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    公开号:WO1990007690A1
    申请号:PCT/JP1986/000033
    申请日:1986-01-28
    公开日:1990-07-12
    发明作者:Toshimitsu Suyama；Yasutomo Fujimori
    申请人:Toshimitsu Suyama；Yasutomo Fujimori；
    IPC主号:G06T7-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 香
    [0002] 三次元位置セ ンサ及び三次元位置設定システム 技術分野
    [0003] この発明は 、 例えば加工 口 ッ ト等によ る加工物 への三次元の加工、 組立において、 非接触で加工物へ のセ ンサ本体の相対位置及びセ ンサ本体の加工物への 傾斜角度を計測する こ と のでき る三次元位置セ ンサに 関する と共に 、 この三次元位置セ ンサを用いて ロ ッ ト等に加工、 組立姿勢を教示するための三次元位置設 定シ ス テ ムに関する 。
    [0004] 背景技術
    [0005] 例えば、 製造ラ ィ ンにおける製品の組立て工程や 材料の切断工程および加工工程等に設置される産業用 ロ ポ ッ ト においては、 実際に稼働させるま えに ロ ポ ッ ト に対 して作業へッ ドの移動経路および動作手順を三 次元的な被加工物の形状に即して教え込む必要がある。 こ の作業へ ッ ドの三次元動作を教え込む作業はテ ィ ー チ ング と呼ばれている 。 こ のテ ィ ーチ ングは従来よ 一般に作業者の手動操作によ ] 行なわれている 。 例え ば、 C02 レーザ切断ロ ポ ッ ト にテ ィ ーチングを行な う 場合は 、 作業者がテ ィ 一チ ング ペン ダ ン ト を操作しな が ら加工へ ッ ドを対象物と しての ワーク表面に描かれ たけがき線の教示点に接近させる 。 しかるのち上記教 示点に対 し加工へ ッ ドの三次元位置が所定の相対位置 関係となる よ うに位置設定される 。 このと き の上記三 次元位置情報を記憶させる こ とに よ ])ティ ーチングが 行なわれている 。
    [0006] 最近ではテ ィ 一チ ング作業の能率向上のために、 例えば加工へッ ドの近傍に配置された磁気セ ンサが用 いられている 。 この磁気セ ンサによ ]) ワ ークに生じた 渦電流の大きさが検出され、 その検出値から加工へッ ト，と ワ ーク表面との距雔が算出される 。 この算出綜杲 に基いて ワークに対する加工へッ Pの対向距離を設定 する こ とが行なわれている 。
    [0007] と ころが 、 こ の よ う な従来のテ ィ 一チ ング作業は、 作業者が教示点に対する加工へツ ドの三次元位置を直 接目視しなが ら行なわれている 。 このため、 テ ィ ーチ ングに手間と時間とが必要とな ] 、 しかも正確な位置 設定を行なうためには熟練を要する という欠点がある。
    [0008] また、 磁気セ ンサなど従来のセ ンサを備えた位置 設定装置を使用した場合は、 ワ ークに対するへ ： X ドの 対向距離については確かに簡単に設定する ことができ る 。 しかしなが ら、 磁気セ ンサは検出面積が大き いた め、 ヘ ッ ドの微少領域に対する ワ ーク の対向距離の測 定精度が低 く 、 またワークに対する加工へッ Pの対向 姿勢については以前と して作業者の目視設定に頼らざ るを得ず、 ティ ーチング能率および精度の大幅な向上 は望めなかった。 この発明は上記した事情に鑑みてなされたも ので、 この発明の目 的は加工物へのセ ン サ本体の位置及び加 ェ物へのセ ンサ本体の傾斜角度を非接触で精度よ く検 出する こ とのでき る三次元位置セ ンサを提供する こ と である 。 また、 この発明の別の目的は、 上記した三次 元位置セ ン サを用いて、 ロ ^ ツ ト等に短時間に しかも 熟練を要する こ とな く正確に教示する こ とのでき る三 次元位置設定シ ス テ ムを提供する こ とである 。
    [0009] 発明の開示
    [0010] この発明に係る三次元位置セ ンサは、 上記目的を 達成するため、 対象物上に表示された位置設定点に対 する三次元位置及び姿勢を検出する も のであって、 セ ンサ本体と ； 対象物上に斜方投光し、 少な く と も三角 形の頂点を構成する複数の輝点を対象物の表面上に形 成させる投光手段と ； 投光手段に よ ] 対象物上に形成 された輝点と 、 対象物上に表示された位置設定点と 、 対象物の表面とを含んだ像を撮像する撮像手段と ； こ の撮像手段によ 撮像された輝点と位置設定点とを電 気的に読み取 、 位置設定点に対するセ ンサ本体の三 次元位置及び姿勢を検出する画像処理手段とを具備す る こ と を特徵と している 。
    [0011] ま た、 この発明に係る三次元位置設定シ ス テムは、 対象物上に表示された位置設定点に対するへッ ドの三 次元位置及び姿勢を検出 し、 へ ッ ドを任意に位置設定 に対向させる ことのできるも のであ って、 へッ ドに設 けられ、 対象物上に斜方投光し、 少な く と も三角形の 頂点を構成する複数の輝点を対象物の表面上に形成さ せる投光手段と 、
    [0012] へ ： y ドに設け られ投光手段によ u対象物上に形成 された輝点と 、 対象物上に表示された位置設定点と対 象物の表面とを含んだ像を撮像する撮像手段と ；
    [0013] この撮像手段によ ] 撮像された輝点と位置設定点 とを電気的に読み取 、 位置設定点に対するへ ッ ドの 三次元位置及び姿勢を検 する画像処理手段と ；
    [0014] この画像処理手段で検出 した位置設定点に対する へッ ドの三次元位置及び姿勢の情報を記億する記億手 段と ；
    [0015] この記憶手段に記憶された情報を読み出 して、 こ の情報に基づいてへッ ドを位置設定点に所定の三次元 位置及び姿勢で対向させる駆動手段とを具備する こと を特徵と している 。
    [0016] 図面の簡単な説明
    [0017] 第 1 図はこ の発明に係る三次元位置セ ンサ及び三 次元位置設定システ ムが採用される 口 ッ ト のヘ ッ ド 部分を示す斜視図、 第 2 図は三次元位置セ ンサの構成 を示す斜視図、 第 3 図および第 4 図はテ ィ ーチングへ ッ ドの構成を示すも ので、 第 3 図は第 2 図の III - 1線 に沿って切断して示す断面図、 第 4 図は第 3 図の 線に沿って切断して示す断面図、 第 5 図は画像処理回 路の構成を示すブ tt ツ ク図、 第 6 A図及び第 6 B 図、 第 7 A図及び第 7 B 図および第 8 A 図及び第 8 B図は それぞれ作用説明に用いるためのも ので、 各第 6 A図、 第 7 A図、 第 8 A図はヘ ッ ドと ワ ーク と の位置闋係を 示す断面図、 各第 6 B 図、 第 7 B 図、 第 8 B 図は画像 表示器の表示画像を示す正面図、 第 9 A図乃至第 9 C 図はそれぞれ画像信号の形態を示す線図、 第 1 0 図は 効果の説明に用いる従来の基準位置マーク よび輝点 の配置の一例を示す正面図、 第 1 1 A 図及び第 1 1 B 図はそれぞれへジ ドと ワ ーク と の位置閧係を示す断面 図及び画像表示器の表示画像を示す正面図、 第 1 2 図 は、 第 4 図と同様の断面において本発明の第 2 の実施 例を示す断面図、 第 1 3 図は第 3 の実施例の三次元位 置セ ンサを示す正面図 、 第 1 4 図はテ ィ ーチ ングへ ッ の縦断面図、 第 1 5 図は第 1 4 図の XV - XV線に沿 つて切断して示す断面図、 第 1 6 A図及び第 1 6 B 図 はそれぞれ第 3 の実施例の作用を説明するための断面 図及び正面図、 第 1 7 図は、 第 4 の実施例の三次元位 置セ ンサを示す第 4 図と同様の断面における断面図、 第 1 8 図は、 第 1 7図の X tt - XVi線に沿って切断して 示す断面図、 第 1 9 図及び第 2 0 図はそれぞれ第 4 の 実施例の作用を説明するための断面図及び正面図、 第 2 1 図は、 こ の発明に係る三次元位置設定システムの —実施例の全体の構成を示す斜視図、 第 2 2 A図、 第 2 2 B 図及び第 2 3 図は三次元位置設定システムの作 動原理を説明するための図、 第 2 4 図は画像表示器 7 の表示画面を示す正面図、 第 2 5 図はテ ィ ーチング処 理動作を示す流れ図、 第 2 6 図は、 他の実施例の三次 元位置設定システ ムのテ ィ 一チ ング処理動作を示す流 れ図、 第 2 7 図はステ ッ プ Q 1 7 のサ ブルーチ ンを示 す流れ図、 第 2 8 図はステ ッ プ Q I S のサブルーチ ン を示す流れ図、 そして第 2 9 図は画像表示器を用いな い実施例におけるテ ィ 一チ ング処理動作を示す流れ図 乙ある 0
    [0018] 発明を実施するための最良の形態
    [0019] 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。 第 1 図は本発明によ る三次元位置セ ンサ及び三次 元位置設定シ ステ ムを備えた切断用ロ ッ 卜 のへ ッ P 部分の構成例を示すも のである。
    [0020] 第 1 図において、 参照符号 J はへッ P本体を示し ている 。 このへ ッ ト *本体 J の一方の取付け面には、 レ 一ザ加工へッ ド 2が取着されてお ]3 、 また他方の取付 け面にはテ ィ ーチングへ ッ ト♦ 3が取着されている 。 ま た 、 このへ ッ ト *本体 J は 口 ッ ト 了ー ム 4 に対し回動 機構 6 を介して回動可能に連結されている 。 へ ッ ド本 体 J を回動機構 6 を介して回動させる こ とによ ！） 、 テ ィ ーチング時にはテ ィ ーチ ングへ ッ ド 3 を対象物と し ての ワ ーク 9 表面に対向させ、 切断時にはレーザ加工 へ ッ ド 2 をワーク S 表面に対向させる こ とができ る よ うにな つている 。
    [0021] 第 2 図は本一実施例の三次元位置セ ンサ及び三次 元位置設定システ ム全体の構成例を概略的に示すも の こ め 0
    [0022] 即ち、 三次元位置設定システ ムは、 第 2 図に示す よ うに、 テ ィ ーチ ングへ ッ ド 3に取付けられてお ] 、 このティ ーチ ングへッ ド 3内に設けられた詳細を後述 する撮像器 3 5 と 、 こ の撮像器 3 5 に よ 撮像された 画像を表示する画像表示器 τ と 、 こ の画像表示器 7 に 基準位置 ター ンを表示させる基準位懂 タ ーン発生 回路 S と 、 ワ ーク に対するテ ィ ーチ ングへ ッ ド 3 の 対向距離および対向姿勢を設定するための辉点の画像 信号と照明等の背景光の画像信号が混合した画像信号 から輝点の画像信号を分離して位置を計測する画像処 理回路 S a とを傭えている 。
    [0023] 上記ティ一^ ングへ ッ ド 3 はへ ッ ド筐体 3 0 と 、 こ のへ ： 筐体 3 0 内に設けられた 4個の投光器 3 1 〜 3 4及び、 撮像器 3 5 及びワ ーク の表面を照明する 照明器 3 を備えてお ] 、 その構成は第 3 図及び第 4 図に示すよ うにな つている 。
    [0024] つま ] 、 各投光器 3 1 〜 3 4 はそれぞれ半導体レ 一ザ装置 3 1 & 〜 3 4 a と反射鏡 3 1 b 〜 3 4 b とを 傭えている 。 半導体レーザ装置 3 1 Λ 〜 3 4 * はへ ッ ド筐体 3 0 の内壁面に等間隔を 存して配設固定され、 またへ ッ ト *镜 3 1 b 〜 3 4 b はへ ッ P筐体 3 0の先端 部位に半導体レーザ装置 3 1 & 〜 3 4 a か らのレーザ 光がワ ーク に反射でき る よ うに保持体 31 c 〜 3 " によ ] 固定されている 。 これらの投光器 3 1 〜 3 4は 半導体レーザ装置 » 〜 3 4 *か ら発生するレーザ 光を反射鏡 3 1 b 〜 3 4 b でそれぞれ反射してワ ーク の表面に投光し、 これによ ] ワーク S の表面上に辉 点を形成 している 。 投光器 3 J は第 2 図に示すよ う に、 距雔設定用の輝点 S 1 を、 また他の投光器 3 2 〜 3 4 は姿勢設定用の輝点 S 2 〜 S 4 をそれぞれ形成する 。
    [0025] —方、 撮像器 3 5 は固体撮像素子 3 5 a を使用し た固体撮像素子カメ ラから構成されている 。 この撮像 器 3 5 はへッ ド筐体 3 0 内の中央部にカメ ラ保持体
    [0026] 3 S b によ D固定されている 。 この撮像器 3 5 はヮー ク 9の表面に上記各投光器 3 J 〜 3 4 によ ！）形成され た輝点 S 1 〜 S 4 および ワーク の表面に予め表示さ れたけがき線 K上に教示点 Pをそれぞれ撮像するも の である 。 また、 ワーク 9 の表面を照明する複数個の照 明器 3 S はへ タ ド筐体 3 0 の先端部位に保持体 3 6 a によ ] 固定されている 。
    [0027] 尚、 3 7 は防廛用の光フ ィ ル タ 、 3 β はテ ィ ーチ ングへッ ト， 3 をへッ 本体 J に取付けるための取付部 材である 。
    [0028] 基準位置 タ ー ン発生回路 S はワーク 9 に対する へッ ドの対向距離を設定するために使用する第 1 の基 準位置マーク と ワーク に対するへ ッ ドの姿勢を 設定するために使用する 3 個の第 2 の基準位置マーク M 2 〜 M 4 とをそれぞれ発生している 。 この基準位置 タ ー ン発生回路 S に よ ] 、 これらの各基準位置マー ク M 1 〜 M 4 はそれぞれ第 2 図に示すよ うに画像表示 器 7 の表示画面上の所定の位置に撮像器 3 5 からの撮 像画像信号に重畳 して表示される 。
    [0029] 画像処理回路 S a は撮像器 3 5 からの撮像画像信 号によ 前記輝点 S 1 〜 S 4 の画像表示器 7 における 位置を検出する も ので、 その詳細を第 5 図によ ])説明 する 。
    [0030] 第 5 図は画像処理回路 S a のプ ロ ッ ク構成例を示 すも のである 。 第 5 図において、 参照符号 4 0 は撮像 器 3 5 から画像を取出すための画面水平位置を決める 基準と してのク 口 ッ ク信号を発生するク 口 V ク信号発 生器、 参照符号 4 J は表示画面上の走査線の数をカ ウ ン ト し画面垂直位置を決める基準と しての水平同期信 号を発生する水平同期信号発生器、 参照符号 4 2 は画 面数をカ ウ ン トする垂直同期信号を発生する垂直同期 信号発生器をそれぞれ示している 。 これらから出力さ れるク ロ タ ク信号、 水平同期信号及び垂直同期信号は 撮像器 3 5 に入力される よ う になっている。
    [0031] ま た、 参照符号 4 S は上記ク ロ ッ ク信号、 水平同 期信号及び垂直同期信号が入力される画像メ モ リ 力 ゥ ンタ を示 している 。 この画像メ モ リ カ ウ ン タ 4 S は画 像信号をデ ィ ジタ ル化したとき に記憶すべき メ モ リ の ァ ド レ スを決めるためのも のである 0 また参照符号
    [0032] 4 は上記ク ロ ツ ク信号、 水平同期信号及び垂直同期 信号が入力される画像メ モ リ ダ ウ ンカ ウ ン タを示して いる 。 この画像メ モ リ ダ ウ ン カ ウ ン タ 4 9 は後述する 画像メ モ リ 5 1 からデー タを読み出すア ド レ スをカ ウ ン トするための も のである 。
    [0033] 更に、 参照符号 5 0は撮像器 3 5 からの画像信号 とその画像信号のァ ド レスが画像メ モ リ カ ウ ン タ 4 8 か ら入力されるアナ ログ · デ ジタ ル変換器を、 参照符 号 5 J はこ のアナ ロ グ ' デジタ ル変換器 5 0から出力 されるデ 'クタ ル信号を後述する コ ン ピ ュ ー タ 5 2 から の書き込み信号 5 2 b に よ 画像メ モ リ カ ウ ンタ 4 8 で指定されるァ P レスに記憶され且つ後述する コ ン ビ ユ ータ 5 2 からの読み出し信号 5 2 * によ ] 画像メ モ リ ダ ウ ン カ ウ ン タ で カ ウ ン ト されたア ド レスに対 応するデータが読み出される画像メ モ リ をそれぞれ示 している 。 ま た、 参照符号 5 3はアナ ログ · デ タ ル. 変換器 5 0 の出力信号と画像メ モ リ 5 J から読み ίΰさ れたデータ と の差分を取出す画像信号差分器を、 参照 符号 5 5 は画像信号差分器 5 3 の出力信号と基準信号 発生器 5 4 か ら出力される基準信，と を レペル比較す る画像信号レ ベ ル比教器をそれぞれ示している 。
    [0034] さ らに参照符号 5 7 はク ロ タ ク信号発生器 4 か ら出力されるク ロ ッ ク信号を水平位置と してカ ウ ン ト し且つ水平同期信号発生器 4 J か ら出力される水平同 期信号によ ] その水平位置カ ウ ン ト を一走査線ごとに ク リ アされる水平位置カ ウ ン ト器を、 参照符号 6 0は 水平同期信号発生器 4 J および垂直同期信号発生器 4 2 から出力される垂直同期信号によ ]9垂直位置を力 ゥ ン ト し且つ水平同期信号によ ]}その垂直位置カ ウ ン トが一画面ごとにク リ ァされる垂直位置カ ウ ン ト器を それぞれ示している 。 そ して、 参照符号 5 は画像信 号 レペ ル比較器 5 5 の出力信号を水平位置カ ウ ン ト器 5 7 から出力される水平位置信号に応じてラ ッチ しコ ン tf ユ ータ 5 2 からのラ ツチク リ ア信号 5 2 c に よ ]5 ク リ ァされる水平位置ラ ツ チ器を、 参照符号 2 は画 像信号レペル比較器 5 5 の出力信号を垂直位置カ ウ ン ト器 6 2 から出力される垂直位置信号に応じてラ ツチ しコ ン ピ ュ ー タ 5 2 からのラ ッ チク リ ア信号 5 2 c に よ ] ク リ ァされる垂直位置ラ ツ チ器を示している 。
    [0035] また、 参照符号 5 2は水平位置ラ ツ チ器 5 及び 垂直位置ラ ツチ器 6 でラ ツ チされた水平及び垂直位 置に対応する辉点のデータを画面数力 ゥ ン タ と して垂 直同期信号発生器 4 2から出力される垂直同期信号と 共に取込むコ ン ピュータを示している 。 このコ ン ビ ュ ータ 5 2 は後述する方法で辉点データからワーク 9 の 対向距離と対向姿勢を計算し、 画像表示器 7 あるいは ロ ^ ツ 卜に計算結果を送信するも のである 。
    [0036] 尚 、 投光器 3 ί 〜 3 4 、 撮像器 3 5 、 並びに画像 処理回路 S a に よ ] 三次元位置セ ンサが構成される こ とになる 。
    [0037] 次に上記のよ うに構成された三次元位置セ ンサの 作用について説明する 。
    [0038] 今、 第 2 図においてテ ィ ーチングヘッ ド 3が図示 状態に固定され、 ワ ーク S はテ ィ 一チングへツ ド 3 と の対向位置お よび対向姿勢が調整可能になっている も の とする 。 この よ うな状態にある時、 半導体レーザ装 置 3 1 a 〜 3 4 a から レーザ光が出射される と このレ 一ザ光は反射鏡 3 1 b 〜 3 4 b でそれぞれ反射され斜 めの ビーム と して ワーク S 上に照射される 。 こ こで、 ワ ーク 9 の対向距離が所定値で、 対向姿勢が正しい姿 勢にある状態を第 6 A図の一点鎖線で示すワーク ^と し、 また教示点 P O とする 。 同図の実線位置にある ヮ ーク 9 には輝点 S J 〜 S 4 が斜めのビーム と ワーク 9 との交点上にでき る 。 このため、 ワーク 9 の対向距離 あるいは対向姿勢の変化は画像表示器 7上での輝点 S J 〜 S 4 の偏倚と して現われる 。 例えば、 ワーク 9が基準位置にある ワーク ^よ ] 5 対向距離が遠い状態にある と 、 第 6 B 図に示すよ うに、 各輝点は基準マーク M 1 〜 M 4 の外側に配設される よ. うになる 。 また、 ワ ーク Sが基準位置のワ ーク ^よ ] 対向姿勢において画像表示器 7 の上下方向に傾斜 して いる状態にある と 、 第 7 A図及び第 7 B 図に示すよ う に輝点 S が基準マーク M 2 よ 内側に配設される よ う になる 。 さ らにワーク Pが基準位置のワーク ^よ 対向姿勢において画像表示器 マ の左右方向に傾斜して いる状態にある と 、 第 8 A 図及び第 8 B 図に示すよ う に 、 辉点 S 3 , S 4 は基準マーク M 3 , M 4 に対して —方向に片寄る よ うに配設される 。
    [0039] つま 1 、 輝点は斜向ビ ー ム と ワーク 9 との交点に 生じるので、 輝点の画像表示器 7上での偏倚を計測す る と 、 三角形の相似則から基準となる三角形を決めて おけば比例計算によ 各輝点 S 1 〜 S 4 の三次元空間 での座標を求める こ とができ る 。 ま た輝点 S ί の三次 元位置か らワ ーク の対向距離が計算でき 、 辉点 S 1 〜 S 4 から ワ ークの対向姿勢が計算でき る 。
    [0040] こ こで、 第 5 図に示す画像処理回路 S a の作用を 第 9 A図乃至第 9 C 図を参照 して説明する 。
    [0041] まず、 最初に輝点の撮像されていない画像、 例え ぱ第 9 A図に示すよ うな画像が画像メ モ リ 5 1 に格納 される 、 次に各輝点を順次撮像した画像、 例えば第 9B 図に示すよ うな画像が取 ] 込まれる 。 画像信号差分器 5 3 にてこれら輝点の撮像されていない画像と輝点を 撮像した画像との差分が求め られる 。 このため画像信 号差分器 5 3からは背景光の成分が除去された輝点の みの画像、 例えば第 9 C図に示すよ うな画像が得られ D O
    [0042] したがって 、 画像信号レ ベ ル比較器 5 5 において は基準信号発生器 5 4 から出力される基準信号と輝点 画像信号とを比較するこ とができ る 。 即ち、 背景光を 含む画像信号、 例えぱ第 6 B 図に示された画像の画像 信号を画像信号レ ペ ル比較器 5 5 に入力する と 、 正し い輝点の位置ではない背景光を誤って輝点位置と して 検知して しま う可能性がある 。 しかしなが ら、 前述し たよ うな信号処理に よ ]3正しい輝点位置を検出する こ とができ る 。
    [0043] この よ うに画像信号レ ペ ル比較器 5 5 によ 輝点 が検出される と 、 その検出信号を輝点の水平位置を力 ゥ ン ト している水平位置ラ ツ チ器 5 9 と輝点の垂直位 置をカ ウ ン ト している垂直位置ラ ツ チ器 6 2 に送信し、 正しい輝点の位置が保持される 。 これら水平位置ラ ッ チ器 5 9 と垂直位置ラ タチ器 5 2 に保持された輝点位 置データは適宜コ ン ビユ ータ 5 2 で読取られ、 こ こで 収集された輝点 S 1 〜 S 4 の水平、 垂直位置データは 前述した三角形の相似則に基 く ワーク 9 の対向距離と 対向姿勢とが所定の数式に代入して求められる 。 そし て、 その計算結果は適当な信号線を通して画像表示器 7 に表示させる 。
    [0044] したがって、 作業者は画像表示器 7 に表示された ワーク 9 の対向距離および対向姿勢のデータを見た ] 、 基準マーク M 1 〜M 4 と輝点 S 1 〜 S 4 のずれを見る こ とによ ] 、 口 ッ トがワーク タ の教示点 P 0上で正 しい対向距離および対向姿勢を と る よ うに位置修正す る こ とができ る 。
    [0045] 上記では作業者が画像表示器 7 に表示された画像 を見なが ら位置修正する場合について述べた。 しかし なが ら、 三次元位置セ ンサにおいて画像処理回路 S a で計算に よ 求め られたワーク 9 の対向距離および対 向姿勢のデータを ロ ポ ッ ト コ ン ト ロ ーラに送信して対 向距離および対向姿勢を 自動的に 口 ポ ッ ト に修正させ る こ と もでき る 。
    [0046] このよ う に本実施例では、 作業者が画像表示器 7 の表示画像を 目視しなが ら ワーク 9 の対向距離および 対向姿勢データを読取 ] 、 各輝点 S J 〜 S 4 および教 示点 P 0 を基準マーク M J 〜 M 4 に一致する よ うにへ y ド本体 3 の三次元位置を調整する よ うに した。 従つ て、 従来のよ う に作業.者の勘にた よ る こ とな く正確に、 しかも短時間でテ ィ 一チ ングする こ とが可能とな ] 、 能率および精度共に大幅に向上させる こ とができ る 。 7690 P
    [0047] 16 また、 画像処理回路 S a によ る ワーク S の対向距 離および対向姿勢データを ロ ッ ト コ ン ト ロ ーラに送 信し、 自動的にへッ ド本体 3 の三次元位置を調整する よ うに してもテ ィ 一チ ングの能率を大幅に向上させる ことができ る 。
    [0048] さらに、 画像処理回路 S a では画像信号差分器 5 3 によ 背景光の影響が除去されるため、 正確な輝 点位置を計測でき 、 誤計測によ る作業者のテ ィ ーチ ン グミ スを防止する ことができ 、 また ロ ^ツ ト コ ン ト 口 ーラに計測デー タを送信して自動的に三次元位置を調 整する と き の誤計測によ る暴走を防止する こ とができ る o
    [0049] 尚、 本発明は前記一実施例の構成に限定される も
    [0050] -のではな く 、 例えば第 5 図に示す画像処理回路の動作 と して、 人間の目が 3 0 ms以下の瞬時の点灯や消灯で は感 じない程度短 くする と同時に照明器 3 6 をその間 瞬時消灯し、 またそれに合せて画像信号に同期したク π ッ ク信号、 水平同期信号および垂直同期信号も高速 化する こ とによ 、 照明光によ る誤計測を防止する こ と も でき る 。 さ らに、 本発明は第 1 0 図に示すごと く 輝点 S J 〜 S 4 を教示点 P 0 の周囲に配設して各輝点 の平均値から対向距離と対向姿勢を計測 したのではな く 、 本実施例では、 対向距離設定専用の輝点 S J およ び第 1 の基準位置マーク M J を設けたことによ つて、 次のよ うな効果を奏する 。
    [0051] すなわち、 ワーク 9 の表面形状に よ っては小さな 凹凸が存在する 。 例えば第 1 1 A図に示す如 く 、 この 様な凸部上に教示点 Pが設定される場合がある 。 この 様な場合、 例えば対向距離設定用の輝点および基準位 置マークを設けずに、 第 1 0 図に示す如 く 4個の輝点 およ び基準位置マークか ら対向距離と対向姿勢とをそ れぞれ設定しょ う とする と 、 凸部上の教示点 P とへ ッ
    [0052] P 3 との対向距離が所定の距離にな っていな くても各 輝点と基準位置マーク との位置が一致して しま う こ と め 。
    [0053] この状態でテ ィ ーチングを行な う と 、 レーザ切断 加工等を行なった際に加工へ ッ ドから教示点までの距 離が規定値と異なる こ とになる 。 このために 、 レーザ の焦点がずれて所定の切断を行なえな く なった ] 、 著 しい場合には加工へ^ ドの先端部が ワ ーク の凸部に接 触 してへ ッ ドが損傷する といつた不具合を生 じる恐れ がある 。 これに対 しこ の一実施例の構成であれば、 教 示点 P と基準位置マーク M J との位置を一致させ、 こ の基準位置マーク に対 して輝点 S J を一致させる こ とによ J 対向距離の設定が行なわれる よ う にしてあ る 。 従って 、 第 1 1 A図に示す如 く小さな凸部上に教 示点 Pがある場合でも 、 必ずこの凸部上の教示点 Pに 対して対向距離の設定を行な う こ とができ る 。 このた め、 誤った位置状態でテ ィ 一チング して しま う不具合 は防止され、 この結果ワーク表面の状態に影饗を受け ずに常に正確なテ ィ ーチングを行な う ことができ る 。
    [0054] 本発明の第 2 の実施例と して、 第 1 2 図に示すよ うに、 投光器 3 i 〜 3 4および照明器 3 6 に同 じ波長 の半導体レーザを使用し、 光フ ィ ルタ 3 9 を固体撮像 素子 3 5 a の前方に配設しても 良い。 この光フ ィ ルタ 3 9 によ ] 投光器 3 1 〜 3 4 の出力光の波長成分のみ を撮像素子 3 5 a に導く よ うに している 。 従って、 太 陽光等の外乱光が強 くても こ の外来光は光フ ィ ルタ
    [0055] 3 S で滅衰されて極めて小レベル とな ]3 、 これによ 投光器 3 1 〜 3 4 によ る輝点を上記外乱光の影饗を受 ける こ とな く 明確に画像表示器 7 に表示する ことがで き る 。 また照明器 3 6 の照明光についても 同様であ ]3、 この結果、 照明光の照度を抑制しな く ても各輝点を明 確に表示する こ とができ る 。 このよ うに して、 常に十 分な照度の照明を行なった状態でテ ィ ーチ ングへッ ド 3 の位置調整操作を行な う ことができ 、 これによ ] 操 作性よ く 円滑なテ ィ ーチングを行な う こ とができ る 。
    [0056] また、 第 3 の実施例と して、 第 1 3 図乃至第 1 6 図に示すよ うに、 テ ィ ーチ ングへッ ト， 3 を光ファ イバ を利用 して構成 しても 良い。 尚、 ^下の説明において、 こ の第 3 の実施例の構成の う ち前記した第 1 の実施例 と同 じも のは同 じ符号を付してその説明を省略する 。 7 0
    [0057] 19 第 1 3 図乃至第 1 5 図に示す如 く 、 この第 3 の実施例 の三次元位置セ ン サは、 テ ィ ーチ ングへ ッ ド 3 と この テ ィ ーチ ングへ ッ ド S 内に設けられた詳細を後述する 撮像用光フ ァ ィ パ光学系および投光用光フ ァ ィパ光学 系と 、 こ の光学系に光学的に結合されたセ ンサ ト， ラ イ プ器 J 0 4 と 、 こ のセ ンサ ト，ラ イ プ器 J 0 4 を制御す るための前記画像処理回路 S a と基準位置パタ ー ン発 生回路 S を内蔵する セ ンサ コ ン ト ロ ー ラ J 0 5 と 、 こ のセ ンサ コ ン ト ロ ー ラ J 0 5 によ ] 作られた計測光の 基準位置 タ ー ン と前記テ ィ ーチ ングへ ッ ド 3 に よ ] 撮像されたィ メ 一 'クを表示する CRTディ スプレイから なる画像表示器 7 とを備えている 。
    [0058] 次に第 1 4 図及び第 1 5 図に よ ] テ ィ ーチ ングへ ッ ト 3 の内部構成の詳細を説明する 。 第 1 4 図は第
    [0059] 1 3 図のテ ィ ーチ ングへ ッ ト， 3 の縦断面図、 第 1 5 図 は第 4 図の D - Π線に沿 う断面図である 。 第 1 4 図 及び第 1 5 図に示すよ うに、 テ ィ ーチ ングへ ト * 3 の 内部には 、 4 個の投光用光フ ァ イバ光学系 J 3 1 〜 1 3 4 と 、 撮像用光フ ァ イバ光学系 i 3 2 とが収容さ れている 。 なお、 第 1 5 図においては投光用光フ ア イ パ光学系 J 3 2 が 1 3 J の真下に隠れて位置している。
    [0060] 上記各投光用光フ ァ イバ光学系 J 3 J 〜 J 3 4は、 テ ィ ーチ ングへ ッ ド 3 の内部に形成された溝や穴にそ れぞれ固定された反射鏡 ί 3 1 b , 1 3 2 b , 1 3 3 b , 1 3 3 b - 1 r 1 3 4 b , J 3 4 b - J および集光レ ンズ 1 3 1 d , 1 3 2 ά , 1 3 3 ά , 1 3 4 d を傭え ている 。 第 1 3 図に示すよ うに、 各投光用光フ ァ イバ 光学系 J 3 1 〜 _ί 3 4はセ ンサ ドラ イ ブ器 0 4 の半 導体レーザ装置 3 1 ゝ 〜 3 4 a と光学的に結合されて いる 。 この場合、 反射鏡 J 3 1 b , I 3 2 b , 1 33 b , 1 3 3 b - 1 , 1 3 4 b , J 3 4 b - J は、 保持体
    [0061] 1 3 1 c , 1 3 2 c , 1 3 3 c , 1 3 3 c - 1 f 134c , ■Z 34 c - Jによ ] 固定されている 。
    [0062] これら投光用光フ ァ イバ光学系 J 3 1 〜 1 3 4は 半導体レーザ装置 3 1 &〜 3 4 » から発生する レーザ 光を集光レ ンズ 1 3 1 d〜 J 3 4 d で細いビ ー ム にし て、 さ らに反射鏡 3 1 b , I 3 2 b , 1 3 3 b ， 1 3 3 b - 1 , 1 3 4 b , 1 3 4 b - ！ でそれぞれ反 射 し、 ワーク S の表面に投光して輝点をそれぞれ形成 している。 投光用光フ ァ イバ光学系 J 3 J は第 1 6 図 に示すよ うに、 対向距離設定用の辉点 S 1 を、 また他 の投光用光フ ァ イバ光学系 J 3 2 〜 J 3 4は姿勢設定 用の輝点 S 2〜 S 4をそれぞれ形成するも のである 。
    [0063] —方、 撮像用光フ ァ イバ光学系 J 3 5 は第 1 4 図 に示すよ うに、 撮像用レ ンズ 3 5 - ·Ζ と 、 反射鏡
    [0064] 1 3 5 - 2 を介 して ワーク S の像を第 1 3 図に示す撮 像器 J 3 5 - 3 に導く ものである 。 また、 この撮像器 1 3 5 - 3は第 1 6 図に示す如 く ワ ー ク 9 の表面上に 上記各投光用光フ ァ イバ光学系 J 3 i 〜 J 3 4 によ 形成された輝点 S J 〜 S 4 お よ び ワーク表面に予め描 かれたけがき線 K上に教示点 P をそれぞれ撮像する も のである 。
    [0065] 再び第 1 3 図に戻って、 セ ン サ コ ン ト ロ ーラ J ( 5 はワーク に対するへ ： X ドの対向距離を設定するため に使用する第 1 の基準位置マーク と 、 ワーク に 対するへ ッ ドの姿勢を設定するために使用する 3個の 第 2 の基準位置マーク M 2 〜 M 4 とをそれぞれ発生し ている 。 これらの各基準位置マーク M J 〜 M 4 はそれ ぞれ第 1 3 図に示す如 く 、 画像表示器 7 の表示画面上 の所定の位置に前記撮像器 1 3 5 - 3 からの撮像画像 信号に重畳して表示されている 。 こ の第 3 の実施例に よれば、 半導体レーザ装置 J 3 1 a 〜 J 3 4 a から発 生する光を ワーク 9 の表面に照射する 4 個の投光用光 フ ア イハ，光学系 J 3 1 〜 1 3 4 およびワーク 上に形 成された各辉点と位置設定点を撮像器 J 3 5 ― 3 に よ ] 撮像するための撮像用光フ ァ ィパ光学系 1 3 5 を内 部に設けてテ ィ ーチ ングへ ダ ト *を構成する よ う に して いる 。 従って、 へッ ド自体が小形にな ]) 、 レーザ加工 へ ッ ド等と比較してワ ーク との干渉が少な く な ] 、 テ ィ 一チ ング作業を容易に行な う こ とができ る 。
    [0066] 尚、 上記した第 3 の実施例において、 その構成の —部を例えば次のよ う に しても 、 前述と同様の実施が 可能である 。 すなわち、 ワーク 上に照明をするため に、 テ ィ ーチングへ ッ ド 3 とセ ンサ ト， ラ イ ブ器 ί 0 4 との間に照明用光フ ァ イバ光学系を撮像用光フ ァ イバ 光学系 J 3 S と並列に設け、 その照明光を反射鏡 1 3S 5 - 2 で反射させてワーク 9 を照明する よ うに しても 良 い。
    [0067] この よ うに して照明用光フ ア イパ光学系を設ける こ とによ って、 ワーク P の表面のけがき線 Kおよび教 示点 Pなどを明る く画像表示器 7 に表示する こ とがで
    [0068] I D き 、 教示点 P の位置をよ ])正確に判断する こ とができ る 。 さ らに照明用光フア イ 光学系の照明光と して半 導体レーザ光を用いて教示点等を照明する よ うにすれ ぱ、 外乱光の影響を受ける こ とな く 、 明確な画像を得 る こ とができ る 。
    [0069] 15 更に、 第 4 の実施例と して、 第 1 7 図乃至第 2 0 図に示すごと く三次元位置セ ンサはォー ト フ オー カ ス 機構と 、 計測 ビームの照射方向切換機構を有する よ う に しても 良い。 第 1 7 図と第 1 8 図とにおいて、 テ ィ 一チ ンダへ ッ ト， 3は、 撮像器 3 5 を前後に摺動させる
    [0070] 20 ねじ部 2 0 9 と 、 ねじ部 2 0 9 に取付けられる リ ー ド スク リ ュ ー 2 と、 リ ー ドスク リ ュ ー 2 2 0 の端部 に嵌合し一部がへ ッ ド筐体 3 0 に固定された軸受部 21 1 と、 リ ー ドス ク リ ュ ー 2 J 0 の一端に取付け られ た軸継手 2 i 2 と 、 軸継手 2 1 2 に一端が取付けられ 一部がへ ッ ド筐体 3 0 に固定されているモーク 2 1 3 と 、 撮像器 3 5 の摺動距離を制限するためにヘ ド筐 体 3 に取付けられた位置決めピ ン 2 2 3 - ·Τ と 、 前 記ミ ラー 3 2 b の各々に対して固体撮像素子 3 5 a の 中心軸上でしかも遠い距離はなれた ワーク の表面上 の第 2 0 図点 P あるいは近い距離はなれた ワ ーク 9 の 表面上の第 2 0 図点 Q に光を反射させるよ う保持する シー ソ機構部 2 1 9 ヒ 、 シー ソ機構部 2 1 タ の先端に 取付けられた反射光の絞 部 1 9 - 1 と 、 シーソ機 構部 2 1 タ の回動の中心に嵌合された軸 2 2 0 と 、 シ ー ソ機構 2 1 9 の一端を押すよ うへ ッ ド筐体 3 0 に内 蔵されたソ レノ ィ ド 2 2 0 と 、 前記ソ レノ ィ ド 2 2 0 と反対側に設置されシーソ機構部の他端を押すよ うへ ッ ド筐体 3 0 に内蔵されたスプ リ ング部 2 2 3 、 シ ーソ機構部 2 1 タ の回動のス ト ッ 2 2 4 およ びス ト ツ 2 2 5 とを備えている 。 この第 4 の実施例に よ る 作用を、 第 1 7 図 第 1 9 図とに よ 説明する 。 第 1 9 図に示すよ う に 、 テ ィ ーチ ングへ ッ ドの ワ ーク タ に対する距離を遠近 2 通 ])で測定する場合について説 明する 。 まずモータ 2 J 3 を踞動 し、 撮像器 3 5 を軸 方向に沿って移動調整させる こ とによ 、 焦点合せが 自動的に実施される 。 さ らに遠ノ近を設定し、 シ ー ソ 機構 2 1 9 を ソ レノ ィ ド 2 2 0 の伸縮作用に よ ] 回動 させ、 半導体レーザ装置 3 1 » 〜 3 4 a から発生する レーザ光の反射方向を大小変化させる ことができ る 。 従ってこの実施例の効果と して、 テ ィ ーチ ングへ ッ ド 3 を第 1 9 図の遠方に位置させレーザビ ー ム （L-1 ) , ( L - 2 ) …の反射方向を小さ く し、 かつ撮像器 3 5 の 焦点合せを遠方にする こ とによ ] 3第 2 0 図のごと く ヮ ーク 9全体が撮像でき る 。 このよ うにして粗いテ ィ ー チングが実施でき る 。 続いてへ ッ ド 3 を ワーク S の近 ぐに位置させレーザビ ー ム （ L - l ) , ( L - 2 ) "'の反 射方向を大き く し、 かつ撮像器 3 5の焦点合せを近 く にするこ とによ D、 前記した実施例と同様の精密なテ ィ ーチ ングができ る効果がある 。
    [0071] 次にこの発明に係る三次元位置設定システ ムの一 実施例を 、 第 2 1 図乃至第 2 4 図を参照して説明する。 この三次元位置設定システ ム においては、 ジョ イステ イ ツ クなどによ j 、 画像表示器に撮像された教示点位 置を読み取 ] 、 前記計測 ビーム による対向距離と対向 姿勢データ と合せ自動的にテ ィ一チ ングされる こ とに なる o
    [0072] 第 2 1 図は、 この実施例の構成を示すも ので 、 画 像表示器 7 の任意の位置を指し示すための 'ク 3 イ ステ ィ ッ ク 3 J S と 、 ジ 3 イ ステ ィ タ ク 3 I S の指定位置 と画像処理回路 S a で計算した対向距離と対向姿勢を 合算してテ ィ 一チ ングデータを出力する制御部 3 1 7 とを傭えている 。 この実施例の作用は、 まず、 第 2 1 図において投 光器 3 3 , 3 4 を結ぶ線を X軸と し、 投光器 3 1 , 32 を結ぶ線を γ軸とする と 、 この： X軸、 Y軸を含む面は カ メ ラ 3 5 の光軸 に直交する 。 こ の光軸 9 を Z軸と し、 Z軸上において焦点 F と この Z軸のヮ一 ク 、 表面に対する交点 P0Y (基準位置 ） の座標値を Ζ 0 と し、 各投光器 3 1 〜 3 4 からのス ポ ッ ト光線が Ζ軸と交わる角度を とする と 、 Υ軸および： X軸を含 む面での斬面図は第 2 2 Α図及び第 2 2 B 図に示され る 。 X軸、 Y軸、 Z軸の全体の関係は第 2 3 図に示さ れる 。
    [0073] 第 2 2 A図において、 各ス ポ ッ ト光 S 2 および S 4 の Y座標をそれぞれ Y 2 , Y 4 とする 。 図示する よ う にワーク 9 表面上での交点 Ρ θ での； X軸まわ ] の 傾斜角を 0 とする 。 図においては、 Y 4 の実際の値は (一） 値となる 。 照射角 なは一定値であるので、 交点
    [0074] P 0 の Z座標値 Ζογ は三角形の相似性を利用 した簡単 な幾何学的考察に よ i？ 、 （1)式にて求ま る 。
    [0075] Ζο γ = 2 Υ2 Ϊ /( Υ2 - Υ4 ) tanな ······ （1) なお 、 Z軸の符号は撮像器 3 5 に向 う方向を正と している 。
    [0076] 同様に第 2 2 B 図において 、 ス ポ ッ ト光 ， S 3 の X座標を , X 3 ( 実際値は負値 ） と し、 交 点 P o における ワ ー ク 9 表面の Y軸まわ ]) の傾斜角を < とする と 、 交点 Ρ 0 の Ζ軸座標 Ζ0Χ の値は (2)式で表 わされる 。
    [0077] Zox = 2Xi Xs/(Xi - Xs ) tan ― (2) 理論的には上記各 Z座標値 Ζοττ , ζο χは一致する はずであるが、 実測値から求めたも のであるので一致 しない場合がある 。 したがって、 交点 Ρ。 の Ζ座標値 Ζ 0 は（3)式のよ うに（1)式と（2)式との平均値で示される。
    [0078] Ζ 0 = ( Ζοτ + Ζοχ )/ 2
    [0079] - 〔 Υ2 Υ4 Ζ( Υ2 - Υ4 )
    [0080] + Χι Χ3 /( Χι 一 Xs ) D/tan ··· (3) なお、 撮像器 3 5 と焦点 F との間の距離 Zs は機 械的構成によ ] 予め決ま った値である 。
    [0081] また、 第 2 2 A図及び第 2 2 B図における交点
    [0082] P 0 での ワーク 表面の X軸まわ！？ 、 Y軸まわ の各 傾斜角 《5 , 0 は前述と同様に簡単な幾何学的考察によ ] (4)式、 （5)式のよ うに求ま る 。
    [0083] «5 = - tan"' C ( Y2 + Y4 ) /
    [0084] ( Υ2 - Υ4 ) tan 〕 (4) tan"1 〔 （ Xi + X3 )
    [0085] ( Xi - 3 ) t»nな 〕 (5) 但 し、 Φ , の符号は第 2 2 Α図及び第 2 2 Β 図 に示すよ うに傾斜 した場合を負と している 。
    [0086] このよ う に 、 画像表示器 7 と してのブラ ゥ ン管上 に表字された各ス ポ ッ ト光 S i , S 2 , S 3 , S 4 の 各座標値 X l , Y 2 f X 3 , Υ 4 を求める こ とによ つ て、 光軸 （ Ζ軸 ） 3 1 の ワーク 5 表面に対する交点 Ρ 0 の座標値 Ζ 。 お よ び ワ ーク 9 の交点 Ρ。 での傾斜 角 , (？ を算出する こ とができ る 。
    [0087] 次に 、 第 2 4 図に示すよ うに、 画像表示器 7 に表 示されたけがき線 Κ上の教示点 3 I 3 ( Ρ ) ( ΧΡ , Υ Ρ , Ζ Ρ ) の Ζ座標値 Ζ Ρ を求める 。 なお、 教示点 Ρ の指示は画像表示器 7上にて制御部 3 J 7 に接続され たジ ョ イ ステ ッ ク S の操作によ ] なされる 。 した がって、 教示点 Pが交点 P o の近傍位置にあ ] 、 前述 の傾斜角 0 , 0 が P , P 0 間で大き く 変化しないとす る と 、 教示点 P の Z座標値 Z P は、 交点 P o の Z座標 値 Z。 に、 上記傾斜に よ る変化分 （ — Y P tan Φ ， -X P tan θ )を加えたも のになる 。 各傾斜角 , は (4) , (5)式で求ま るので、 教示点 Ρ の Ζ座標値 Ζ Ρ は最 終的に（6)式となる 。
    [0088] ζ ρ = ( ΥΡ γ2 + Υ2 Υ4 + y Yp ) /
    [0089] ( y2 - Υ* ) tan
    [0090] + ( XP XI + X1 X3 + Xs Xp )/
    [0091] ( Xi -X3 ) tan ··♦··' (6) したがって、 教示点 P の三次元座標 （ XP , Υρ , ΖΡ )は各ス ポ ッ ト光 S i 〜 S 4 の二次元的位置関係
    [0092] ( 1 . Y 2 , X 3 , Y 4 ) と光線の照射角 （ Ct ) に て求ま る 。 したが って、 交点 P 0 と教示点 P との座標 関係から 口 ッ ト の加工ヘッ ド 2 を、 今停止 している 交点 P o の上方位置か ら教示点 P の上方位置へ移動さ せるための移動情報が得られる こ とになる 。
    [0093] このよ うな動作原理に基づいて前記制御部 3 1 7 は第 2 5 図の流れ図に従って ロ y トに対するテ ィ 一 チング処理を実行する よ う に構成されている 。
    [0094] すなわち、 電源が投入されて各種の初期処理が終 了する と、 ステ ッ プ Q J にて画像表示器 7 に表示され た第 2 4 図に示す 4個のス ポ ッ ト光 S i , S 2 , S 3 , S 4 の各座標位置 X i , Y 2 , X 3 , Υ * の値が画像 識別回路 S a を介して読取られる。 次にステ ツ ° Q 2 にて上記読取った各座標値を用いて、 （4) , (5)式にて ヮ ーク S 表面上の光軸 3 1 9 ( Z軸 ） との交点 Ρ。 にお ける各傾斜角 0 , 0が算出される 。 傾斜角 の算 出が終了する と、 ステ ッ プ Q 3にて（3)式を甩いて交点 P Q の Z座標の値 Z a が算出される 。
    [0095] ■fe 上の処理が終了する と、 ステ ッ プ Q 4 にてジョ イ ステ ッ ク 3 J S の操作にて教示点 Pが指示されるの を待つ。 教示点 P の指示が入力する と、 ステ ッ プ Q 5 にてその指定された教示点 P の座標値 ΧΡ , ΥΡが前述 の画像識別回路 S a を介して読取 られる 。 座標値 XP , が求まる と 、 ステ ッ プ Q ff にて（6)式を用いて教示点 P の Z座標値 Z Pが算出される 。 教示点 P の座標 （XP , YP , Ζ Ρ ) が求ま る と 、 ステ ッ プ Q 7 にて交点 Ρ ο と 教示点 Ρ と の座標関係から口 ポ ッ ト のテ ィ ーチ ングへ ッ ド 3に対する方向と距離からなる移動情報が算出さ れる 。 その移動情報に従って 、 テ ィ ーチ ングへ ッ 3 は教示点 Ρの上方位置へ移動される 。 この場合、 焦点 F と教示点 Ρ との距離は最初の焦点 F と交点 Ρ。 との 距離に一致する よ うに位置制御される 。 次に 、 ステ ツ プ にてテ ィ ーチ ングへ ッ ド 3 の姿勢が傾斜角 ø , 0 に応 じて予め定め られた値.に制御される 。 姿勢制御 が終了する と 、 ステ ッ プ Q 9 にてこの教示点 Ρ に対応 するテ ィ ーチ ングへ ッ ト， 3 の三次元座標およ び姿勢角 度のデータが記憶部に格納される 。 以上で教示点 に 対するテ ィ 一チ ング処理が終了する 。
    [0096] このよ うに構成されたロ ポ ッ トの三次元テ ィ ーチ ング装置であれば、 ロ ポ ッ ト の操作者は、 テ ィ ーチ ン グ装置の電源を投入して各投光器 3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 を点灯したのち、 テ ィ ーチングヘ ッ ド 3 を例えば けがき線 Κ上に形成された教示点 Ρ の近傍位置へ移動 して 、 この教示点 Ρが画像表示器 7 に表示されたこ と を確認する 。 そ して 、 ジ ョ イ ステ ッ ク 3 J S にてその 教示点 P を指示指定するのみでよい。 教示点 Pが指定 される と 、 テ ィ ーチングへッ ド 3が自動的に教示点 P の上方位置へ移動して、 教示点 P と所定の間隔を保ち、 かつ所定の姿勢角で停止する 。 そして、 この教示点 P に対するテ ィ ーチングへ ッ ト♦ 3 の座標および姿勢デー タが記憶部に格納される 。
    [0097] このよ うに 、 操作者は教示点 P を指示するのみで 自動的にテ ィ ーチ ングが実行されるので、 テ ィ ーチン グ作業能率を大幅に向上する ことが可能である。 その 結果、 ロポ ッ トの稼働率を大幅に向上でき る 。
    [0098] また、 作業者が目視で各教示点 Pに対する加工へ ッ ド 2の位置、 姿勢をセ ッ トする必要ないので、 テ ィ 一チ ング精度を向上でき 、 ワーク S の加工精度を向上 でき る 。
    [0099] なお、 この実施例においては、 教示点 P を指定す る手段と してジ ョ イステ ィ ク 3 1 S を用いたが、 ラ イ ト ペ ン 、 デジタ イ ザ、 ト ラ ッ ク # ー ル等の電気的に 画像表示器 7上で任意の位置 （座標） を指定でき るも のであれぱよい。
    [0100] 本発明の三次元位置設定シ ス テ ム と して、 第 2 1 図に示した構成 と同 じ構成で、 画像像表示器に撮像さ れた教示点位置を電気的に読み取 、 前記計測 ビ ー ム によ る対向距離と対向姿勢データ と合せ、 自動的に連 続する教示点マークを追尾する方法を採用した他の実 施例を説明する 。 最初の教示点 P i の三次元座標 （ XP j , Υρι , Zpi ：) は各ス ポ ッ ト光 S i 〜 S 4 の二次元的位置関係
    [0101] ( X 1 . Y 2 . X 3 , Y 4 ) と光線の照射角 （ ） に て求ま る 。 したがって、 交点 Ρ ο と最初の教示点 ΡΡ と の座標関係から ロ ポ ッ 卜 のテ ィ ーチ ングへ ツ ド 3 を、 今停止 している交点 Ρ ο の上方位置から最初の教示点 Ρρの上方位置へ移動させるための移動情報が得られる こ とになる 。
    [0102] こ の よ うな動作原理に基つ'いて前記制御部 3 1 7 は第 2 6 図の流れ図に従って ロ ^ ッ ト に対するテ ィ ー チング処理を実行する よ うに構成されている 。
    [0103] すなわち、 電源が投入されて各種の初期処理が終 了する と 、 ス テ ッ プ ·ί にて画像表示器 Γに表示さ れた第 2 図に示す 4個のス ポ ッ ト光 S i , S 2 , S 3 , S 4 の各座標位置 X i , Y 2 , X a , Y 4 の値が画像 識別回路 S a を介 して読取られる 。 次にステ ッ プ
    [0104] にて、 上記読取った各座標値を用いて、 （4) , (5)式にて ワ ーク 表面上の光軸 3 2 9 ( Z軸 ） との交点 P。 に おける各傾斜角 ø , が算出される 。 傾斜角 ， Θ <D 算出が終了する と 、 ステ ッ プ 2 3 にて 式を用いて交 点 P o の Z座標の値 Z n が算出される 。
    [0105] 以上の処理が終了する と 、 ス テ ッ プ Q J にて 'ク ョ イ ステ ッ ク 3 1 S の操作にて最初の教示点 P i の指 示を持つ。 最初の教示点 P i の指示が入力する と、 ス テ ツ プ Q J 5 にてその最初の教示点に指定された教示 点 P 1 の座標値 Χρι , Υρι が前述の画像識別回路 S a を介 して読取られる 。 座標値 Χρι , ΡΙ が求まる と 、 ステ ップ Q 1 6 にて（6)式を用いて最初の教示点 P i の Z座標値 ZP 1 が算出される。 最初の教示点 P i の座標
    [0106] ( XPI , Υρι , Ζρι ) が求ま る と、 ステ ッ プ Q J 7 て交点 P o と最初の教示点 Pp との座標関係か らロポ ッ ト のテ ィ ーチ ングへ ッ ト * 3 に対する方向と距離からな る移動情報が算 ffiされる 。 その移動情報に従って、 テ ィ ーチ ングへ ッ ド 3が最初の教示点 P i の上方位置へ 移動される 。 この場合、 焦点 F と最初の教示点 P i と の距離は最初の焦点 F と交点 P 0 との距離に一致する よ う に位置制御される 。
    [0107] 次に 、 ステ ッ プ Q J S にてテ ィ ーチ ングへ ッ F 3 の姿勢が傾斜角 ？ 5 , 0 に応じて予め定められた値に制 御される 。 姿勢制御が終了する と 、 ステ ッ プ タ に て こ の最初の教示点 P i に対応する加工へッ ドの三次 元座標および姿勢角度のデータが記憶部に格納される。 以上で最初の教示点 P i に対するテ ィ ーチング処理が 終了する 。
    [0108] 最初の教示点 P i に対するテ ィ ーチング処理が終 了する と 、 ステ ッ プ Q 2 (？ にて画像表示器 7上に表示 されている最初の教示点 P i の近 く の他の教示点 Pを 搜す。 この搜す動作においては、 ステ ッ プ i 〜 Q 2 5 に示すよ うに、 最初の教示点 P i の明暗のレぺ ルを画像識別回路 S a にて識別 し、 テ ィ ーチ ングへ ッ ド 3がこの教示点 P i へ移動 した時点でこの最初の教 示点 P i が新しい交点 P o となる 。 次に、 画像識別回 路 8 * は隣接した画素の中から前記明暗レベルに最も 近い画素を隣接する教示点 PN と識別する。 教示点 PN はテ ィ ーチ ングへ ッ ド 3が前記移動終了後、 新しい教 示点 P 1 と 自動指定される 。
    [0109] そして、 新し く最初の教示点 P i と 自動指定され た教示点 PNに対して前述したテ ィ ーチング処理が実行 される 。 そして、 ステ ッ プ Q 2 6 にて教示点 PNが最終 の教示点 PEに達した時点で、 この 口 ッ トに対する全 てのテ ィ 一チ ング処理が終了する 。
    [0110] このよ うに構成された ロ ッ ト の三次元テ ィ ーチ ング装置であれば、 口 ポ ッ ト の操作考は、 テ ィ ーチ ン グ装置の電源を投入して各投光器 3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 を点灯したのち 、 テ ィ ーチ ングへ ッ ド 3 を 、 例え ぱ、 けがき線 Kの最初の教示点 P i の近傍位置へ移動 して、 この最初の教示点 P i が画像表示器 7 に表示さ れたこ とを確認し、 そして、 'ク ョ イ ステ ッ ク 3 J β に てその最初の教示点 P i を指示指定するのみでよい。 この最初の教示点 P i が指定される と、 テ ィ ーチング へ ッ ド 3が自動的に最初の教示点 の上方位置へ移 動して、 教示点 P i と所定の間隔を保ち、 かつ所定の 姿勢角で停止する 。 そ して、 この教示点 P i に対する ティ ーチ ングへ ッ ド 3 の座標および姿勢データが記憶 部に格納される 。 そして、 格納が終了する と 、 次に明 るい教示点 Pが最初の教示点 P i と 自動指定され、 テ ィ 一チ ングヘ ッ ド 3 はこ の新しい最初の教示点 へ 移動する。 このよ うにテ ィ ーチングヘ ッ ド 3は次々 と 新しい教示点 PNへ移動してい く 。
    [0111] 尚、 ステ ッ プ Q J 7及びス テ ッ プ Q JT S の内容の 詳細は、 それぞれ第 2 7 図及び第 2 8 図にサブルーチ ンと して示されている 。
    [0112] このよ うに 、 操作者は最初の教示点 P i を指示す るのみで 自動的に テ ィ ーチングが実行されてい く ので、 テ ィ 一チ ング作業能率を大幅に向上する こ とが可能で ある 。 その結果、 口 ッ ト の稼働率を大幅に向上でき る o
    [0113] また、 作業者が目視で各教示点 Pに対するテ ィ ー チ ングへ ッ ト * 3 の位置、 姿勢をセ ッ トする必要ないの で、 ティ ーチング精度を向上でき 、 ワーク S の加工精 度を向上でき る 。
    [0114] また、 第 2 6 図に示した動作において、 ス ポ ッ ト の座標をブラ ウ ン管に表示されたス ポ ッ トから 自動計 測する よ うに したが、 第 2 9 図にステ ッ プ Q 3 J 〜ス テ ップ Q 4 € と して示すよ うに撮像器で撮像されたス ポ ッ ト を直接に画像処理して、 その座標を自動計測す る よ うに しても 、 同様の効果が得られる 。
    [0115] 産業上の利用可能性
    [0116] 本発明に よれば、 へッ ドと対象物の対向距離およ び対向姿勢が、 計測用各輝点を電気的に計測する こ と によ ] でき る とか、 画像表示器上に固定的に表示され たマーク との合致 ぐあいに よ ] 計測でき る とか、 また 対象物上の位置設定点を画像表示器上に固定的に表示 されたマーク と一致させる ことによ 教示位置を確認 でき る とか、 これら計測と同時に撮像器を使用する こ とによ ] 対象物の表面状態を画像表示器で観察でき る とか、 さ らに 、 けがき線などの位置設定点を画像処理 によ ] 電気的に検出でき るなど、 多数の効果を奏する こ とができ る 。
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    (1) 対象物上に表示された位置設定点に対する三次 元位置及び姿勢を検出する三次元位置セ ン サにおいて、 セ ンサ本体と ；
    対象物上に斜方投光し、 少な く と も三角形の頂点 を構成する複数の輝点を対象物の表面上に形成させる 投光手段と ；
    投光手段によ 対象物上に形成された輝点と 、 対 象物上に表示された位置設定点と 、 対象物の表面とを 含んだ像を撮像する撮像手段と ；
    この撮像手段によ 撮像された辉点と位置設定点 とを電気的に読み取 、 位置設定点に対するセ ンサ本 体の三次元位置及び姿勢を検出する画像処理手段とを 具傭する こと を特徴とする三次元位置セ ンサ 。
    (2) 前記投光手段は、 セ ンサ本体と位置設定点との 間の距離を検 するための専用の光ビー ムを対象物上 に投光する第 1 の投光器を傭え、
    前記画像処理手段は、 この投光器から投光され、 対象物に形成された第 1 の輝点を介 して、 セ ンサ本体 と位置設定点との間の距離を検出する事を特徵とする 請求の範囲第 1 項に記載の三次元位置セ ンサ 。
    (3) 前.記第 1 の投光器は光ビ ー ムを斜方から対象物 上に投光する こ とを特徴とする請求の範囲第 2項に記 載の三次元位置セ ンサ 。
    (4) 前記投光手段は、 前記セ ンサ本体に設けられ、 対象物上に複数の光ビ ー ムを投光し、 前記第 1 の輝点 と共に少な く と も三角形を構成する複数の第 2 の輝点 を形成せしめる複数の第 2 の投光器を備えてお ] 、
    前記画像処理手段は第 1 及び第 2 の輝点からセ ン サ本体の対象物に対する姿勢を検出する事を特徴とす る請求の範囲第 3 項に記載の三次元位置セ ン サ 。
    (5) 前記撮像手段に接続され、 この撮像手段に よ ]) 撮像された画像を表示する画面を有する画像表示手段 を更に具備する こ とを特徴とする請求の範囲第 1 項に 記載の三次元位置セ ンサ。
    (6) 前記画像処理手段は、 画像表示手段に接続され、 この撮像手段に よ 撮像された輝点と位置設定点とを、 画像表示手段の画面から電気的に読み出す事を特徵と する請求の範囲第 5項に記載の三次元位置セ ン サ 。
    (7) 前記画像表示手段は、
    画面に表示される位置設定点の位置合せの目標と な ])且つ、 対象物上の位置設定点に対するセ ン サ本体 の三次元位置が所定の相対位置とな った時に、 前記輝 点と一致する よ う に、 画面上の所定位置に固定的に表 示される複数の基準位置マークを備えている事を特徵 とする請求の範囲第 6項に記載の三次元位置セ ン サ 。
    (8) 前記各投光器は、 投光方向を変化可能に支持す る支持手段と 、 この投光方向を変化させる駆動手段を 有する事を特徵とする請求の範囲第 4項に記載の三次 元位置セ ンサ o
    (9) 前記投光手段は、
    第 1及び第 2 の輝点の明るさ と 、 外乱光の明るさ との間にある明るさで対象物表面を照明する照明手段 を備えている事を特徵とする請求の範囲第 4項に記載 の三次元位置セ ン サ 。
    α 前記画像処理手段は、 撮像手段によ 撮像され た対象物及び各輝点の明暗を示す画像信号から、 外乱 光及び照明手段からの照明光の明暗を示す画像信号を 差し引き 、 各輝点の画像信号のみを取 出して、 各辉 点の位置を電気的に検出する事を特徵とする請求の範 囲第 4項に記載の三次元位置セ ンサ 。
    ω 前記撮像手段は、
    撮影レ ンズを有し、 こ の撮影レ ンズを介 して像を 撮像する撮像本体と 、
    こ の撮像本体を、 対象物の位置設定点との距雜に 合わせて撮影 レ ンズを光軸方向に沿って移動させ、 焦 点を合わせる駆動手段とを備える事を特徴とする請求 の範囲第 1項に記載の三次元位置セ ンサ 。
    0¾ 前記撮像手段は、
    像からの光を受光する受光面を備えた撮像本体と、 こ の受光面の前方に位置するよ うに撮像本体に取 付けられ、 前記投光手段から出力される光ビー ム の 波長成分以外の成分を有する光の通過を遮断する光フ ィ ル タ とを備える事を特徵とする請求の範囲第 1項に 記載の三次元位置セ ンサ 。
    前記各投光器は、
    セ ンサ本体外に設けられた発光源 と 、
    セ ン サ本体内に設け られた投光源と 、
    発光源と投光源とを光伝達可能に接続する光フ ァ ィパ光学系とを備えている事を特徴とする請求の範囲 第 4項に記載の三次元位置セ ン サ 。
    前記撮像手段は、
    セ ンサ本体外に設けられた撮像素子と 、
    セ ンサ本体内に設けられた撮影 レ ンズ と 、 撮像素子と撮影レ ンズ とを光伝達可能に接続する 光フ ァ ィパ光学系とを備えている事を特徵とする請求 の範西第 1 項に記載の三次元位置セ ン サ 。
    $ 前記撮像手段は、
    セ ン サ本体外に設けられ、 放出する光の光度を調 節可能な光源 と、
    セ ン サ本体内に設けられた照明 レ ンズ と 、
    光源 と照明 レ ンズ とを光伝達可能に接続する光フ ァ ィハ'光学系と を傭えている事を特徵とする請求の範 囲第 1 項に記載の三次元位置セ ン サ 。
    対象物上に表示された位置設定点に対するへ ッ ドの三次元位置及び姿勢を検出 し、 へ ッ ドを任意に位 置設定に対向させる こ とのでき る三次元位置設定シス テムにおいて、
    へ ッ ドに設けられ、 対象物上に斜方投光し、 少な く と も三角形の頂点を構成する複数の輝点を対象物の 表面上に形成させる投光手段と 、
    へ ッ ドに設けられ、 投光手段に よ ])対象物上に形 成された輝点と、 対象物上に表示された位置設定点と 対象物の表面とを含んだ像を撮像する撮像手段と ； この撮像手段によ ] 撮像された輝点と位置設定点 とを電気的に読み取 i> 、 位置設定点に対するヘ ッ ドの 三次元位置及び姿勢を検出する画像処理手段と ；
    この画像処理手段で検出し 位置設定点に対する へ ッ ドの三次元位置及び姿勢の情報を記憶する記憶手 段と ；
    この記億手段に記憶された情報を読み出 して、 こ の情報に基づいてへッ を位置設定点に所定の三次元 位置及び姿勢で対向させる顧動手段とを具傭するこ と を特徵とする三次元位置設定シス テ ム 。
    > 前記撮像手段に接続され、 この撮像手段によ 撮像された画像を表示する画面を有する画像表示手段 を更に具傭する こ とを特徵とする請求の範囲第 1 6項 に記載の三次元位置設定シス テ ム 。
    前記画像処理手段は、
    画像表示手段の画面に表示された各輝点の二次元 的位置関係及び投光手段における照射角度から、 対象 物上での各辉点間の位置関係に よ ] 決定されるへ ッ ド から位置設定点までの距離及び対象物に対するへ ッ V の傾斜角度を算出する基準位置算出手段と ；
    画像表示手段の画面に教示点を指定する指定手段 と ί
    この指定手段によ j 指定された教示点と位置設定 点との二次的な位置関係を自動計測する 自動計測手段 と ；
    この自動計測手段で計測された位置闋係と 、 位置 設定点及びへッ ド間の距離と 、 へ ッ ドの傾斜角度とを 用いて、 へ ッ ドの教示点までの移動情報を算出する移 動惰報算出手段とを備えている事を特徵とする請求の 範囲第 1 7項に記載の三次元位置設定シス テ ム 。
    L9) 前記駆動手段は、 移動情報算出手段によ i 算出 された移動情報に基づいて、 へ ッ ドを教示点へ移動さ せる移動手段と 、
    この移動手段に よ ] 移動されたへ ッ Pの姿勢を傾 斜角度に基づいて制御する姿勢制御手段とを備えてい る事を特徵とする請求の範囲第 1 8項に記載の三次元 位置設定シ ス テ ム 。
    前記画像処理手段は、
    画像表示手段の画面に表示された各輝点の二次元 的位置関係及び照射角から、 対象物上の各輝点間の位 置関係にて決定される基準位置のへ ッ Pまでの距離及 び対象物表面に対するへツ ドの傾斜角を算出する基準 位置算出手段と ；
    前記画面に表示された各教示点の明暗を複数段階 に分けて識別する画像識別手段と ；
    前記画面に表示された各教示点の中で、 最初の教 . 示点を指定する指定手段と 、
    この指定手段によ ] 指定された最初の教示点と基 準位置との二次元的な位置関係を自動計測する 自動計 測手段と ；
    この自動計測手段で計測された位置関係と 、 基準 位置のへッ ドとの間の距離及び傾斜角を用いてへ ジ ド の最初の教示点までの移動情報を算出する移動情報箕 出手段とを傭えている ことを特徵とする 、 請求の範囲 第 1 7項に記載の三次元位置設定シ ス テ ム 。
    前記駆動手段は、
    前記移動情報算出手段によ i 算出された移動情報 に基づいて、 へッ ドを最初の教示点へ移動する移動手 段と 、
    この移動手段によ ])移動されたへッ ドの姿勢を、 傾斜角に基づいて制御する第 1 の姿勢制御手段と 、
    画像識別手段によ D最初の教示点の周囲の画素か ら、 その教示点の明るさに最も近い明るさを有する画 素を捜し出 し、 隣接する教示点を識別し、 この隣接す る教示点を最初の教示点に置換える よ う に順次自動指 定する 自動指定手段と 、
    この自動指定手段によ ] 順次指定された教示点へ、 へッ ト *を順次移動させ、 へ： ドの姿勢を順次制御する 第 2 の姿勢制御手段とを備えている事を特徵とする請 求の範囲第 2 0 項に記載の三次元位置設定シ ス テ ム 。
    ¾ 前記へ ッ ドは加工へッ ドを備えている事を特徴 とする請求の範囲第 1 6項に記載の三次元位置設定シ ス テ ム 。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1990-07-12| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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