(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023148294
(43)【公開日】2023-10-13
(54)【発明の名称】３次元角度検出装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/26 20060101AFI20231005BHJP
【ＦＩ】
G01B11/26 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022056232
(22)【出願日】2022-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000004204
【氏名又は名称】日本精工株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】外輪 徹志
(72)【発明者】
【氏名】若▲崎▼ 知己
(72)【発明者】
【氏名】ハウス リチャード
【テーマコード（参考）】
2F065
【Ｆターム（参考）】
2F065AA12
2F065AA34
2F065AA37
2F065BB12
2F065CC10
2F065DD03
2F065FF04
2F065GG07
2F065JJ03
2F065JJ26
2F065LL12
2F065QQ17
2F065SS04
2F065SS09
2F065SS13
2F065SS15
(57)【要約】
【課題】コストを抑えつつ直線状の部材の配置状態を検出すること。
【解決手段】直線対象物Ｓを撮影するカメラ１５と、カメラ１５が直線対象物Ｓを撮影する方向とは異なる方向から見た直線対象物Ｓの鏡像１０２をカメラ１５に向けて反射するプリズム２０と、カメラ１５で撮影した画像データ１００を取得する画像データ取得部３２と、画像データ１００上における直線対象物Ｓの角度を取得する角度取得部３４と、取得した直線対象物Ｓの角度に基づいて直線対象物Ｓの３次元角度を算出する演算処理部３５と、を備え、カメラ１５は、直線対象物Ｓの実像１０１とプリズム２０で反射した鏡像１０２とを同時に撮影し、角度取得部３４は、画像データ１００上における直線対象物Ｓの実像１０１の角度と鏡像１０２の角度とをそれぞれ取得し、演算処理部３５は、直線対象物Ｓの実像１０１の角度と鏡像１０２の角度とに基づいて直線対象物Ｓの３次元角度を算出する。
【選択図】図１
【解決手段】直線対象物Ｓを撮影するカメラ１５と、カメラ１５が直線対象物Ｓを撮影する方向とは異なる方向から見た直線対象物Ｓの鏡像１０２をカメラ１５に向けて反射するプリズム２０と、カメラ１５で撮影した画像データ１００を取得する画像データ取得部３２と、画像データ１００上における直線対象物Ｓの角度を取得する角度取得部３４と、取得した直線対象物Ｓの角度に基づいて直線対象物Ｓの３次元角度を算出する演算処理部３５と、を備え、カメラ１５は、直線対象物Ｓの実像１０１とプリズム２０で反射した鏡像１０２とを同時に撮影し、角度取得部３４は、画像データ１００上における直線対象物Ｓの実像１０１の角度と鏡像１０２の角度とをそれぞれ取得し、演算処理部３５は、直線対象物Ｓの実像１０１の角度と鏡像１０２の角度とに基づいて直線対象物Ｓの３次元角度を算出する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直線対象物を撮影する撮影部と、
前記撮影部が前記直線対象物を撮影する方向とは異なる方向から前記直線対象物を見た前記直線対象物の鏡像を前記撮影部に向けて反射する反射部材と、
前記撮影部で撮影した画像データを取得する画像データ取得部と、
前記画像データ取得部で取得した前記画像データから前記画像データ上における前記直線対象物の角度を取得する角度取得部と、
前記角度取得部で取得した前記画像データ上における前記直線対象物の角度に基づいて前記直線対象物の３次元角度を算出する演算処理部と、
を備え、
前記撮影部は、前記直線対象物の実像と前記反射部材で反射した前記直線対象物の前記鏡像とを同時に撮影し、
前記角度取得部は、前記画像データ上における前記直線対象物の前記実像の角度と前記鏡像の角度とをそれぞれ取得し、
前記演算処理部は、前記角度取得部で取得した前記直線対象物の前記実像の角度と前記鏡像の角度とに基づいて前記直線対象物の３次元角度を算出する３次元角度検出装置。
前記撮影部が前記直線対象物を撮影する方向とは異なる方向から前記直線対象物を見た前記直線対象物の鏡像を前記撮影部に向けて反射する反射部材と、
前記撮影部で撮影した画像データを取得する画像データ取得部と、
前記画像データ取得部で取得した前記画像データから前記画像データ上における前記直線対象物の角度を取得する角度取得部と、
前記角度取得部で取得した前記画像データ上における前記直線対象物の角度に基づいて前記直線対象物の３次元角度を算出する演算処理部と、
を備え、
前記撮影部は、前記直線対象物の実像と前記反射部材で反射した前記直線対象物の前記鏡像とを同時に撮影し、
前記角度取得部は、前記画像データ上における前記直線対象物の前記実像の角度と前記鏡像の角度とをそれぞれ取得し、
前記演算処理部は、前記角度取得部で取得した前記直線対象物の前記実像の角度と前記鏡像の角度とに基づいて前記直線対象物の３次元角度を算出する３次元角度検出装置。
【請求項2】
前記画像データ取得部で取得した前記画像データに対して画像処理を行う画像処理部を備え、
前記画像処理部は、前記画像データにおける前記直線対象物以外の部分に対する前記直線対象物の境界線の検出を行い、
前記角度取得部は、前記画像処理部で検出した前記境界線の角度を取得することにより、前記直線対象物の角度を取得する請求項１に記載の３次元角度検出装置。
前記画像処理部は、前記画像データにおける前記直線対象物以外の部分に対する前記直線対象物の境界線の検出を行い、
前記角度取得部は、前記画像処理部で検出した前記境界線の角度を取得することにより、前記直線対象物の角度を取得する請求項１に記載の３次元角度検出装置。
【請求項3】
前記演算処理部は、任意の方向に対する前記直線対象物の前記実像の角度をθ１とし、前記鏡像の角度をθ２とする場合に、下記の式（１）により前記直線対象物の３次元角度θを算出する請求項１または２に記載の３次元角度検出装置。
【数1】
【請求項4】
前記演算処理部で算出した前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内であるか否かの判定を行う判定部と、
前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないと前記判定部で判定した場合に、前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないことの報知を行う報知部と、
を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の３次元角度検出装置。
前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないと前記判定部で判定した場合に、前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないことの報知を行う報知部と、
を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の３次元角度検出装置。
【請求項5】
前記直線対象物の角度を調節する姿勢補正機構と、
前記演算処理部で算出した前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内であるか否かの判定を行う判定部と、
を備え、
前記姿勢補正機構は、前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないと前記判定部で判定した場合に、前記演算処理部で算出した前記直線対象物の３次元角度に基づいて前記直線対象物の角度を調節する請求項１から３のいずれか１項に記載の３次元角度検出装置。
前記演算処理部で算出した前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内であるか否かの判定を行う判定部と、
を備え、
前記姿勢補正機構は、前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないと前記判定部で判定した場合に、前記演算処理部で算出した前記直線対象物の３次元角度に基づいて前記直線対象物の角度を調節する請求項１から３のいずれか１項に記載の３次元角度検出装置。
【請求項6】
前記反射部材にはプリズムが用いられる請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元角度検出装置。
【請求項7】
前記直線対象物に対して前記撮影部が位置する側の反対側と、前記直線対象物に対して前記反射部材が位置する側の反対側とには、前記直線対象物に対して光を照射する光源が配置される請求項１から６のいずれか１項に記載の３次元角度検出装置。
【請求項8】
光を発光する光源と、
前記反射部材に取り付けられ、前記光源からの光を伝送して前記直線対象物に対して照射する光ファイバと、
を備える請求項１から６のいずれか１項に記載の３次元角度検出装置。
前記反射部材に取り付けられ、前記光源からの光を伝送して前記直線対象物に対して照射する光ファイバと、
を備える請求項１から６のいずれか１項に記載の３次元角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、３次元角度検出装置に関し、特に、微小直線物の角度を検出する３次元角度検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
微小な領域を観察する際、一般的に顕微鏡を使用して観察を行う。顕微鏡観察の多くは、対物レンズやカメラに対して正面方向の２次元情報しか得られない。そのため、正面方向以外の側面や奥行方向の詳細情報を得ることは困難である。一方、近年の観察技術の発達により、観察する対物レンズを奥行方向へ高速に上下動し、スキャニング操作し、それらの画像を合成することで３次元観察を行う技術や、カメラなどの観察素子を２つ使用し、異なる軸方向から観察を行い、３次元的な観察を実現する試みがされている。
【0003】
しかし、カメラなどの観察素子を複数用いる場合、コストの増大の要因になる。このため、近年の観察装置の中には、多面観察プリズムを用いることにより、観察対象物の複数の面を１つの方向から観察可能としているものがある（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１７－１８７４８５号公報
【特許文献2】特開２００７－１０４４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ここで、観察の対象物が直線状の部材の場合は、形状だけでなく、配置されている角度が重要な場合がある。例えば、微小な領域において直線状の針を用いて細胞操作を行う場合、空間における針の配置状態を認識することが、正確な操作を行う上で重要になる。なぜならば、細胞に針を刺し、試薬を注入するような操作を行う場合、その操作時に針の位置決め操作を行う機器が高精度に動作しても、駆動する軸に対して針に傾きが生じている場合、要求される操作が出来ない場合があるからである。このため、針を用いて微小な領域で正確な操作を行う際には、針の傾きを含めた３次元情報、即ち、針の配置状態についての情報が必要になる。しかし、多面観察プリズムを用いることによって針のような直線状の対象物を複数の面から観察した場合、形状についてはある程度認識できたとしても、空間における対象物の配置状態を高い精度で認識するのは困難なものとなっている。
【0006】
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、コストを抑えつつ直線状の部材の配置状態を検出することのできる３次元角度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の３次元角度検出装置は、直線対象物を撮影する撮影部と、前記撮影部が前記直線対象物を撮影する方向とは異なる方向から前記直線対象物を見た前記直線対象物の鏡像を前記撮影部に向けて反射する反射部材と、前記撮影部で撮影した画像データを取得する画像データ取得部と、前記画像データ取得部で取得した前記画像データから前記画像データ上における前記直線対象物の角度を取得する角度取得部と、前記角度取得部で取得した前記画像データ上における前記直線対象物の角度に基づいて前記直線対象物の３次元角度を算出する演算処理部と、を備え、前記撮影部は、前記直線対象物の実像と前記反射部材で反射した前記直線対象物の前記鏡像とを同時に撮影し、前記角度取得部は、前記画像データ上における前記直線対象物の前記実像の角度と前記鏡像の角度とをそれぞれ取得し、前記演算処理部は、前記角度取得部で取得した前記直線対象物の前記実像の角度と前記鏡像の角度とに基づいて前記直線対象物の３次元角度を算出する。
【0008】
この構成によれば、撮影部が直線対象物を撮影する方向とは異なる方向から見た直線対象物の鏡像を撮影部に向けて反射する反射部材を備え、撮影部によって直線対象物の実像と反射部材で反射した直線対象物の鏡像とを同時に撮影する。さらに、撮影部によって撮影した画像データ上における直線対象物の実像の角度と鏡像の角度とを角度取得部によってそれぞれ取得し、角度取得部で取得した直線対象物の実像の角度と鏡像の角度とに基づいて直線対象物の３次元角度を演算処理部により算出する。これにより、直線対象物を１つの撮影部で撮影することによって、直線対象物の３次元角度を算出することができ、コストを抑えつつ、直線状の部材である直線対象物の配置状態を検出することができる。
【0009】
望ましい形態として、前記画像データ取得部で取得した前記画像データに対して画像処理を行う画像処理部を備え、前記画像処理部は、前記画像データにおける前記直線対象物以外の部分に対する前記直線対象物の境界線の検出を行い、前記角度取得部は、前記画像処理部で検出した前記境界線の角度を取得することにより、前記直線対象物の角度を取得する。
【0010】
この構成によれば、画像データにおける直線対象物以外の部分に対する直線対象物の境界線を検出し、角度取得部は、検出した境界線の角度を取得することにより、画像データ上における直線対象物の角度を取得する。これにより、１つの撮影部で撮影した画像データの中から、画像データ上における直線対象物の角度を取得することができ、取得した直線対象物の角度に基づいて、直線対象物の３次元角度を演算処理部によって算出することができる。この結果、コストを抑えつつ直線対象物の配置状態を検出することができる。
【0011】
望ましい形態として、前記演算処理部は、任意の方向に対する前記直線対象物の前記実像の角度をθ１とし、前記鏡像の角度をθ２とする場合に、下記の式（１）により前記直線対象物の３次元角度θを算出する。
【0012】
【数1】
【0013】
この構成によれば、直線対象物の３次元角度θは、画像データ上における直線対象物の実像の角度θ１と鏡像の角度θ２とより、上記の式（１）を用いて算出するため、画像データより取得した直線対象物の角度に基づいて直線対象物の３次元角度θを算出することができる。この結果、コストを抑えつつ直線対象物の配置状態を検出することができる。
【0014】
望ましい形態として、前記演算処理部で算出した前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内であるか否かの判定を行う判定部と、前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないと前記判定部で判定した場合に、前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないことの報知を行う報知部と、を備える。
【0015】
この構成によれば、算出した直線対象物の３次元角度が所定の範囲内であるか否かの判定を行い、３次元角度が所定の範囲内ではないと判定した場合に、直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないことを報知部で報知するため、直線対象物が不適切に配置されている状態で使用されることを抑制できる。この結果、直線対象物が不適切に配置されている状態で使用されることに伴う作業性の悪化を抑制することができる。
【0016】
望ましい形態として、前記直線対象物の角度を調節する姿勢補正機構と、前記演算処理部で算出した前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内であるか否かの判定を行う判定部と、を備え、前記姿勢補正機構は、前記直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないと前記判定部で判定した場合に、前記演算処理部で算出した前記直線対象物の３次元角度に基づいて前記直線対象物の角度を調節する。
【0017】
この構成によれば、算出した直線対象物の３次元角度が所定の範囲内ではないと判定した場合に、直線対象物の角度を姿勢補正機構によって調節するため、直線対象物が不適切に配置されている状態で使用されることを抑制できる。この結果、直線対象物が不適切に配置されている状態で使用されることに伴う作業性の悪化を抑制することができる。
【0018】
望ましい形態として、前記反射部材にはプリズムが用いられる。
【0019】
この構成によれば、撮影部が直線対象物を撮影する方向とは異なる方向から見た直線対象物の鏡像を撮影部に向けて反射する反射部材には、プリズムが用いられるため、損傷し難く、配置をし易い反射部材を設けることができる。この結果、コストを抑えつつ直線対象物の配置状態を検出することができる。
【0020】
望ましい形態として、前記直線対象物に対して前記撮影部が位置する側の反対側と、前記直線対象物に対して前記反射部材が位置する側の反対側とには、前記直線対象物に対して光を照射する光源が配置される。
【0021】
この構成によれば、直線対象物に対して撮影部が位置する側の反対側と、直線対象物に対して反射部材が位置する側の反対側とに光源を配置して直線対象物に対して光を照射するため、画像データにおける直線対象物の境界線の検出を行う際に、境界線を容易に検出可能にすることができる。これにより、画像データ上における直線対象物の実像の角度と鏡像の角度とを容易に取得することができ、直線対象物の実像の角度と鏡像の角度とより、直線対象物の３次元角度を算出することができる。この結果、コストを抑えつつ直線対象物の配置状態を検出することができる。
【0022】
望ましい形態として、光を発光する光源と、前記反射部材に取り付けられ、前記光源からの光を伝送して前記直線対象物に対して照射する光ファイバと、を備える。
【0023】
この構成によれば、反射部材に光ファイバを取り付け、１つの光源からの光を光ファイバで伝送して直線対象物の近傍に位置する光ファイバの照射部から直線対象物に対して照射するため、直線対象物を照射するための構成の小型化を図ることができる。従って、３次元角度検出装置の小型化を図ることができる。
【発明の効果】
【0024】
本開示に係る３次元角度検出装置は、コストを抑えつつ直線状の部材の配置状態を検出することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【発明を実施するための形態】
【0026】
発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本開示が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【0027】
［第１実施形態]
図１は、第１実施形態に係る３次元角度検出装置１０を示す模式図である。図２は、図１に示す３次元角度検出装置１０の平面図である。図１、図２は、３次元角度検出装置１０の要部の構成を模式的に示している。なお、以下の説明では、後述するカメラ１５の光軸の方向を、３次元角度検出装置１０におけるＹ方向として説明し、Ｙ方向に直交する２方向のうち、一方をＺ方向とし、他方をＸ方向として説明する。また、第１実施形態に係る３次元角度検出装置１０は、Ｚ方向が３次元角度検出装置１０における上下方向となる向きで用いられ、これに伴い以下の説明では、Ｚ方向を３次元角度検出装置１０における上下方向Ｚとし、Ｙ方向を３次元角度検出装置１０における奥行方向Ｙとし、Ｘ方向を３次元角度検出装置１０における幅方向Ｘとして説明する。
図１は、第１実施形態に係る３次元角度検出装置１０を示す模式図である。図２は、図１に示す３次元角度検出装置１０の平面図である。図１、図２は、３次元角度検出装置１０の要部の構成を模式的に示している。なお、以下の説明では、後述するカメラ１５の光軸の方向を、３次元角度検出装置１０におけるＹ方向として説明し、Ｙ方向に直交する２方向のうち、一方をＺ方向とし、他方をＸ方向として説明する。また、第１実施形態に係る３次元角度検出装置１０は、Ｚ方向が３次元角度検出装置１０における上下方向となる向きで用いられ、これに伴い以下の説明では、Ｚ方向を３次元角度検出装置１０における上下方向Ｚとし、Ｙ方向を３次元角度検出装置１０における奥行方向Ｙとし、Ｘ方向を３次元角度検出装置１０における幅方向Ｘとして説明する。
【0028】
第１実施形態に係る３次元角度検出装置１０は、例えば、微小な領域で細胞等の微小物質に対して針等の直線部材によって操作を行うマニピュレーションシステムに適用される。３次元角度検出装置１０は、針やキャピラリー等のように直線状に形成された直線対象物Ｓの３次元角度を検出することが可能になっている。
【0029】
３次元角度検出装置１０は、直線対象物Ｓの端部を把持する把持装置６０を有しており、把持装置６０で直線対象物Ｓを把持することにより、直線対象物Ｓの延在方向が上下方向Ｚなる向きで直線対象物Ｓを配置する。即ち、把持装置６０は、上下方向Ｚに沿って延びる向きで配置される直線対象物Ｓの上端寄りの部分を着脱自在に把持する。
【0030】
３次元角度検出装置１０は、直線対象物Ｓを撮影する撮影部と、撮影部が直線対象物Ｓを撮影する方向とは異なる方向から直線対象物Ｓを見た直線対象物Ｓの鏡像を撮影部に向けて反射する反射部材とを有している。
【0031】
撮影部には、対象物を撮影し、撮影した映像を電気信号として出力することが可能なカメラ１５が用いられる。カメラ１５は、光軸が延びる方向に直線対象物Ｓが位置する位置に配置され、これによりカメラ１５は、直線対象物Ｓを撮影することができる。
【0032】
反射部材には、プリズム２０が用いられる。プリズム２０は、直線対象物Ｓに対して幅方向Ｘにおける側方に配置されている。プリズム２０は、ガラス等の透明な材料からなる多面体の形状で形成されており、その１つの面が、幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方で直線対象物Ｓに沿って上下方向Ｚに延びる反射面２１になっている。反射面２１は、直線対象物Ｓとカメラ１５との双方に面する面になっており、奥行方向Ｙと幅方向Ｘとの双方に対して、約４５°の傾斜角を有する面になっている。換言すると、プリズム２０は、反射面２１を幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方に位置させると共に、奥行方向Ｙと幅方向Ｘとの双方に対する反射面２１の傾斜角が約４５°となる向きで配置されている。
【0033】
反射面２１は、幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方で直線対象物Ｓとカメラ１５との双方に面し、且つ、奥行方向Ｙと幅方向Ｘとの双方に対する傾斜角が４５°となる向きで配置されるため、直線対象物Ｓが位置する側から幅方向Ｘに進む光を、奥行方向Ｙにおけるカメラ１５が位置する側に向けて反射することが可能になっている。つまり、プリズム２０の反射面２１は、直線対象物Ｓが位置する側から幅方向Ｘに進む光を、９０°向きを変えてカメラ１５が位置する側に向けて全反射させることが可能になっている。
【0034】
プリズム２０は、このように反射面２１が直線対象物Ｓの側方に配置され、直線対象物Ｓが位置する側から反射面２１に向かう光を、カメラ１５が位置する側に向けて全反射させることができる。このため、カメラ１５は、直線対象物Ｓの実像と、プリズム２０の反射面２１で反射した直線対象物Ｓの鏡像との双方を撮影することができる。
【0035】
また、３次元角度検出装置１０は、直線対象物Ｓに対して光を照射する光源７０を有している。光源７０には、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が用いられる。光源７０は、直線対象物Ｓに対してカメラ１５が位置する側の反対側に配置される第１光源７１と、直線対象物Ｓに対してプリズム２０が位置する側の反対側に配置される第２光源７２とを有している。第１光源７１は、奥行方向Ｙにおいて、直線対象物Ｓに対してカメラ１５が位置する側の反対側に配置されており、カメラ１５が位置する側の反対側から、直線対象物Ｓに向けて光を照射することが可能になっている。第２光源７２は、幅方向Ｘにおいて、直線対象物Ｓに対してプリズム２０が位置する側の反対側に配置されており、プリズム２０が位置する側の反対側から、直線対象物Ｓに向けて光を照射することが可能になっている。
【0036】
図３は、図１に示す３次元角度検出装置１０が有する制御装置３０の説明図である。３次元角度検出装置１０は、３次元角度検出装置１０の制御を行う制御装置３０を有している。制御装置３０は、３次元角度検出装置１０が適用されるマニピュレーションシステムの制御を行う制御装置に組み込まれる。なお、３次元角度検出装置１０の制御装置３０は、マニピュレーションシステムの制御を行う制御装置から独立して設けられていてもよい。
【0037】
制御装置３０は、処理部３１と、記憶部４０とを有している。処理部３１は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、各種情報を記憶するメモリとして機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などを有している。処理部３１の各機能の全部または一部は、ＲＯＭに保持されるアプリケーションプログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行することによって、ＲＡＭやＲＯＭにおけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。
【0038】
記憶部４０は、処理部３１と電気的に接続され、情報を記憶する記憶装置である。制御装置３０による３次元角度検出装置１０の制御時は、処理部３１によって取得した情報や処理部３１によって演算した情報を記憶部４０に記憶したり、記憶部４０に記憶されている情報を処理部３１で呼び出して３次元角度検出装置１０の制御に用いたりする。
【0039】
なお、処理部３１により実現される各機能は、プログラムとして予め記憶部４０に記憶されていてもよい。この場合、処理部３１は、記憶部４０に記憶されているプログラムを処理部３１で呼び出し、プログラムに沿った動作を処理部３１で実行することにより、各機能を実行する。また、記憶部４０は、制御装置３０に一体に備えられていてもよく、制御装置３０に対して着脱自在に構成されていてもよい。
【0040】
また、制御装置３０には、カメラ１５と報知部５０とが電気的に接続されている。
【0041】
処理部３１は、機能的に画像データ取得部３２と、画像処理部３３と、角度取得部３４と、演算処理部３５と、判定部３６と、不良時制御部３７とを有している。このうち、画像データ取得部３２は、カメラ１５で撮影した画像データ１００（図４参照）を取得する。
【0042】
画像処理部３３は、画像データ取得部３２で取得した画像データ１００に対して画像処理を行い、画像データ１００における直線対象物Ｓ以外の部分に対する直線対象物Ｓの境界線１０６（図５参照）の検出を行う。
【0043】
角度取得部３４は、画像データ取得部３２で取得した画像データ１００から、画像データ１００上における直線対象物Ｓの角度を取得する。詳しくは、角度取得部３４は、画像処理部３３で検出した境界線１０６の角度を取得することにより、画像データ１００上における直線対象物Ｓの角度を取得する。
【0044】
演算処理部３５は、角度取得部３４で取得した画像データ１００上における直線対象物Ｓの角度に基づいて、直線対象物Ｓの３次元角度を算出する。この場合における３次元角度は、直線対象物Ｓを配置する際における目標となる直線対象物Ｓの延在方向である基準方向に対する角度を示している。つまり、３次元角度は、カメラ１５が直線対象物Ｓを撮影する方向である奥行方向Ｙから直線対象物Ｓを見た場合の角度や、プリズム２０の反射面２１がカメラ１５に向けて反射する直線対象物Ｓからの光が進む方向である幅方向Ｘから直線対象物Ｓを見た場合の角度に捕らわれない角度になっている。第１実施形態では、基準方向は上下方向Ｚになっており、３次元角度は、上下方向Ｚに対する直線対象物Ｓの傾斜角度になっている。
【0045】
判定部３６は、演算処理部３５で算出した直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内であるか否かの判定を行う。即ち、判定部３６は、基準方向に対する直線対象物Ｓの傾斜角度が所定の範囲内であるか否かの判定を行う。
【0046】
不良時制御部３７は、直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内ではないと判定部３６で判定した場合に、任意の機器に対して所定の動作を行わせる。第１実施形態では、不良時制御部３７は、直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内ではないと判定部３６で判定した場合に、直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内ではないことの報知を報知部５０に行わせる。
【0047】
報知部５０は、不良時制御部３７からの制御信号に基づいて作動し、直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内ではないと判定部３６で判定した場合に、直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内ではないことの報知を、３次元角度検出装置１０を操作する作業者に対して行う。報知部５０は、例えば、視覚的な情報や、聴覚的な情報により報知を行う。即ち、報知部５０は、例えば、表示部（図示省略）を有し、直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内ではないことを表示部に表示したり、スピーカ（図示省略）を有し、直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内ではないことをスピーカから音声によって報知したりする。
【0048】
次に、３次元角度検出装置１０による直線対象物Ｓの３次元角度の検出手順について説明する。３次元角度検出装置１０で直線対象物Ｓの３次元角度を検出する際には、まず、マニピュレーションシステムで使用する針やキャピラリー等の直線対象物Ｓを、把持装置６０で把持させる。第１実施形態では、直線対象物Ｓは、延在方向が概ね上下方向Ｚとなる向きにし、直線対象物Ｓの上端付近を把持装置６０で把持させる。直線対象物Ｓは、把持装置６０で把持することより、カメラ１５の光軸上に直線対象物Ｓが配置され、プリズム２０に対しては、幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方にプリズム２０が有する反射面２１が位置する位置関係となって配置される。
【0049】
把持装置６０で直線対象物Ｓを把持したら、光源７０を発光させ、光源７０で発光した光を直線対象物Ｓに対して照射しながら、カメラ１５で直線対象物Ｓを撮影する。即ち、直線対象物Ｓに対して奥行方向Ｙにおけるカメラ１５が位置する側の反対側から第１光源７１によって光を照射し、直線対象物Ｓに対して幅方向Ｘにおけるプリズム２０が位置する側の反対側から第２光源７２によって光を照射する。カメラ１５は、このように光源７０によって光が照射されている状態で、直線対象物Ｓを撮影する。
【0050】
その際に、幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方には、プリズム２０の反射面２１が位置し、プリズム２０の反射面２１は、直線対象物Ｓが位置する側から反射面２１に向かう光を、カメラ１５が位置する方向に向けて全反射させることが可能になっている。これにより、カメラ１５は、直線対象物Ｓの実像１０１と、プリズム２０の反射面２１で反射した直線対象物Ｓの鏡像１０２とを同時に撮影する。
【0051】
図４は、画像データ１００の一例を示す模式図である。カメラ１５で撮影した画像データ１００は、電気信号によって制御装置３０の処理部３１に送られ、処理部３１が有する画像データ取得部３２で取得する。画像データ取得部３２で取得した画像データ１００には、１つの画像データ１００に、直線対象物Ｓの実像１０１と、プリズム２０の反射面２１で反射した直線対象物Ｓの鏡像１０２とが含まれたものになっている。
【0052】
詳しくは、プリズム２０の反射面２１は、直線対象物Ｓに対して幅方向Ｘにおける側方に配置されているため、画像データ１００においても、反射面２１の画像は直線対象物Ｓの実像１０１の側方に位置している。
【0053】
なお、カメラ１５は、光軸の方向が奥行方向Ｙとなる向きで直線対象物Ｓを撮影するため、撮影した画像データ１００のうちの実像１０１では、奥行方向Ｙが画像データ１００においても奥行方向として表れ、幅方向Ｘは、画像データ１００においては横方向となって表れる。また、上下方向Ｚは、画像データ１００においては上下方向となって表れる。
【0054】
このため、上下方向Ｚに延在して配置される直線対象物Ｓは、画像データ１００においても実像１０１が上下方向に延びて表れ、幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方に位置するプリズム２０の反射面２１の画像は、画像データ１００では直線対象物Ｓの実像１０１の横に表れる。プリズム２０の反射面２１で反射した直線対象物Ｓの鏡像１０２は、このように直線対象物Ｓの実像１０１の横に表れる反射面２１の画像中に位置して表れる。直線対象物Ｓの鏡像１０２は、直線対象物Ｓの実像１０１と同様に、画像データ１００中において上下方向に延びる画像になる。
【0055】
また、幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方に配置されるプリズム２０の反射面２１は、直線対象物Ｓに対して幅方向Ｘから面するため、画像データ１００におけるプリズム２０の反射面２１の画像中に表れる直線対象物Ｓの鏡像１０２は、直線対象物Ｓを幅方向Ｘに見た画像になっている。
【0056】
ここで、プリズム２０の反射面２１は、幅方向Ｘに進む光をカメラ１５が位置する側に９０°向きを変えて反射するが、反射面２１で反射する前の光では、光の進行方向は幅方向Ｘになり、光の進行方向に対して水平方向に直交する方向は奥行方向Ｙになる。一方、幅方向Ｘに進む光を反射面２１で反射することによりカメラ１５が位置する方向に進む光では、光の進行方向は奥行方向Ｙになり、光の進行方向に対して水平方向に直交する方向は幅方向Ｘになる。
【0057】
このため、画像データ１００におけるプリズム２０の反射面２１の画像（鏡像１０２）中では、３次元角度検出装置１０の実際の奥行方向Ｙは、反射面２１の画像中では横方向になり、３次元角度検出装置１０の実際の幅方向Ｘは、反射面２１の画像中では奥行方向になる。つまり、画像データ１００における直線対象物Ｓの実像１０１では、幅方向Ｘは画像データ１００の横方向になり、奥行方向Ｙは画像データ１００においても奥行方向になるのに対し、直線対象物Ｓの鏡像１０２では、幅方向Ｘは画像データ１００の奥行方向になり、奥行方向Ｙは画像データ１００では横方向になる。
【0058】
３次元角度検出装置１０は、直線対象物Ｓの実像１０１と、プリズム２０で反射した直線対象物Ｓの鏡像１０２とをカメラ１５で同時に撮影することにより、１つの画像データ１００中に、直線対象物Ｓを奥行方向Ｙに見た画像と、直線対象物Ｓを奥行方向Ｙに対して直交する幅方向Ｘに見た画像とを含めることができる。
【0059】
直線対象物Ｓの実像１０１と鏡像１０２とを含む画像データ１００を画像データ取得部３２により取得したら、画像データ取得部３２で取得した画像データ１００に対して、制御装置３０の処理部３１が有する画像処理部３３によって画像処理を行う。
【0060】
画像処理部３３は、画像データ１００に対して画像処理を行うことにより、画像データ１００中における直線対象物Ｓの画像と、直線対象物Ｓ以外の部分との境界を求める。画像処理部３３は、例えば画像データ１００に対して二値化処理を施すことにより、画像データ１００中における直線対象物Ｓの画像と、直線対象物Ｓ以外の部分との境界を明確にする。
【0061】
つまり、カメラ１５で直線対象物Ｓを撮影する際には、直線対象物Ｓに対して、奥行方向Ｙにおけるカメラ１５が位置する側の反対側から第１光源７１によって光を照射するため、カメラ１５が位置する側から見た直線対象物Ｓの周囲は、直線対象物Ｓよりも明るくなる。このため、画像データ１００における直線対象物Ｓの実像１０１の周囲の輝度は、直線対象物Ｓの実像１０１の輝度よりも高くなる。
【0062】
同様に、カメラ１５で直線対象物Ｓを撮影する際には、直線対象物Ｓに対して、幅方向Ｘにおけるプリズム２０が位置する側の反対側から第２光源７２によって光を照射するため、プリズム２０が位置する側から見た直線対象物Ｓの周囲は、直線対象物Ｓよりも明るくなる。このため、画像データ１００における、プリズム２０の反射面２１で反射した直線対象物Ｓの鏡像１０２の周囲の輝度は、直線対象物Ｓの鏡像１０２の輝度よりも高くなる。
【0063】
このため、画像処理部３３は、直線対象物Ｓの実像１０１や鏡像１０２と、その周囲とを切り分けることができる閾値で、輝度を用いて二値化する。これにより、画像データ１００中における直線対象物Ｓの画像と、直線対象物Ｓの周囲の部分との境界を明確にする。
【0064】
図５は、画像データ１００における直線対象物Ｓの境界線１０６を検出した状態を示す説明図である。なお、図５では、直線対象物Ｓの実像１０１と鏡像１０２とを分かり易くするため、プリズム２０の反射面２１も図示しているが、二値化処理を行った場合は、反射面２１も認識し難くなる。画像データ１００に対して画像処理を行うことにより、直線対象物Ｓの画像と直線対象物Ｓの周囲の部分との境界を明確にした画像処理部３３は、画像データ１００における直線対象物Ｓ以外の部分に対する直線対象物Ｓの境界線１０６の検出を行う。つまり、画像処理部３３は、二値化処理を行った画像データ１００における、二値化の二つの値の境界部分を検出する。例えば、画像データ１００に対して二値化処理を行う際に、輝度が閾値よりも高い画素は白にし、輝度が閾値よりも低い画素は黒にした場合、白い画素と黒い画素との境界を、直線対象物Ｓと直線対象物Ｓ以外の部分との境界として検出する。
【0065】
さらに、画像処理部３３は、検出した直線対象物Ｓと直線対象物Ｓ以外の部分との境界のうち、所定の長さ以上の長さで直線状に延びる部分を、直線対象物Ｓ以外の部分に対する直線対象物Ｓの境界線１０６として検出する。直線対象物Ｓの境界線１０６は、直線対象物Ｓの実像１０１の境界線１０６ａと、鏡像１０２の境界線１０６ｂとをそれぞれ検出する。
【0066】
画像データ１００における直線対象物Ｓの境界線１０６を画像処理部３３によって検出したら、画像データ１００上における直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とを取得する。直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とは、制御装置３０の処理部３１が有する角度取得部３４によってそれぞれ取得する。
【0067】
なお、１つの画像データ１００における直線対象物Ｓの２つの画像のうち、どちらが実像１０１でどちらが鏡像１０２であるかは、直線対象物Ｓに対するプリズム２０の反射位置に基づいて予め設定され、記憶部４０で記憶される。即ち、１つの画像データ１００における直線対象物Ｓの２つの画像のうち、幅方向Ｘにおいて直線対象物Ｓに対してプリズム２０が位置する側の直線対象物Ｓの画像を、鏡像１０２として認識するように予め設定され、記憶部４０に記憶される。角度取得部３４は、記憶部４０に記憶される実像１０１と鏡像１０２の位置関係の情報も用いて、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とをそれぞれ取得する。
【0068】
これらの直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とは、任意の方向に対する角度になっている。第１実施形態では、画像データ１００の横方向における端部の縁を基準線１０５とし、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とは、基準線１０５に対する相対角度になっている。つまり、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１は、基準線１０５に対する、実像１０１の境界線１０６ａの角度になっており、直線対象物Ｓの鏡像１０２の角度θ２は、基準線１０５に対する、鏡像１０２の境界線１０６ｂの角度になっている。
【0069】
ここで、カメラ１５は、カメラ１５の上下方向が３次元角度検出装置１０の上下方向Ｚになる向きで直線対象物Ｓを撮影するため、画像データ１００の基準線１０５は、上下方向Ｚを示す線になっており、実質的に上下方向Ｚに延びる線になっている。このため、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１は、直線対象物Ｓを奥行方向Ｙに見た場合における、上下方向Ｚに対する傾斜角度になっており、直線対象物Ｓの鏡像１０２の角度θ２は、直線対象物Ｓを幅方向Ｘに見た場合における、上下方向Ｚに対する傾斜角度になっている。
【0070】
画像データ１００上における直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とを取得したら、制御装置３０の処理部３１が有する演算処理部３５によって、直線対象物Ｓの３次元角度を算出する。演算処理部３５は、角度取得部３４で取得した直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とに基づいて、直線対象物Ｓの３次元角度を算出する。
【0071】
次に、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とに基づいて、直線対象物Ｓの３次元角度を算出する方法について説明する。まず、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１は、幅方向Ｘにおける大きさをｘとし、上下方向における大きさをｚとすると、下記の式（２）で表すことができる。同様に、直線対象物Ｓの鏡像１０２の角度θ２は、奥行方向Ｙにおける大きさをｙとし、上下方向における大きさをｚとすると、下記の式（３）で表すことができる。
ｔａｎθ１＝ｘ／ｚ・・・（２）
ｔａｎθ２＝ｙ／ｚ・・・（３）
ｔａｎθ１＝ｘ／ｚ・・・（２）
ｔａｎθ２＝ｙ／ｚ・・・（３）
【0072】
式（２）、（３）において、ｚ＝１とすると、３次元ベクトルの要素はそれぞれ式（４）、（５）になる。
ｔａｎθ１＝ｘ・・・（４）
ｔａｎθ２＝ｙ・・・（５）
ｔａｎθ１＝ｘ・・・（４）
ｔａｎθ２＝ｙ・・・（５）
【0073】
このため、３次元ベクトルと単位ベクトルは、それぞれ下記の式（６）、（７）のように表される。
【0074】
【数2】
【0075】
【数3】
【0076】
ここで、下記の式（８）に示す内積の式より、θは式（９）のように表すことができる。
【0077】
【数4】
【0078】
【数5】
【0079】
また、単位ベクトルは、下記の式（１０）、（１１）、（１２）のように表すことができるため、これらを演算すると、直線対象物Ｓの３次元角度θは、下記の式（１）で求めることができる。
【0080】
【数6】
【0081】
【数7】
【0082】
【数8】
【0083】
【数1】
【0084】
つまり、演算処理部３５は、角度取得部３４で取得した、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２を用いて、上記の式（１）を演算することにより、直線対象物Ｓの３次元角度θを算出する。
【0085】
この場合における直線対象物Ｓの３次元角度θは、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１や鏡像１０２の角度θ２の基準となる、画像データ１００の基準線１０５に対する相対角度になっている。画像データ１００の基準線１０５は、実質的に上下方向Ｚの延びる線になっているため、演算処理部３５で算出した直線対象物Ｓの３次元角度θは、実質的に上下方向Ｚに対する傾斜角度になっている。即ち、演算処理部３５で算出した直線対象物Ｓの３次元角度θは、傾斜の方向は規定しない、上下方向Ｚに対する傾斜角度になっている。
【0086】
直線対象物Ｓの３次元角度θを演算処理部３５で算出したら、算出した３次元角度θは所定の範囲内であるかの判定を、制御装置３０の処理部３１が有する判定部３６により行う。判定部３６での判定は、直線対象物Ｓの３次元角度θと、予め設定された閾値と比較することにより行う。判定部３６での判定に用いる閾値は、上下方向Ｚに対する直線対象物Ｓの傾斜角度が、直線対象物Ｓを適切に使用できる範囲内であるか否かの観点で予め設定され、制御装置３０の記憶部４０に記憶されている。
【0087】
例えば、３次元角度検出装置１０が、細胞等の微小物質に対して針によって操作を行うマニピュレーションシステムに適用され、直線対象物Ｓはマニピュレーションシステムで使用される針である場合は、判定部３６での判定に用いる閾値は、微小物質に対して針によって適切に操作を行うことが可能な針の傾斜角度の限界値として設定される。
【0088】
判定部３６は、演算処理部３５で算出した直線対象物Ｓの３次元角度θと、記憶部４０に記憶されている閾値とを比較し、直線対象物Ｓの３次元角度θが閾値以上であるか否かを判定する。
【0089】
判定部３６での判定により、演算処理部３５で算出した直線対象物Ｓの３次元角度θが、閾値以上であると判定された場合は、制御装置３０の処理部３１が有する不良時制御部３７によって不良時制御を行う。この場合における不良時制御は、直線対象物Ｓの３次元角度θが閾値よりも大きい場合に、３次元角度θが閾値よりも大きい状態を解消するための制御になっている。
【0090】
第１実施形態では、不良時制御部３７での不良時制御は、直線対象物Ｓの３次元角度θが閾値よりも大きいことの報知を報知部５０に対して行わせる制御になっている。報知部５０は、例えば、直線対象物Ｓの３次元角度θが閾値よりも大きいことを表示部で表示したり、スピーカから音声によって報知したりすることにより、直線対象物Ｓの３次元角度θが閾値よりも大きいことを、３次元角度検出装置１０を操作する作業者に対して報知する。
【0091】
報知部５０での報知を認識した作業者は、例えば、把持装置６０で把持している直線対象物Ｓを把持装置６０から外し、別の直線対象物Ｓを把持装置６０に把持させる。これにより、直線対象物Ｓの３次元角度θが閾値よりも大きい状態を解消する。
【0092】
以上の第１実施形態に係る３次元角度検出装置１０は、カメラ１５が直線対象物Ｓを撮影する方向とは異なる方向から直線対象物Ｓを見た直線対象物Ｓの鏡像１０２をカメラ１５に向けて反射するプリズム２０を備え、カメラ１５によって直線対象物Ｓの実像１０１とプリズム２０で反射した直線対象物Ｓの鏡像１０２とを同時に撮影している。さらに、カメラ１５によって撮影した画像データ１００上における直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とを角度取得部３４によってそれぞれ取得し、角度取得部３４で取得した直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とに基づいて直線対象物Ｓの３次元角度θを演算処理部３５によって算出している。これにより、直線対象物Ｓを１つのカメラ１５で撮影することによって、直線対象物Ｓの３次元角度θを算出することができる。この結果、コストを抑えつつ、直線状の部材である直線対象物Ｓの配置状態を検出することができる。
【0093】
また、画像データ１００に対して画像処理を行うことにより、画像データ１００における直線対象物Ｓ以外の部分に対する直線対象物Ｓの境界線１０６を検出し、角度取得部３４は、検出した境界線１０６の角度を取得することにより、画像データ１００上における直線対象物Ｓの角度を取得している。これにより、１つのカメラ１５で撮影した画像データ１００の中から、画像データ１００上における直線対象物Ｓの角度を取得することができ、取得した直線対象物Ｓの角度に基づいて、直線対象物Ｓの３次元角度θを演算処理部３５によって算出することができる。この結果、コストを抑えつつ直線対象物Ｓの配置状態を検出することができる。
【0094】
また、直線対象物Ｓの３次元角度θは、画像データ１００上における直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とより、上記の式（１）を用いて算出するため、画像データ１００より取得した直線対象物Ｓの角度に基づいて直線対象物Ｓの３次元角度θを算出することができる。この結果、コストを抑えつつ直線対象物Ｓの配置状態を検出することができる。
【0095】
また、算出した直線対象物Ｓの３次元角度θが所定の範囲内であるか否かの判定を行い、３次元角度θが所定の範囲内ではないと判定した場合に、直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内ではないことを報知部５０で報知するため、直線対象物Ｓが不適切に配置されている状態で使用されることを抑制できる。この結果、直線対象物Ｓが不適切に配置されている状態で使用されることに伴う作業性の悪化を抑制することができる。
【0096】
また、カメラ１５が直線対象物Ｓを撮影する方向とは異なる方向から直線対象物Ｓを見た直線対象物Ｓの鏡像１０２をカメラ１５に向けて反射する反射部材には、プリズム２０が用いられるため、損傷し難く、配置をし易い反射部材を設けることができる。この結果、コストを抑えつつ直線対象物Ｓの配置状態を検出することができる。
【0097】
また、直線対象物Ｓに対してカメラ１５が位置する側の反対側に第１光源７１を配置し、直線対象物Ｓに対してプリズム２０が位置する側の反対側に第２光源７２を配置し、第１光源７１と第２光源７２とから直線対象物Ｓに対して光を照射するため、画像データ１００に対して画像処理を行って直線対象物Ｓの境界線１０６の検出を行う際に、境界線１０６を容易に検出可能にすることができる。これにより、画像データ１００上における直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とを容易に取得することができ、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とより、直線対象物Ｓの３次元角度θを算出することができる。この結果、コストを抑えつつ直線対象物Ｓの配置状態を検出することができる。
【0098】
［第２実施形態］
次いで、第２実施形態に係る３次元角度検出装置１０について説明する。第１実施形態と同一の構成部位には、同一符号を付けて説明を省略する。以下、第１実施形態と相違する点を中心に説明する。
次いで、第２実施形態に係る３次元角度検出装置１０について説明する。第１実施形態と同一の構成部位には、同一符号を付けて説明を省略する。以下、第１実施形態と相違する点を中心に説明する。
【0099】
図６は、第２実施形態に係る３次元角度検出装置１０を示す模式図である。図７は、図６に示す３次元角度検出装置１０の平面図である。第２実施形態においても、３次元角度検出装置１０は、直線対象物Ｓを奥行方向Ｙから撮影するカメラ１５と、直線対象物Ｓに対して幅方向Ｘにおける側方に配置され、直線対象物Ｓが位置する側から幅方向Ｘに進む光を、奥行方向Ｙにおけるカメラ１５が位置する側に向けて反射する反射面２１を有するプリズム２０を備えている。
【0100】
また、第２実施形態でも光を発光する光源７０を備えているが、光源７０からの光は、光を伝送する光ファイバ７５を介して直線対象物Ｓに対して照射される。詳しくは、光源７０は、プリズム２０の反射面２１の近傍とは異なる位置でプリズム２０の近傍に配置されている。
【0101】
光ファイバ７５は、プリズム２０に取り付けられており、光源７０が配置されている位置からプリズム２０に沿って反射面２１の位置に亘って配置されている。即ち、光ファイバ７５は、一端が光源７０における光を照射する部分の近傍に配置され、他端がプリズム２０の反射面２１の近傍に配置されている。光ファイバ７５における、プリズム２０の反射面２１の近傍に配置される側の端部は、光源７０からの光を直線対象物Ｓに向けて照射する照射部７６になっている。光ファイバ７５は、第２実施形態ではプリズム２０に４本が取り付けられており、矩形状に形成されるプリズム２０の反射面２１の四隅のそれぞれに、光ファイバ７５の照射部７６が１つずつ配置されている。
【0102】
これらのように構成される第２実施形態においても、カメラ１５によって直線対象物Ｓを撮影する際には、光源７０を発光させ、光源７０で発光した光を直線対象物Ｓに対して照射する。その際に、第２実施形態では、光源７０からの光は、プリズム２０に取り付けられる光ファイバ７５によって伝送し、プリズム２０の反射面２１の位置に位置する光ファイバ７５の照射部７６から、直線対象物Ｓを対して照射する。
【0103】
カメラ１５は、光ファイバ７５の照射部７６から照射された光により照らされた直線対象物Ｓを、直接、及びプリズム２０の反射面２１を介して撮影する。３次元角度検出装置１０が有する制御装置３０は、カメラ１５で直線対象物Ｓを撮影した際の画像データ１００を画像データ取得部３２で取得し、画像処理部３３で画像処理を行う。
【0104】
その際に、第２実施形態では、幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方に位置するプリズム２０の反射面２１の位置に位置する、光ファイバ７５の照射部７６から、直線対象物Ｓに対して光を照射しながらカメラ１５で撮影する。このため、直線対象物Ｓの照度が高い状態で撮影を行うことになるため、画像データ１００は、直線対象物Ｓの実像１０１及び鏡像１０２の輝度が高くなる。これにより、画像処理部３３で画像データ１００に対して二値化処理を行うことにより、直線対象物Ｓと直線対象物Ｓ以外の部分との境界を検出することが可能になる。
【0105】
従って、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、直線対象物Ｓの実像１０１の角度θ１と鏡像１０２の角度θ２とを角度取得部３４で取得し、これらの角度に基づいて、直線対象物Ｓの３次元角度θを演算処理部３５よって算出することができる。コストを抑えつつ、直線状の部材である直線対象物Ｓの配置状態を検出することができる。
【0106】
また、第２実施形態では、プリズム２０に光ファイバ７５を取り付け、１つの光源７０からの光を光ファイバ７５で伝送して直線対象物Ｓの近傍に位置する光ファイバ７５の照射部７６から直線対象物Ｓに対して照射する。従って、直線対象物Ｓを照射するための構成の小型化を図ることができ、３次元角度検出装置１０の小型化を図ることができる。
【0107】
［変形例］
なお、上述した第１実施形態では、３次元角度θが所定の範囲内ではないと判定部３６で判定した場合は、報知部５０によって報知を行っていたが、３次元角度θが所定の範囲内ではないと判定した場合は、これ以外の処理を行ってもよい。即ち、不良時制御は、報知部５０での報知以外の制御を行ってもよい。
なお、上述した第１実施形態では、３次元角度θが所定の範囲内ではないと判定部３６で判定した場合は、報知部５０によって報知を行っていたが、３次元角度θが所定の範囲内ではないと判定した場合は、これ以外の処理を行ってもよい。即ち、不良時制御は、報知部５０での報知以外の制御を行ってもよい。
【0108】
図８は、第１実施形態に係る３次元角度検出装置１０の変形例が備える姿勢補正機構８０の平面図である。図９は、図８のＡ－Ａ矢視図である。図１０は、図８のＢ－Ｂ矢視図である。３次元角度検出装置１０は、例えば、図８～図１０に示す姿勢補正機構８０を備えていてもよい。姿勢補正機構８０は、直線対象物Ｓの角度を調節する装置になっており、３次元角度検出装置１０の制御装置３０に電気的に接続され、不良時制御部３７により制御することが可能になっている。
【0109】
姿勢補正機構８０は、直線対象物Ｓを把持する把持装置６０が取り付けられると共に、第１モータ８５と第２モータ８６とを有し、第１モータ８５によって直線対象物Ｓの幅方向Ｘにおける角度θ１を調整し、第２モータ８６によって直線対象物Ｓの奥行方向Ｙにおける角度θ２を調整することが可能になっている。
【0110】
詳しくは、上下方向Ｚにおける支持部材８１の下側に、上下方向Ｚに延びる動作部材８２が配置され、動作部材８２の下端に把持装置６０が配置されている。把持装置６０で把持する直線対象物Ｓは、把持装置６０から上下方向Ｚにおける下側に向かって延びる。
【0111】
また、幅方向Ｘにおける支持部材８１の一端側には第１調整部材８３が配置され、第１調整部材８３は、動作部材８２と平行に支持部材８１から下側に向かって延びて配置されている。動作部材８２と第１調整部材８３との間には、幅方向Ｘに延びる第１ねじ部材８７が配置されており、第１ねじ部材８７は、動作部材８２に連結されると共に、第１調整部材８３を貫通している。第１ねじ部材８７は、外周面にねじ山が形成されており、第１調整部材８３における第１ねじ部材８７が通る部分はねじ孔になっている。
【0112】
これにより、第１ねじ部材８７は、回転をすることによって幅方向Ｘに移動することが可能になっており、第１ねじ部材８７が回転をして幅方向Ｘに移動した際には、第１ねじ部材８７が連結される動作部材８２と第１調整部材８３との幅方向Ｘの距離を変化させ、第１調整部材８３に対する動作部材８２の角度を変化させることができる。第１ねじ部材８７には、第１モータ８５が連結され、第１モータ８５は、第１ねじ部材８７を回転させることが可能になっている。このため、第１モータ８５は、第１ねじ部材８７を回転させて第１調整部材８３に対する動作部材８２の角度を変化させることにより、動作部材８２に取り付けられる把持装置６０で把持する直線対象物Ｓの幅方向Ｘにおける角度θ１を調整することができる。
【0113】
また、奥行方向Ｙにおける支持部材８１の一端側には第２調整部材８４が配置され、第２調整部材８４は、動作部材８２と平行に支持部材８１から下側に向かって延びて配置されている。動作部材８２と第２調整部材８４との間には、奥行方向Ｙに延びる第２ねじ部材８８が配置されており、第２ねじ部材８８は、動作部材８２に連結されると共に、第２調整部材８４を貫通している。第２ねじ部材８８は、外周面にねじ山が形成されており、第２調整部材８４における第２ねじ部材８８が通る部分はねじ孔になっている。
【0114】
これにより、第２ねじ部材８８は、回転をすることによって奥行方向Ｙに移動することが可能になっており、第２ねじ部材８８が回転をして奥行方向Ｙに移動した際には、第２ねじ部材８８が連結される動作部材８２と第２調整部材８４との奥行方向Ｙの距離を変化させ、第２調整部材８４に対する動作部材８２の角度を変化させることができる。第２ねじ部材８８には、第２モータ８６が連結され、第２モータ８６は、第２ねじ部材８８を回転させることが可能になっている。このため、第２モータ８６は、第２ねじ部材８８を回転させて第２調整部材８４に対する動作部材８２の角度を変化させることにより、動作部材８２に取り付けられる把持装置６０で把持する直線対象物Ｓの奥行方向Ｙにおける角度θ２を調整することができる。
【0115】
姿勢補正機構８０は、これらのように構成されることにより、直線対象物Ｓの幅方向Ｘにおける角度θ１と奥行方向Ｙにおける角度θ２とをそれぞれ調整することが可能になっており、即ち、直線対象物Ｓの３次元角度θを調整することが可能になっている。このため、演算処理部３５で演算した３次元角度θが所定の範囲内ではないと判定部３６で判定した場合、つまり、直線対象物Ｓの３次元角度θが閾値よりも大きいと判定部３６で判定した場合は、不良時制御部３７は姿勢補正機構８０の制御を行い、姿勢補正機構８０に対して直線対象物Ｓの角度を調節させる。
【0116】
その際に、不良時制御部３７は、演算処理部３５で算出した直線対象物Ｓの３次元角度θに基づいて、直線対象物Ｓの３次元角度θが基準となる角度に近付く方向に姿勢補正機構８０の第１モータ８５と第２モータ８６とを作動させることによって、直線対象物Ｓの角度を調節させる。つまり、姿勢補正機構８０は、直線対象物Ｓの３次元角度が所定の範囲内ではないと判定部３６で判定した場合には、不良時制御部３７からの信号によって作動することにより、演算処理部３５で算出した直線対象物Ｓの３次元角度θに基づいて直線対象物Ｓの角度を調節する。
【0117】
これにより、直線対象物Ｓの３次元角度θが閾値よりも大きい状態を解消することができ、直線対象物Ｓが不適切に配置されている状態で使用されることを抑制できる。この結果、直線対象物Ｓが不適切に配置されている状態で使用されることに伴う作業性の悪化を抑制することができる。
【0118】
なお、３次元角度検出装置１０は、報知部５０と姿勢補正機構８０との双方を備え、演算処理部３５で演算した３次元角度θが所定の範囲内ではないと判定部３６で判定した場合には、報知部５０によって報知を行うと共に、姿勢補正機構８０によって直線対象物Ｓの角度を調節してもよい。
【0119】
また、上述した第１実施形態、第２実施形態では、カメラ１５が直線対象物Ｓを撮影する方向とは異なる方向から直線対象物Ｓを見た直線対象物Ｓの鏡像１０２をカメラ１５に向けて反射する反射部材には、プリズム２０が用いられているが、当該反射部材にはプリズム２０以外が用いられていてもよい。反射部材には、例えば鏡が用いられていてもよい。つまり、平面の鏡を、奥行方向Ｙと幅方向Ｘとの双方に対して、約４５°の傾斜角になる向きで、幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方に配置することにより、鏡を反射部材として用いてもよい。
【0120】
鏡は、このように配置することにより、幅方向Ｘにおける直線対象物Ｓの側方で直線対象物Ｓとカメラ１５との双方に面し、且つ、奥行方向Ｙと幅方向Ｘとの双方に対する傾斜角が４５°となる向きで配置されることになる。これにより鏡は、直線対象物Ｓが位置する側から幅方向Ｘに進む光を、９０°向きを変えて奥行方向Ｙにおけるカメラ１５が位置する側に向けて反射することができる。従って、カメラ１５は、鏡からの光によって、直線対象物Ｓを幅方向Ｘから見た鏡像１０２を撮影することができ、カメラ１５は、奥行方向Ｙから見た直線対象物Ｓの実像１０１と、幅方向Ｘから見た直線対象物Ｓを鏡像１０２とを同時に撮影することができる。
【0121】
以上、本開示の好適な実施形態を説明したが、本開示は上記の実施形態に記載されたものに限定されない。実施形態や変形例として説明した構成は、適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0122】
１０ ３次元角度検出装置
１５ カメラ
２０ プリズム
２１ 反射面
３０ 制御装置
３１ 処理部
３２ 画像データ取得部
３３ 画像処理部
３４ 角度取得部
３５ 演算処理部
３６ 判定部
３７ 不良時制御部
４０ 記憶部
５０ 報知部
６０ 把持装置
７０ 光源
７１ 第１光源
７２ 第２光源
７５ 光ファイバ
７６ 照射部
８０ 姿勢補正機構
１００ 画像データ
１０１ 実像
１０２ 鏡像
１０５ 基準線
１０６ 境界線
１５ カメラ
２０ プリズム
２１ 反射面
３０ 制御装置
３１ 処理部
３２ 画像データ取得部
３３ 画像処理部
３４ 角度取得部
３５ 演算処理部
３６ 判定部
３７ 不良時制御部
４０ 記憶部
５０ 報知部
６０ 把持装置
７０ 光源
７１ 第１光源
７２ 第２光源
７５ 光ファイバ
７６ 照射部
８０ 姿勢補正機構
１００ 画像データ
１０１ 実像
１０２ 鏡像
１０５ 基準線
１０６ 境界線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】