JP2003254709A - 指示物体の座標情報を検出する座標検出装置 - Google Patents

指示物体の座標情報を検出する座標検出装置

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JP2003254709A
JP2003254709A JP2002056662A JP2002056662A JP2003254709A JP 2003254709 A JP2003254709 A JP 2003254709A JP 2002056662 A JP2002056662 A JP 2002056662A JP 2002056662 A JP2002056662 A JP 2002056662A JP 2003254709 A JP2003254709 A JP 2003254709A
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coordinates
joint
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JP2002056662A
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Kiyoshi Ioi
清 五百井
Kenji Yuki
賢治 結城
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HIROSHIMA INFORMATION SYMPHONY
HIROSHIMA INFORMATION SYMPHONY CO Ltd
Kinki University
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HIROSHIMA INFORMATION SYMPHONY
HIROSHIMA INFORMATION SYMPHONY CO Ltd
Kinki University
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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の座標検出装置は、指示部のとどかない装
置から離れた場所の座標を測ることは出来なかった。ま
た装置自体大掛かりなものであり、個人が片手で操作で
きるようなものではなかった。 【課題を解決するための手段】指示物体を指し示すレー
ザー光照射装置と、台座とレーザー光照射装置を連結す
る複数のアーム及び複数の関節、各関節の角度を検出す
る角度センサーとから構成され、レーザー光と指示平面
との交点を計算し指示物体の座標を検出する方式とする
ことで、装置から離れた場所の位置座標を検出可能と
し、機器も小型化し片手でも操作できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザー光照射装置に
よって指示された指示物体の座標情報を取得するための
座標検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、大型測定物及び移動体の座標検出
を行う方法として、例えば特開平9−53937号公報
(以下、前記発明1という)に記載の発明がある。前記
発明1の座標測定機は、複数基のレーザービーム投光器
より同一指示物体に投光して、複数基の投光基より得ら
れる角度より、指示物体の三次元座標を測定可能とする
ものである。
【0003】また、三次元座標情報を入力する装置とし
て、例えば特開平5−127815号公報(以下、前記
発明2という)に記載の座標入力装置がある。前記発明
2の座標入力装置は、複数の棒と、これらの棒を直列に
しかも二自由度を有して連結するとともに前後の棒の角
度を検知するセンサーを内蔵している複数の節と、節を
介して直列に連結された棒の一端に連結されている指示
部と、節を介して直列に連結された棒の他端に連結され
各角度センサーからの角度信号に基づいて指示部の三次
元座標を算出する台座兼座標変換装置とを具備する装置
である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前記発明1では、複数
基のレーザービーム投光基を離れた場所に設置する必要
があり、1人で操作するのは難しく、前記発明2では指
示部のとどかない座標入力装置から離れた場所の座標を
測ることは出来ない。またどちらも、装置自体大掛かり
なものであり、個人が片手で操作できるようなものでは
なかった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係る座標検出装
置は、指示物体を指し示すレーザー光照射装置と、台座
とレーザー光照射装置を連結する複数のアーム及び複数
の関節、各関節の角度を検出する角度センサーと、指示
位置を決定した時点で押すスイッチと、各角度センサー
からの信号とスイッチからの信号より座標を計算する演
算部からなり、指示平面(例えば床面)からの本装置の
設置位置を予め設定しておく設定手段を持ち、レーザー
光と指示平面との交点を計算することで、指示物体の座
標を検出する構成をとっている。これによって前述の課
題を解決しようとするものである。
【0006】
【作用】各関節に取り付けられた角度センサーは、アー
ム間の角度情報を演算部に伝達する。座標検出装置のレ
ーザー光照射装置から照射されるレーザー光にて指示平
面にある指示物体を指し示して、スイッチを押すと、あ
らかじめ設定してある座標検出装置の位置情報と、各角
度センサーの角度情報から、指示平面上の指示物体の座
標が算出される。
【0007】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1〜図7に基づ
いて説明する。図1の実施例は、水平面上を旋回する第
1回転関節5と、第1回転関節の回転方向とは直交する
方向に回転する第2回転関節6と、第1回転関節と第2
回転関節を連結する第1アーム2と、指示物体にレーザ
ー光を照射するレーザー光照射装置1と、レーザー光照
射装置に取り付けられたスイッチ13と、レーザー光照
射装置と第2回転関節を連結する第2アーム3と、第1
回転関節及び第2回転関節に取りつけられた角度検出用
の第1関節回転角度センサー8及び第2関節回転角度セ
ンサー9と、各角度センサーからの信号とスイッチから
の信号により座標を計算する演算部11から構成されて
いる。
【0008】演算部は、指示平面(例えば床面)からの
本装置の設置位置を予め設定しておく設定手段を持ち、
レーザー光照射装置と指示平面との交点を計算すること
で、指示物体の座標を検出する。図2は平面座標の算出
方法を説明するための立体斜視図であり、次式は図2を
例に平面座標を算出する式である。
【0009】レーザー光照射装置は,N(≧2)個の複
数関節を有する最終端のアームに取り付けられていると
する。ここで,台座に搭載された最初の関節を第1関節
と呼び,その回転関節角度をθとして,第1関節とと
もに動くアームを第1アームとする。全く同様に,連結
する第(i−1)アーム上に取り付けられた第i関節の
回転関節角度をθとして第i関節とともに動くアーム
を第iアームとする。これより,台座は第0アームとみ
なすことができ,最終端アームは第Nアームとなる。さ
らに,第i関節の回転中心をJと表すことにして,第
iアーム上に設定した,Jを原点とする固定直交座標
系をΣと表記する。なお,Jは台座とともに動くこ
とのない適当な点を表すとする。また,任意の3次元ベ
クトルをΣ座標系で成分表示する場合,そのベクトル
の右上肩に添え字iを付すものと約束する。
【0010】レーザー光照射装置を構成するそれぞれの
アーム長さは設計製作段階において既知であるから,第
(i−1)関節中心Ji−1から第i関節中心Jまで
の関節長さベクトル Ji−1(i−1)Σ座
標系での成分は定数成分となる。すなわち,すべてのi
(=1,2,・・・,N)に対して下記の数式1の関係
が成り立つ。
【0011】
【数1】
【0012】さらに,レーザー光照射装置は最終端アー
ムに固定されているから,レーザー光照射装置の照射方
向ベクトルをeとし,照射方向ベクトルが通過する最終
端アーム(第Nアーム)上の適当な点をPとすると,下
記の数式2の関係が成り立つ。
【0013】
【数2】
【0014】一般に,任意の3次元ベクトルの第i直交
座標系から第(i−1)直交座標系への座標変換を3行
3列の座標変換行列i−1で表現することにする
と,本行列は関節角θを含む直交行列i−1
)になることが知られており,陽に記述することがで
きる。また,第i直交座標系から第0直交座標系への座
標変換を3行3列の座標変換行列で表現すること
にすると,この行列は隣接する座標変換行列の積で表さ
れ,下記の数式3となる。
【0015】
【数3】
【0016】ところで,最終端アーム(第Nアーム)上
の点Pを通る直線(光線)の方程式は,直線上の任意の
点をQとし,その位置ベクトルをxとすると下記の数式
4により与えられる。
【0017】
【数4】
【0018】ここで,kは任意の実数である。数式4全
体を,座標系Σで表現すると下記の数式5を得る。
【0019】
【数5】
【0020】ところが,先に述べた座標変換行列[3]を
利用することにより,数式5は次のように表現される。
【0021】
【数6】
【0022】数式6において,座標変換行列の成
分を求めるのに必要な関節角θは,各関節に取り付け
られた角度を検出するセンサから得られ,また,数式6
を構成するベクトル i−1(Ji−1) ,
(JP) , e は,数式1と数式2の関係から
既知であるから,数式6によりΣ座標系表現の照射光
線の方程式が決定されている。
【0023】さて,3次元空間に位置する指示平面の方
程式は,原点をJとするΣ座標系表現を採用するこ
ととすると,下記の数式7で与えられる。ここで,
は指示平面上の任意の点を表し,は指示平面上の
特定の適当な点を表し,nは指示平面の法線ベクトル
を表す。
【0024】
【数7】
【0025】数式7の右上添え字Tはベクトルの転置を
表し,数式7はベクトルの内積がゼロ(法線ベクトルと
平面内ベクトルが直交)を表している。照射光線と指示
平面の交点は,数式6および数式7を同時に満足するよ
うな位置xで与えられるから,数式6を数式7に代入
して実数kを決定すればよい。この計算を実行すると下
記の数式8を得る。
【0026】
【数8】
【0027】数式8を整理して,以下の求めるべき実数
kを得る。
【0028】
【数9】
【0029】現実的手順としては,以下に示すように,
数式6を構成する項のまとまりとして,aとbとを
先に算出する。
【0030】
【数10】
【0031】
【数11】
【0032】これらの演算結果をもとに,指示平面上の
位置xが下記の数式12により得られる。
【0033】
【数12】
【0034】本実施例では、関節1を水平面上で旋回方
向に回転するように、また2つの角度センサーの稼動方
向を直交させたが、これは座標計算を簡便化するためで
あり、これに限定されるものではなく、水平面上に回転
ないし直交させない場合はオフセット分を考慮した座標
計算を行えば良いのは自明である。
【0035】また本実施例では、関節を2つにしたが、
関節及び関節を連結するアームの数は本実施例に限定さ
れるものではなく、関節を多くすることで指示物体を指
示する操作感を向上させることができるのは自明であ
る。
【0036】また図3は、反射光などを利用して指示物
体までの距離を測定可能な距離計と併用することで、空
間座標を検出することも可能とした場合の構成図であ
り、図4は空間座標の算出方法を説明するための立体斜
視図であり、次式は図4を例に空間座標を算出する式で
ある。
【0037】説明を簡単にするため,最終端アームに搭
載された距離計の設置基準点が,照射装置の光線上にあ
る場合を採り上げる.距離計の基準点が光線上にない場
合は光線から設置基準点までのオフセット分だけを考慮
すればよい。
【0038】距離計の設置基準点Pが照射装置の光線上
にあるから,数式1〜数式6はそのまま成立する。距離
計の設置基準点Pの位置ベクトルおよび光線上に
ある任意の点の位置ベクトルをxとすると,数式6を
利用して,それぞれの位置ベクトルは以下のように表現
される。
【0039】
【数13】
【0040】
【数14】
【0041】数式13および数式14より,明らかに下
記の数式15が成り立つ。
【0042】
【数15】
【0043】距離計は設置基準点Pから光線上にある物
体指示点までの距離rを検出するから,その指示点の位
置ベクトルをとすると,下記の数式16を満足す
る(||*||は絶対値を示す)。
【0044】
【数16】
【0045】数式15、数式16から,指示点の位置ベ
クトルを決定する実数kは下記の数式17を満足する。
【0046】
【数17】
【0047】指示点は照射光線の向かう方向にあるか
ら,実数kは正である.したがって,指示点の位置ベク
トルを決定する実数kは下記の数式18で与えられる。
【0048】
【数18】
【0049】これらより,指示点の位置ベクトル
は,数式15を利用して,下記の数式19により算出さ
れる。
【0050】
【数19】
【0051】現実的手順としては,先に数式10、数式
11を算出して,下記の数式20により指示点の位置ベ
クトルが得られる。
【0052】
【数20】
【0053】図5は、具体例として車椅子への取り付け
を想定した場合の座標検出装置の利用例を示したもので
ある。座標検出装置は車椅子の肘掛け等適当な位置に固
定し、演算部は座席の下部等邪魔にならない適当な位置
に取り付ける。
【0054】車椅子に乗った利用者が、座標検出装置の
レーザー光照射装置から照射されるレーザー光にて床面
にある指示物体を指し示して、スイッチを押すと、指示
物体の位置が算出される。
【0055】例えば、車椅子の利用者やベッドで寝たき
りの利用者が、特殊な機械装置を利用して床にある物を
拾い上げようとした場合、この座標検出装置によって取
得した物体の座標情報を基にその機械装置が動作し、床
にある物を拾い上げることが可能となる。
【0056】
【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、片手で操作できるほど小型軽量で、離れた場所の
座標情報を非常に簡単かつ直接的に検出できる従来にな
い優れた座標検出装置を提供することができる。
【0057】また、反射光などを利用して指示物体まで
の距離を測定可能な距離計と併用することで、三次元空
間座標を検出することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示した構成図
【図2】平面座標の算出方法を説明するための立体斜視
【図3】距離計を併用した三次元空間座標検出装置への
応用例
【図4】空間座標の算出方法を説明するための立体斜視
【図5】車椅子への取り付けを想定した場合の座標検出
装置の利用例
【図6】試作品の構成図(側面図)
【図7】試作品の構成図(正面図)
【符号の説明】
1. レーザー光照射装置 2. 第1アーム 3. 第2アーム 4. 第3アーム 5. 第1回転関節 6. 第2回転関節 7. 第3回転関節 8. 第1関節回転角度センサー 9. 第2関節回転角度センサー 10. 第3関節回転角度センサー 11. 演算部 12. 距離計 13. スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA04 AA06 AA31 AA39 DD02 GG04 HH18 MM13 5B068 AA05 AA36 BB31 BD09 CC06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 指示物体を指し示すレーザー光照射装置
    と、台座とレーザー光照射装置を連結する複数のアーム
    及び複数の関節、各関節の角度を検出する角度センサー
    とから構成され、レーザー光と指示平面との交点を計算
    することで、指示物体の座標を検出することを特徴とす
    る座標検出装置。
  2. 【請求項2】 指示平面からの本装置の設置位置を予め
    設定しておく設定手段を持ち、各角度センサーからの角
    度情報に基づいて前記指示平面との交点の座標を算出す
    る機能を備えていることを特徴とする請求項1記載の座
    標検出装置。
  3. 【請求項3】 レーザー光照射装置と、反射光などを利
    用して指示位置までの距離を測定可能な距離計と併用す
    ることで、三次元空間座標を検出する機能を備えている
    ことを特徴とする請求項1記載の座標検出装置。
JP2002056662A 2002-03-01 2002-03-01 指示物体の座標情報を検出する座標検出装置 Pending JP2003254709A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009058503A (ja) * 2007-08-10 2009-03-19 Leica Geosystems Ag 非接触で対象表面の座標を測定する測定方法および測定システム
US9020240B2 (en) 2007-08-10 2015-04-28 Leica Geosystems Ag Method and surveying system for noncontact coordinate measurement on an object surface

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009058503A (ja) * 2007-08-10 2009-03-19 Leica Geosystems Ag 非接触で対象表面の座標を測定する測定方法および測定システム
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