
投光し２次元的に走査する手段と、前記走査に
よるスポツト光の投光方向を検出する手段と、
光学レンズと１次元光電素子を複数個並列に配置
したセンサとで構成したスポツト光像検出手段
と、前記手段の検出データに基き、前記１次元
光電素子を順次選択するセンサ出力選択手段と
を備えたものである。

実施例の説明 以下、本発明の一実施例につき図面第４図〜第
７図に沿つて説明する。

はスポツト光９を設定する手段であつて、発
光部１０と前記発光部１０を制御する回路１１と
前記発光部１０から出力された光をスポツト光に
絞るレンズ１２とから構成される。一例として、
発光部１０は近赤外LEDや半導体レーザやガス
レーザ等を利用するが、半導体レーザ等のレーザ
を利用すれば、近赤外LEDの場合に比し、スポ
ツト光９のスポツトをより小さく絞れ、単一波長
の利点を生かして、干渉フイルタ等による外乱ノ
イズ光のカツトが容易である。レンズ１２はコリ
メートレンズであつて、通常の光学レンズや屈折
率が中心軸から外周面に向つて放射状に分布して
いる円柱状光学ガラスレンズ等を利用する。つぎ
に、はスポツト光を被測定物（ここでは、溶接
ワーク４）上に投光するとともに、スポツト光９
を２次元的に走査する手段であつて、反射鏡１
３，１４と反射鏡１３，１４を回転もしくは揺動
させるための走査機構部１５，１６とから構成す
る。例えば、第４図に示すように、反射鏡１３を
走査機構部１５としてのパルスモータに接続し、
他の反射鏡１４を走査機構部１６としてのACま
たはDCモータに接続し、これらモータを各々の
駆動回路１７，１８により駆動させることによ
り、図で示すように、スポツト光像５をワーク４
上で、２次元的に走査させる。この場合は、パル
スモータをＸ軸方向走査用、ACまたはDCモータ
をＹ軸方向走査用にしている。また各々の走査シ
ーケンスは、Ｙ軸方向の１走査が完了する毎に、
パルスモータを制御して、Ｙ軸方向走査ラインを
Ｘ軸方向に単位長さシフトさせる制御をしてい
る。

また、ここでは、反射鏡１３，１４を回転もし
くは揺動させるためにモータを利用する一例を示
したが、モータ以外の例えば音又の振動の利用等
も有効でこれを制限するものではない。

つぎには前記手段により、スポツト光９を
走査させた時のスポツト光９の投光方向を検出す
る手段であつて、例えば、検知器１９と信号処理
回路２０とにより構成される。そして、第４図に
示すように、Ｙ軸方向走査用の機構部１６（AC
またはDCモータ等）に接続したパルスエンコー
ダもしくはポテンシヨメータ等の検知器１９によ
り、反射鏡１４の回転角度を検出し、回路２０に
より次段の回路２１を制御するために必要な信号
に変換する。なおＸ軸方向走査機構部１５に、サ
ーボモータ等によるサーボ制御を使用する場合
は、当然のことながら走査位置検出制御は必要で
ある。ここでは、パルスモータを使用した例をあ
げたので、パルスエンコーダのような検出器は不
要であり、その走査位置は、予め検知することが
できる。つぎに、はワーク４上に投光されたス
ポツト光像の位置を検出するスポツト光像検出手
段である。これは光学レンズ２２と（タンザク
状）１次元光電素子２３を複数個並列に（横に）
ならべたものとで構成される。１次元光電素子２
３としては、例えば、１次元のイメージセンサや
１次元のPSDセンサ等を用いることができる。
また光学レンズとして、光学フイルタ効果のある
もの、例えば一定の波長の光のみを通す干渉フイ
ルタ効果のあるものを用いると、光ノイズに対し
てＳ／Ｎの高い信号が得られる。つぎに、は前
記手段の出力信号にもとずいて、前記１次元光
電素子２３を順次選択するセンサ出力選択手段で
あつて、アナログ信号マルチプレクサ等の回路２
１により構成される。選択されたPSDセンサの
出力はV₀として出力される。この出力V₀をＡ／
Ｄ変換して、マイコン内に取込めば、各種の計
測、認識処理ができる。

以上のように、特にセンサとして、スポツト光
の投光方向と同期して、１次元光電素子２３が選
択される仕組みになつているため、従来の２次元
PSDセンサを用いたものに比し、反射の影響に
よる検出精度の低下は格段に小さくなる。

さらに実施例につき具体的に説明する。まず、
光源１０として、25mWの半導体レーザ（波長
830nm）を10kHzに変調したものを用い、レンズ
１２としてコリメートレンズを用い、スポツト光
の光径として、0.4φmmに絞り、これを走査機構部
１５，１６としてパルスモータおよびDCモータ
にそれぞれ取付けた反射鏡１３，１４により第５
図に示すような溶接ワーク４上を２次元的に走査
させる。Ｙ軸方向走査用の反射鏡１４の回転角は
5゜で、これはワーク４面上の走査巾にして、約20
mmに相当するものである。また反射鏡１４の回転
角の検出はDCモータに直結した検知器１９とし
てのパルスエンコーダ（4000パルス／Ｔ）にて検
出し、回路２０のエンコーダパルス４倍周波回路
により、0.025゜の分解能で検出する。また回路２
０では、この検出パルスをベースにして、反射鏡
１４の回転角0.5゜毎に、回路２１としてのアナロ
グマルチプレクサに信号を送り、１次元PSDセ
ンサ（１×10mm）を10ケ並べた１次元光電素子２
３のPSDセンサの出力選択を行う。一方、Ｘ軸
走査用パルスモータは、Ｙ軸走査が１回完了する
毎に、0.5゜づつ反射鏡１３を回転させ、これを5゜
周期に制御する。なお、光学レンズ２２には、通
常の凸レンズと800〜850nmの波長の光を85％以
上通す干渉フイルタを組合せて使用した。なお、
第５図において、l₁＝20mm、l₂＝15mm、l₃＝５mm、
l₄＝２mmであり、また反射鏡１４から溶接ワーク
４の平板部までの距離は約150mmであつた。

本実施例により得られた検出データの一例を第
６図ａに示す。波線が実際の開先形状に対応する
基準値であり、黒点が検出データである。なお、
１次元光電素子２３としてのPSDセンサからの
出力は電流信号のためこれを電流電圧変換し、信
号増巾を行い、さらに10kHzのバンドパスフイル
タを介し、Ａ／Ｄ変換してマイコン内に取込み、
１次元PSDセンサ面上でのスポツト光像の位置
信号に変換したものが、この黒点のデータであ
る。これより、開先ギヤツプ巾の検出精度は、±
0.2mm以内にできること、反射の影響がほとんど
なく、開先形状を±0.2mmの精度で検出できるこ
とが明らかになつた。つぎに、第６図ｂは１次元
光電素子２３に従来の２次元PSDセンサを用い
た場合（したがつて、手段およびは不要）の
結果であるが、開先内のスポツト光の反射の影響
により、開先ギヤツプ巾はもちろんのこと、開先
形状の検出もきわめて不正確であることが明白で
ある。

つぎに、第７図は本発明装置を隅肉溶接継手の
溶接開始点２４と溶接線８の検出に応用した例を
示す。従来の１次元走査方式では、この溶接開始
点２４を検出するのに、きわめて繁雑かつ多大の
時間を要していたが、本装置によれば、１回の２
次元スキヤンで、Ｘ軸方向の検出精度２mm、Ｙ軸
方向の検出精度0.4mm精度で検出できた。検出時
間は約２秒であつた。

なお、この場合、溶接開始点２４を検出してか
らは、ＸとＹ軸方向の走査巾を半分以下にし、検
出時間の短縮を図つている。

発明の効果 以上のように本発明によれば、如何なる形状の
物体でも、２次反射の影響をほとんど無視できる
くらい低減でき、かつ半導体レーザによるスポツ
ト光径の小径化や干渉フイルタ等による光ノイズ
カツト効果により、きわめて正確な物体の３次元
位置、形状、寸法等の計測が可能となる。また、
２次元走査機能により、２次元的な距離情報を得
ることができ、溶接開始、終了点、コーナ点等の
検出も大巾に高速化されることになる。また本装
置とマイコン等の制御回路とを組み合わせること
により、高性能、高信頼、低コストの産業用視覚
センサを構成できる優れた効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の３次元物体検出方法の例を示す
説明図、第２図および第３図は同従来例の２次反
射の影響を示す説明図、第４図は本発明の一実施
例におけるスポツト光位置検出装置の説明図、第
５図はワークの斜視図、第６図ａ，ｂはそれぞれ
開先形状の結果を示す特性図、第７図は隅肉溶接
継手の溶接開始点の検出例を示す斜視図である。 ４……溶接ワーク、８……溶接線、９……スポ
ツト光、１０……発光部、１１……回路、１２…
…レンズ、１３，１４……反射鏡、１５……Ｘ方
向の走査機構部、１６……Ｙ方向の走査機構部、
１７，１８……駆動回路、１９……検知器、２０
……信号処理回路、２１……回路、２２……光学
レンズ、２３……１次元光電素子、２４……溶接
開始点、……スポツト光を設定する手段、…
…スポツト光を２次元的に走査する手段、……
スポツト光の投光方向を検出する手段、……ス
ポツト光像検出手段、……センサ出力選択手
段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ スポツト光を設定する手段と、前記スポツ
   ト光を被測定物に投光し２次元的に走査する手段
   と、前記走査によるスポツト光の投光方向を検
   出する手段と、光学レンズと１次元光電素子を
   複数個並列に配置したセンサとで構成したスポツ
   ト光像検出手段と、前記手段の検出データに
   基き、前記１次元光電素子を順次選択するセンサ
   出力選択手段とを備えたスポツト光位置検出装
   置。 ２ スポツト光を設定する手段が、半導体レー
   ザとコリメートレンズとで構成されている特許請
   求の範囲第１項記載のスポツト光位置検出装置。 ３ スポツト光を２次元的に走査する手段が、
   反射鏡とその反射鏡を回転もしくは揺動させる機
   構部とで構成されている特許請求の範囲第１項記
   載のスポツト光位置検出装置。 ４ スポツト光像検出手段の１次元光電素子
   が、PSDセンサである特許請求の範囲第１項記
   載のスポツト光位置検出装置。 ５ スポツト光像検出手段の光学レンズが、光
   学的フイルタ作用のあるレンズである特許請求の
   範囲第１項記載のスポツト光位置検出装置。