JPS60241177A

JPS60241177A - 形状認識装置

Info

Publication number: JPS60241177A
Application number: JP59098287A
Authority: JP
Inventors: Akiro Sanemori; 実森　彰郎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-05-16
Filing date: 1984-05-16
Publication date: 1985-11-30

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕この発明は、超音波を用いて対象物体の三次元形状を認
識する様にした形状認識装置に関するものである。

〔従来技術〕

従来よシ各種のロボット等に用いる視覚センサとして、
ＴＶカメラを用いて像を取多込み、これよシ得られる情
報を処理するｔとによシ、対象物体の形状を認識する様
にした方式のものが開発されている。しかるに、上記Ｔ
Ｖカメラて得られる情報扛、対象物体の形状を示す二次
元情報でしかなく、このため、対象物体の三次元形状を
認識するには、特殊力照明を行ったり、２台のＴＶカメ
ラを設けて各々よシ得られる像の相互関係を調べる様に
しておシ、この結果、使用条件が限定されたシ、装置自
体が複雑になると共に、対象物体の形状の認識のための
処理時間が長くなるなどの実用上の欠点があった。

〔発明の概要〕

この発明は、上記の様な従来のものの欠点を改善する目
的でなされたもので、対象物体の形状を示す情報を得る
手段としてチャープ超音波を用い、このチャーブ超音波
の対象物体からのエコーを検出し、増幅、処理すること
により、簡単な構成で、かつ高速に対象物体の三次元形
状を認識することができる様にした形状認識装置を提供
するものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例である形状認識装置を示す
ブロック構成図である。図において、１祉定周期ごとに
チャープ信号を発生するチャープ信号発生器、２はチャ
ープ信号で駆動され、対象物体４の方向ｒｃ超音波を発
射すると共に、対象物体４刀）らのエコーを検出する超
音波トランスジューサ、３はテーブル、４扛テーブル３
上Ｋｉｔかれた対象物体、５は超音波トランスジューサ
２が検出したエコー信号を増幅する増幅器、６は増幅器
５の出力に対して検波（ＡＭ検波）する検波器、７は、
検波された信号を処理し、対象物体４の形状を判定する
信号処理装置でるる。

＠２１Ｗは、第１図の形状認識装置で用いるチャープ信
号についての説明図である。

次に、上記第１図に示すこの発明の一実施例である形状
認識装置の動作について説明する。まず、チャープ信号
発生器１では、所定の繰シ返し周期でチャープ信号が発
生される。このチャープ信号とは、第２図（ａ）に示す
様に、所定の時間Ｔの間、周波数がｆｌからｆ２へ直線
的に掃引されたＦＭ波であり、例えば第２図（ｂ）に示
す様な波形の信号である。この信号は、レーダにおける
パルス圧縮にも用いられる周知の信号で６Ｊ、次式で表
わされる。

ここで、’９１ｒｌ＝２ｇｒ、　ｌ　ｗ、＝＝２ｚｆ２
　ａ　＆＝定数（係数）である。上記信号は、超音波ト
ランスジューサ２へ与えられ、この超音波トランスジュ
ーサ２から超音波が発射される。チャープ信号発生器１
と超音波トランスジューサ２との間に杜、必要に応じて
図示されないパワー・アンプを挿入する。・超音波トラ
ンスジューサ２＃：ｔ、これよ多発射される超音波がテ
ーブル３上に置かれた対象物体４の真上から当る様な配
置になっている。超音波は、テーブル３．対象物体４０
表面で反射され、超音波トランスジューサ２にもどって
来る。今、対象物体４は、第１図に示す様に超音波を反
射する面が一つであシ、テーブル３からの高さがＸであ
る場合には、テーブル３及び対象物体４の上面からの反
射波は、それぞれ次式で表わされる。

ｅｏ　＝＝　ａ。、、ｊｌ　・（ｔ−−−）＋　ｗｌ　
）・ｔ・・・（２）Ｔ　ｅｅＨ＝ａＨ−ｔ”−・（ｔ−””　十”）　＋Ｗｌ　）
・ｔＴ　ＣＣ・・・（３）ここで、Ｃは音速、ｈは超音波トランスジューサ２のテ
ーブル３からの高さである。また、’ＤＩＩＬＩは、そ
れぞれテーブル３及び対象物体４の超音波の反射程度を
表わす反射面の定数（係数）である。

上記両反射波は互いに干渉して超音波トランスジューサ
２に達し、次の信号が検出される。

ｅ　””　ｅｏ　＋　ＪＷ、　−ｗ。

×出（（Ｔ　ｔ＋ｗ１）を十ψ）　・−（４）この信号
は、増幅器５で増幅された後、検波器６で検波される。

すると、上記（４）式より、次の信号が抽出される。

上記（５）式は、使用するチャープ信号の特性（ｗｌ。

町、Ｔ）を決めれは、各反射面の定数＆（１、＆、と対
象物体４の高さＸによって定まる時間の関数である。一
般に、第３図に示す様に対象物体４０反射面がｎ４ｍあ
る場合は、次式による信号が抽出される。

Ｗ、　−Ｗ、　＊ ×画（（−ｔ　＋ｗ、　）　ｔ−ψ）　・・・（６）ｌ
０＝０である。

この場合も、各反射面の定数ａＯｒ　ａｌ　＋　’ｔ　
＋・・・ａｎ及びテーブル３と対象物体４の各反射面と
の距離ｘＩ。

”ｔ　ｗ・・・ｘｎによって定まる時間の関数となる。

したがって、対象物体４の形状に対応した波形の信号が
検波器６の出力として得られる。第４図（ａ）〜（ｉ）
は、上記波形の信号の実例を示している。第４図（ａ）
〜（ｉ）に示す波形の信号は、第５図（ａ）〜（ｉ）に
示す様な形状を有する対象物体４に対応するものでおシ
、これらの対象物体４はいずれも円柱から構成されてお
り、上面から目視しただけでは容易に区別することが難
しいものである。上記した各信号は、信号処理装置７に
よシ処理され、各々の対象物体４の形状が認識される。

第６図は、第１図の形状認識装置における信号処理装置
を詳細に示すブロック構成図である。図において、７１
はＡＤＯ（アナログ−ディジタル変換器）、７２はディ
ジタル化された信号を一時的に保持するバッファメモリ
、７３はバックアメモリ７２の内容を最大値で正規化す
るための正規化演算器、７４は対象物体４の形状に対応
する波形のパターンを記録しておくためのパターン記録
用メモリ、７５は、パターン記録用メモリ７４のパター
ンと、正規化演算器７３の出力信号とを比較する比較器
、７６は、比較器７５の結果によシ、対象物体４の形状
を判定する判定器である。さて、第６図に示す様な信号
処理装置において、検波器６の出力はＡＤＣ７１によシ
所定のサンプリング周期でディジタル値に変換されたデ
ータとなシ、このデータはバッファメモリ７２に記憶さ
れる。

上記データは、正規化演算器７３で最大値がサーチされ
、これによシ正規化される。この結果、形状認識装置の
動作モードによって、パターン記録用メモリ７４か比較
器７５かに送られる。パターン記録用メモリ７４へ送ら
れるのは、教示モードの場合であって、形状認識を行わ
せるに先立って、対象物体４の形状と検出パターンとの
対応付けを、オペレータの判断を介して行わせる。すな
わち、オペレータは、対象物体４をテーブル３上に置き
、図示しないコントローラの教示ボタンを押下する。

このタイミングで正規化演算器７３の出力が、パターン
記録用メモリ７４に入力されて記録される。

一方、正規化演算器７３の出力が比較器７５に送られる
のは認識動作モードの場合であって、あらかじめ教示モ
ードで、パターン記録用メモリ７４に記録した内容と比
較し、対象物体４がどの物体形状に相当するかを判定す
る。すなわち、対象物体４がテーブル３上に置かれると
、このタイミング（この発明とは直接関係しない何らか
の方法で図示されないコントローラに与えられる）で、
正規化演算器７３の結果が比較器７５に送られると共に
、パターン記録用メモリ７４に記録されているパターン
が、次々と比較器７５に与えられて両者は比較される。

この比較結果は、判定器７６に与えられ、一致したもの
があればそれに対応する形状の信号を出力する。

上記実施例では、信号処理装置７において、ＡＤＣ７１
の直後にバッファメモリ７２と正規化演算器７３を設け
た構成としたが、増幅器５をピーク値によるＡＧＣ（自
動利得）増幅器（第７図の５１を参照）となし、この増
幅器に正規化演算機能を持たせることもできる。この様
な構成とすると、バッファメモリ７２社必ずしも必要で
はなくなる。

第７図はこの発明の他の実施例である形状認識装置を示
すブロック構成図である。纂７図に示される構成のもの
では、教示モードの場合の時のみ信号をＡＤ変換してデ
ィジタル・データとして記録し、認識動作モードの場合
には、信号をアナログ波形で比較２判定して高速動作を
行う様にすると共に、装置自体を簡素化できる。図につ
いてその動作を説明する。まず、コントローラ８よシチ
ャープ信号発生器ＩＫ指令が与えられてチャープ信号が
発生される七、超音波トランスジューサ２よシ対象物体
４．テーブル３に向けてチャープ超音波が発射され、こ
れら対象物体４．テーブル３かものエコーが超音波トラ
ンスジューサ２で検出される。このエコー線、ピーク値
によるＡＧＣ増幅器５１で増幅されるが、このＡＣ，Ｃ
増幅器５１では、エコーの始まシからチャープ信号の時
間Ｔの間のピーク値が検出され、これが所定の値に満た
なければＡＧＣ増幅器５１のゲインが上げられ、所定の
値を超えればゲインが下げられる。コントローラ８から
は一定時間間隔ごとにチャープ信号発生器ｌに指令を与
えているので、上記した庇動作が繰９返えされ、このた
め、エコーのピーク値は所定の値になり正規化されたエ
コーが得られる。このエコーは検波器６で検波されて信
号処理回路７に入力される。信号処理装置７では、教示
モードにおいては、入力信号はＡＤＣ７１によルデイジ
タル・データに変換され、パターン記録用メモリ７４に
記憶される。認識動作モードにおいては、検波器６から
送られて来る入力信号は比較器７５に入力される。一方
、パターン記録用メモリ７４の内容は、入力信号と同じ
タイミングで読み出され、ＤＡＣ（ディジタル−アナロ
グ変換器）７７でアナログ・データに変換されて比較器
７５に入力される。比較器７５では、上記両者を比較し
てその結果を判定器７６に送り、この判定器７６は対応
する形状であるか否かを判定する。パターン記録用メモ
リ７４からの読み出しは、各形状に対応するデータを超
音波の送受信動作に合わせ、逐次に更新して行き、逐次
に比較を行うことにより、アらかじめ記録した対象物体
４の形状すべてにわたって処理できる。またこれは、ノ
（ターン記録用メモリ７４．ＤＡＣ７７、比較器７５を
、あらかじめ記録した対象物体４の形状すべてについて
並列に動作する様に構成することもできる。比較器７５
杜減算回路と積分回路とにより簡単に構成できる。

また、信号処理装置７は、ＡＤＣ７１と図示されないマ
イクロコンピュータとで構成することができ、これによ
シ、処理速度は少々下るが、融通性に富んだ装置を得る
と七ができる。

また、上記実論例では、超音波トランスジューサ２を送
信用と受信用とに兼用した場合について説明したが、そ
れぞれ別個の２個の超音波トランスジューサを用いて、
送、受信を分離して行っても良いことは云うまでもない
。

ところで、上記（６）式を見て分かる様に、受信された
エコーの波形は対象物体４の形状に関する情報を含んで
いるが、一対一の対応がついているわけで紘無い。実用
的には、対象物体４の形状が限定されていれば問題がな
い。すなわち、対象物体４とエコーの波形との間には一
対一の対応がつく。

しかし、対象物体４の形状の種類が多くなると、この条
件が成立しなくなる場合がある。この場合に社、第８図
に示す様に、２方向以上のエコーを得て、これらを処理
することによって判定ができる。第８図に示す様に、２
１．２２は超音波トランスジューサであシ、各々がチャ
ーブ超音波を対象物体４に向けて発射すると共に、対象
物体４からのエコーを検出する。この検出した信号は、
各々独立した増幅器５２．５３で増幅され、それぞれ検
波器６１．６２で検波された後に信号処理装置７で処理
される。

また、チャープ信号発生器ｌから発生されるチャープ信
号の定数でちる一１町、Ｔを定めると、これによシ、対
象物体４の形状情報の得られる対象物体４の寸法に範囲
ができるので、信号処理装置７での処理結果によシ、チ
ャープ信号発生器ｌの周波数掃引範囲を制御し、上記各
定数を変更して対象物体４の形状の範囲を広げることも
可能である。

また、上記実施例では、空気中に置かれた対象物体４の
形状の認識を行う場合について説明したが、これ以外に
、超音波探傷装置において、被探傷物体の欠陥の形状を
認識する場合にも十分に適用ができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した様に、形状認識装置において、
対象物体の形状を示す情報を得る手段としてチャーブ超
音波を用い、このチャープ超音波の対象物体からのエコ
ーを検出し、増幅、処理する様に構成したので、極めて
簡単な構成で、かつ高速に対象物体の三次元形状を認識
することができ、特に、対象物体の奥行き方向の形状の
認識に対して、高い感度と信頼性を有する形状認識装置
が得られるという優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である形状認識装置金示す
ブロック構成図、第２図は、第１図の形状認識装置で用
いるチャーブ信号についての説明図、第３図は、第１図
の形状認識装置の動作原理を説明するための図、第４図
（→〜（ｉ）は、第１図の形状認識装置における検波器
の各出力波形図、第５図（嚇〜（ｉ）は、第４図の検波
器の各出力波形を得るだめの各種の対象物体の実例を示
す図、第６図は、第１図の形状認識装置１ｔＫおける信
号処理装置を詳細に示すブロック構成図、第７図及び第
８図は、それぞれこの発明の他の実施例である形状認識
装置を示すブロック構成図である。図において、ｌ・・・チャープ信号発生器、２．２１゜
２２・・ｆｆｌ音波トランスジューサ、３・・・テーブ
ル、４−・・対象物体、５．５２．５３・・・増幅器、
６，６１゜６２・・・検波器、７・・・信号処理装置、
８・・コントローラ、５１・・ＡＧＣ増幅器、７１・・
ＡＤＣ（アナログ−ディジタル変換器）、７２・・バッ
ファメモリ、７３　・正規化演算器、７４・・パターン
記録用メモリ、７５・・比較器、７６・・・判定器、７
７・・・ＤＡＣ（ディジタル−アナログ変換器）である
。なお、各図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。代理人　大岩増雄第１図第　２因第３図一日コ〜２＝；：＝第４図第４図第　６因手続補正書（自発）２１発明の名称形状認識装置３、補正をする者代表者片山仁へ部４、代理人住　所　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機
株式会社内５、　補正の対象明ｉ、＠書の「発明の詳細な説明」の欄６、補正の内容（１）明細書第１０貞第４行目の「この結果、」を「こ
の結果は、」と補正する。（２）同書第１２頁第２０行目の「回路７」を「装置７
」と補正する。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　チャープ信号を発生するチャープ信号発生器と
、このチャープ信号発生器よ多発生されたチャープ信号
で駆動され、対象物体に向けてチャープ超音波を発生す
る送信用超音波トランスジューサと、この送信用超音波
トランスジューサよ多発生されたチャープ超音波の対象
物からのエコーを検出する受信用超音波トランスジュー
サと、この受信用超音波トランスジューサにより検出さ
れた信号を増幅する増幅器と、この増幅器によシ増幅さ
れた信号を検波する検波器と、この検波器によシ検波さ
れた信号を処理し、前記対象物体の形状を認識する信号
処理装置とから構、成されることを特徴とする形状認識
装置。
（２）前記送信用超音波トランスジューサと前記受信用
超音波トランスジューサとは、一つの超音波トランスジ
ューサで構成されることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の形状認識装置。
（３）　前記信号処理装置は、ＡＤ変換器、バッファメ
モリ、正規化演算器、パターン記録用メモリ、比較器及
び判定器よ多構成されることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の形状認識装置。
（４）　前記増幅器は、前記対象物体からのエコーの最
大値を一定値に保つ様なＡＧＣ機能を持つ構成としたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の形状認識装
置。
（５）前記信号処理装置は、ＡＤ変換器、バッファメモ
リ、パターン記録用メモリ、比較器及び判定器よ多構成
されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の形
状認識装置。
（６）　前記信号処理装置は、ＡＤ変換器とマイクロコ
ンピュータによ多構成されることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の形状認識装置。
（７）　前記チャープ信号発生器扛、その周波数掃引範
囲が、前記信号処理装置の指令にょ９、変更できる様に
構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の形状認識装置。
（８）　前記超音波トランスジューサ、前記増幅器及び
前記検波器は、２組以上備えた構成としたことを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の形状認識装置。