特許 7344283 モーションエンコーダ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-05

(45)【発行日】2023-09-13

(54)【発明の名称】モーションエンコーダ

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20230906BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20230906BHJP

【ＦＩ】

G01D5/347 110C

G01D5/347 110S

G01B11/00 H

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2021515287

(86)(22)【出願日】2019-05-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-09-13

(86)【国際出願番号】 GB2019051338

(87)【国際公開番号】W WO2019224522

(87)【国際公開日】2019-11-28

【審査請求日】2022-05-09

(31)【優先権主張番号】1808661.1

(32)【優先日】2018-05-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】520456918

【氏名又は名称】アイメトラム リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100205659

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 拓也

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100185269

【弁理士】

【氏名又は名称】小菅 一弘

(72)【発明者】

【氏名】セッチェル クリス

【審査官】平野 真樹

(56)【参考文献】

【文献】欧州特許出願公開第００１１４５０５（ＥＰ，Ａ１）

【文献】特開平１１－０５１６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１３２９８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０４－１４８８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５３７５８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／２６－５／３８

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ジョイントであって、
第一の部分と、
第二の部分であって、前記第一の部分は、前記第二の部分に対して移動可能に取り付けられ、前記ジョイントが第一のジョイント状態と第二のジョイント状態との間で変化する、第二の部分と、を備える、ジョイントと、
画像を生成するように配置された光感知素子のアレイを含む第一の画像捕捉装置（ＩＣＤ）と、
処理ユニットと、
パターン表面であって、前記パターン表面は、前記ジョイントが前記第一のジョイント状態と第二のジョイント状態との間で変化すると、第一のパターン位置と第二のパターン位置との間で前記第一のＩＣＤに対して移動するパターンを規定する、または規定するように配置され、前記パターンはパターン特徴を備える、パターン表面と、
を備える、モーションエンコーダであって、
前記第一のＩＣＤは、前記第一のパターン位置および前記第二のパターン位置の双方において、前記パターン特徴が前記第一のＩＣＤから視認可能なように、前記第一のパターン位置および前記第二のパターン位置を包含する視野を有し、
前記処理ユニットは、前記第一のＩＣＤから前記画像を受信するために、前記第一のＩＣＤに通信可能に結合され、前記処理ユニットは、前記パターン特徴を規定する画像特徴を選択し、前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の位置および／または移動を定量化するために、受信した前記画像間で、前記画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成される、
モーションエンコーダ。

【請求項2】

補助パターンを規定する、または規定するように配置された補助パターン表面をさらに備え、前記補助パターンが補助パターン特徴を備える、請求項１に記載のモーションエンコーダ。

【請求項3】

前記パターン表面は、前記パターン特徴を物理的に規定し、任意選択で、請求項２に従属する場合、前記補助パターン表面は、前記補助パターン特徴を物理的に規定する、請求項１に記載のモーションエンコーダ。

【請求項4】

前記処理ユニットは、前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の移動を定量化するために、受信した前記画像間での前記画像特徴の変位を決定することによって、前記パターン特徴に対応する前記画像特徴が、受信した前記画像間で、どのように変換されるかを決定するように構成される、請求項３に記載のモーションエンコーダ。

【請求項5】

前記補助パターン表面は、空間的に固定され、軸方向にオフセットされ、前記パターン表面に対して平行な関係であるように配置され、前記処理ユニットは、画像内の前記パターンの第一の基準点を決定し、前記画像内の前記補助パターンの対応する第二の基準点を決定し、前記パターン表面と前記補助パターン表面とを結合するための軸の向きを確立するように構成される、請求項２に従属する場合の請求項３または４に記載のモーションエンコーダ。

【請求項6】

前記処理ユニットは、前記第一の部分の中心軸に直交する一対の軸に沿った前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の横方向移動を定量化するために、前記画像内の２つの直交軸に沿った受信した前記画像間での前記画像特徴の線形変位を決定することによって、受信した前記画像間で、前記パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成される、請求項３～５のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【請求項7】

前記パターン特徴は円形対称である、請求項６に記載のモーションエンコーダ。

【請求項8】

前記パターン表面は、前記パターン特徴を反射するように配置された反射表面を備え、前記パターン特徴は、前記パターン表面に対して遠隔物体によって規定され、任意選択で、請求項２に従属する場合、前記補助パターン表面は、前記補助パターン特徴を反射するように配置された補助反射表面を備え、前記補助パターン特徴は、前記補助パターン表面に対して遠隔物体によって規定され、前記補助パターン表面は、空間的に固定され、軸方向にオフセットされ、前記パターン表面に対して平行な関係で配置されるか、または前記補助反射表面は、空間的に固定され、軸方向にオフセットされ、前記反射表面に対して平行な関係で配置される、請求項１または２に記載のモーションエンコーダ。

【請求項9】

前記パターン特徴は、第一の光源によって前記反射表面上に投影されることによって規定され、任意選択で、前記補助パターン特徴は、第二の光源によって前記補助反射表面上に投影されることによって規定される、請求項８に記載のモーションエンコーダ。

【請求項10】

前記第一の光源は、固定投影軸に沿って前記パターン特徴を投影するように配置され、前記固定投影軸の向きは既知で、前記第一のＩＣＤの光軸に対してオフセットされ、および／または非平行であり、前記処理ユニットは、前記第一の部分の中心軸に沿った前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の軸方向の移動を定量化するために、軸に沿った前記画像の線形変位を決定することによって、受信した前記画像間で、前記パターン特徴に対応する画像特徴が、どのように変換されるかを決定するように構成される、請求項９に記載のモーションエンコーダ。

【請求項11】

前記第一のＩＣＤは、前記遠隔物体の穴を通して、前記パターン表面と、任意選択で、前記補助パターン表面を見るように配置される、請求項８に記載のモーションエンコーダ。

【請求項12】

パターン特徴が、第一のサブセットと、前記第一のサブセットとは異なる第二のサブセットとを備え、前記処理ユニットが、前記第一の部分の中心軸に沿った前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の軸方向移動を定量化するために、前記第一のサブセットと前記第二のサブセットとの間の距離の変化を決定することによって、受信した前記画像間で、前記パターン特徴に対応する前記画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成される、請求項１～１１のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【請求項13】

コリメートレンズを備え、前記コリメートレンズは、前記パターン特徴および前記第一のＩＣＤが前記コリメートレンズの焦点になるように配置される、請求項９または１０に記載のモーションエンコーダ。

【請求項14】

前記光源から光を受け、前記光を前記反射表面の方へ向けて導くように配置されたビームスプリッタを備え、これによって、前記特徴の画像が、前記ビームスプリッタを通過して前記第一のＩＣＤによって観察することが可能になる、請求項９、１０および１３のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【請求項15】

前記処理ユニットは、前記第一の部分の直交横軸の周りでの前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の回転移動を定量化するために、受信した前記画像間での前記画像特徴の変位を決定することによって、受信した前記画像間で、前記パターン特徴に対応する画像特徴が、どのように変換されるかを決定するように構成される、請求項９～１４のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【請求項16】

ジョイント座標系に対して既知の空間関係に位置する１つまたは複数の第一の基準マーカをさらに備え、前記処理ユニットは、前記ジョイント座標系に対する前記第一の部分の位置および／または移動を定量化するために、受信した前記画像間で、前記パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成される、請求項１～１５のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【請求項17】

前記パターン特徴の少なくともいくつかを規定するように配置された１つまたは複数の第二の基準マーカをさらに備える、請求項１～１６のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【請求項18】

前記第二の部分に対する前記第一の部分の移動を測定するように配置された１つまたは複数のさらなるセンサをさらに備え、前記処理ユニットは、受信した前記画像と前記１つまたは複数のさらなるセンサの出力との間で、画像特徴がどのように変換されるかに基づいて、前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の位置および／または移動を定量化するように構成される、請求項１～１７のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【請求項19】

前記第一のＩＣＤは、前記第二の部分に対して既知の空間関係で取り付けられ、前記処理ユニットは、前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の定量化された移動と、前記第二の部分と前記第一のＩＣＤとの間の前記既知の空間関係とに基づいて、前記第二の部分に対する前記第一の部分の移動を定量化するように構成される、請求項１～１８のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【請求項20】

前記第一のＩＣＤに対して既知の空間関係で取り付けられた第二のＩＣＤをさらに備えと、第二のＩＣＤは、画像を生成するように配置された光感知素子のアレイを備え、前記第二のＩＣＤは、前記第一のパターン位置および前記第二のパターン位置を包含する第二の視野を有し、前記パターン特徴が、前記第一のパターン位置および前記第二のパターン位置の両方において前記第二のＩＣＤに視認可能になっており、前記処理ユニットは、前記第一のＩＣＤおよび前記第二のＩＣＤに結合され、前記パターン特徴に対応する画像特徴が、前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の位置および／または移動を定量化するために、両方のＩＣＤからの受信した前記画像間で、どのように変換されるかを決定するように構成される、請求項１～１９のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【請求項21】

前記第二の部分は、前記第一の部分に対して移動可能に取り付けられて、前記ジョイントが第三のジョイント状態に変化し、前記パターンは、前記ジョイントが前記第一のジョイント状態および／または前記第二のジョイント状態と前記第三のジョイント状態との間で変化すると、前記第一のＩＣＤに対して第三のパターン位置に移動し、前記第三のパターン位置は、前記第一のＩＣＤの前記視野の少なくとも部分的に外側にあり、前記処理ユニットは、
前記パターンが前記第三のパターン位置に移動していることを決定するように、
画像パターン特徴に対して既知の空間関係を有する新しい画像特徴を選択して、前記画像パターン特徴を置き換えるように、
前記第一のＩＣＤに対する前記第一の部分の位置および／または移動を定量化するために、受信した前記画像間で、前記新しい画像特徴がどのように変換されるかを決定するように、
構成される、請求項１～２０のいずれか一項に記載のモーションエンコーダ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モーションエンコーダに関する。

【背景技術】

【0002】

モーションエンコーダは、多くの産業装置（製造装置、組立ロボットまたは測量機器など）に見られるジョイントの異なる機械部品の移動を正確に測定するために一般的に使用される。これらのセンサは、機械部分の移動を測定し、ある部分の他の部分に対する回転移動または直線移動を定量化する。

【0003】

モーションエンコーダは、光学センサを使用することができ、光学センサは、通常、読取りヘッドおよびスケールを備え、スケールは、正確な幾何学的情報、例えば、距離または角度を符号化する。読取りヘッドがスケールに対して移動すると、センサはジョイントの移動を推測する。

【0004】

本発明者は、既知のモーションエンコーダが、以下の１つまたは複数の制約に悩まされる可能性があることを確認した。
・それらは、典型的には、一方向のみの移動または回転、すなわち、１つの軸だけに沿った移動、または１つの軸だけの周りの回転を測定することしかできないので、複数の自由度で移動を追跡するためには、複数のセンサの設置を必要とする。
・それらの精度は、スケールの精度に依存することがあり、十分に精度の高いスケールを製造するためには、精密で複雑な製造プロセスを必要とする。
・スケールの位置がずれてしまうと、測定の正確さや信頼性に影響を及ぼす可能性がある。スケールの位置は、製造中も、使用中も、例えば、軸受の意図しないコンプライアンスのために、ずれる可能性がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の第一の態様によれば、請求項１に記載のモーションエンコーダが提供される。モーションエンコーダは、機器である。

【0006】

したがって、第一の態様によるモーションエンコーダは、画像間のパターン特徴の移動を測定することによって、ジョイントの第一の部分の移動を決定する。公知の光学モーションエンコーダとは対照的に、第一の態様によるエンコーダは、ジョイントの移動を推測するために、既知の正確なスケールを必要としないので、よりシンプルなモーションエンコーダとすることができ、コストを削減できる。

【0007】

また、第一の態様によるモーションエンコーダは、単一のＩＣＤでジョイントの複数の軸の周りの移動および／または複数の軸に沿った移動を測定することができる。

【0008】

第一の態様によるモーションエンコーダは、また、例えば、軸受のコンプライアンス、軸受の振れ、および／またはジョイントの摩耗からのジョイント内の移動に耐性があり、さらに、汚れ、ほこり、および他のそのような汚染物質に耐性があるので、公知のモーションエンコーダと比較して、精度および／または信頼性を改善することができる。

【0009】

また、第一の態様によるモーションエンコーダは、公知のエンコーダと比較してクロストークの影響を受けにくくすることができる。すなわち、１つの軸の周りの／に沿った移動が、別の軸の周りの／に沿った測定への影響を少なくしている。

【0010】

さらに、回転測定の場合、精度および分解能は、円形スケールの直径に依存しない。すなわち、高レベルの精度および／または分解能を得るために、大きなスケールは必要とされない。

【0011】

モーションエンコーダは、補助パターンを規定する、または補助パターンを規定するように配置される補助パターン表面をさらに備え、補助パターンは補助パターン特徴を備える。

【0012】

パターン表面は、パターン特徴を物理的に規定することができ、補助パターン表面は、補助パターン特徴を物理的に規定することができる。

【0013】

処理ユニットは、第一のＩＣＤに対する第一の部分の回転移動、例えば、第一の部分の中心軸などの軸の周りでの移動を定量化するために、受信した画像間での画像特徴の円形または楕円回転変位などの変位を決定することによって、受信した画像間で、パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成することができる。

【0014】

処理ユニットは、コンピュータプログラムコードを処理するように構成することができ、コンピュータプログラムコードは、実行されると、動作モデルと結合されたテンプレートマッチング技法を使用して、ＩＣＤから受け取った画像内の特徴の位置および動作を測定する。

【0015】

処理ユニットは、１つまたは複数のプロセッサと、読み出し専用メモリまたはランダムアクセスメモリのようにデータを記憶することができる１つまたは複数の非一時的なコンピュータ可読媒体と、コンピュータ可読媒体を１つまたは複数のプロセッサおよびＩＣＤと通信可能に結合するためのインターフェースと、ユーザが処理ユニットと対話することを可能にするユーザ入力装置と、を備えることができる。

【0016】

補助パターン表面は、空間的に固定され、軸方向にオフセットされ、パターン表面に対して平行な関係にあるような関係で配置することができ、処理ユニットは、画像内のパターンに対する第一の基準点を決定し、画像内の補助パターンに対する対応する第二の基準点を決定し、パターン表面と補助パターン表面とを結合するための軸の向きを確立するように構成することができる。

【0017】

処理ユニットは、第一のＩＣＤに対する第一の部分の横方向の移動、例えば、第一の部分の中心軸に直交する一対の軸に沿った移動を定量化するために、受信した画像間での画像特徴の線形変位、例えば、２つの直交軸に沿った変位を決定することによって、受信した画像間で、パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成することができる。

【0018】

パターン特徴は、円形対称とすることができ、例えば、円形経路の周りに等角度間隔を有する複数の特徴とすることができる。

【0019】

パターン表面は、パターン特徴を反射するように配置された反射表面を含むことができ、パターン特徴は、パターン表面に関して遠隔物体によって規定される。任意選択で、請求項２に従属する場合、補助パターン表面は、補助パターン特徴を反射するように配置された補助反射表面を備え、補助パターン特徴は、補助パターン表面に対して遠隔物体によって規定され、補助パターン表面は、空間的に固定され、軸方向にオフセットされ、パターン表面に対して平行な関係で配置されるか、または補助反射表面は、空間的に固定され、軸方向にオフセットされ、反射表面に対して平行な関係で配置される。第一および第二の反射表面は、同じレベルまたは異なるレベルの反射を有することができる。

【0020】

パターン特徴は、第一の光源によって反射表面上に投影されることによって規定することができ、任意選択で、補助パターンの特徴は、第一の光源であり得る第二の光源によって補助反射表面上に投影されることによって規定される。遠隔物体は、光学マスクを備えることができ、光源は、光学マスクを反射表面に対してバックライトするように配置することができる。

【0021】

第一の光源は、固定投影軸に沿ってパターン特徴を投影するように配置することができ、固定投影軸の向きは既知で、第一のＩＣＤの光軸に対してオフセットされ、および／または非平行であり、処理ユニットは、第一の部分の中心軸に沿った第一のＩＣＤに対する第一の部分の軸方向の移動を定量化するために、軸に沿った画像の線形変位を決定することによって、受信した画像間で、パターンの特徴に対応する画像特徴が、どのように変換されるかを決定するように構成される。

【0022】

第一のＩＣＤは、遠隔物体の穴を通して、パターン表面と、任意選択で、補助パターン表面を見るように配置することができる。

【0023】

パターン特徴は、第一のサブセットと、第一のサブセットとは異なる第二のサブセットを備えることができる。処理ユニットは、第一のＩＣＤに対する第一の部分の軸方向の移動、例えば、第一の部分の中心軸に沿った移動を定量化するために、第一のサブセットと第二のサブセットとの間の距離の変化を決定することによって、受信した画像間で、パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成することができる。

【0024】

前記モーションエンコーダは、コリメートレンズをさらに備えることができ、コリメートレンズは、パターン特徴および第一のＩＣＤがコリメートレンズの焦点になるように配置される。したがって、特徴のコリメート画像は、反射表面に向かって投影され、反射表面から反射される。

【0025】

モーションエンコーダは、光源から光を受け、その光を反射表面に向けて導くように配置されたビームスプリッタをさらに備え、これによって、特徴の画像は、ビームスプリッタを通過して第一のＩＣＤによって観察することが可能になる。

【0026】

処理ユニットは、第一の部分の直交横軸の周りでの第一のＩＣＤに対する第一の部分の回転移動を定量化するために、受信した画像間での画像特徴の変位を決定することによって、受信した画像間で、パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成することができる。

【0027】

モーションエンコーダは、ジョイント座標系に対して既知の空間関係に位置する１つまたは複数の第一の基準マーカをさらに備え、処理ユニットは、ジョイント座標系に対する第一の部分の位置および／または移動を定量化するために、受信した画像間で、パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成される。ジョイント座標系の向きを規定するために、複数の第一の基準マーカを設けることができる。

【0028】

モーションエンコーダは、パターン特徴の少なくともいくつかを規定するように、あるいはパターン特徴が選択されるべき第一の部分の領域を示すように配置された１つまたは複数の第二の基準マーカをさらに備えることができる。

【0029】

モーションエンコーダは、第二の部分に対する第一の部分の移動を測定するように配置された１つまたは複数のさらなるセンサをさらに備えることができ、処理ユニットは、受信した画像と、１つまたは複数のさらなるセンサの出力との間で、画像特徴がどのように変換されるかに基づいて、第一のＩＣＤに対する第一の部分の位置および／または移動を定量化するように構成される。１つまたは複数のさらなるセンサは、ノンビジョンベースのエンコーダ、スケールベースのモーションエンコーダなど、例えば、本発明の実施形態によるモーションエンコーダとすることができる。

【0030】

第一のＩＣＤは、第二の部分に関して既知の空間関係で取り付けることができ、処理ユニットは、ＩＣＤに対する第一の部分の定量化された移動と、第二の部分とＩＣＤとの間の既知の空間関係に基づいて、第二の部分に対する第一の部分の移動を定量化するように構成することができる。

【0031】

モーションエンコーダは、第一のＩＣＤに対して既知の空間関係で取り付けられた第二のＩＣＤをさらに備えることができ、第二のＩＣＤは、画像を生成するように配置された光感知素子のアレイを備え、第一のパターン位置および第二のパターン位置を包含する第二の視野を有し、パターン特徴が、第一のパターン位置および第二のパターン位置の両方において第二のＩＣＤに視認可能になっている。処理ユニットは、第一のＩＣＤおよび第二のＩＣＤに結合されることができ、第一のＩＣＤに対する第一の部分の位置および／または移動を定量化するために、両方のＩＣＤから受信した画像間で、パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成されることができる。

【0032】

第二の部分は、第一の部分に対して移動可能に取り付けられて、ジョイントを第三のジョイント状態に変化することができ、パターンは、ジョイントが第一のジョイント状態および／または第二のジョイント状態と第三のジョイント状態との間で変化すると、第一のＩＣＤに対して第三のパターン位置に移動し、第三のパターン位置は、第一のＩＣＤの視野の少なくとも部分的に外側にあり、処理ユニットは、パターンが第三のパターン位置に移動していることを決定するように、画像パターン特徴に対して既知の空間関係を有する新しい画像特徴を選択して、画像パターン特徴を置き換えるように、第一のＩＣＤに対する第一の部分の位置および／または移動を定量化するために、新しい画像特徴が受信画像間でどのように変換されるかを決定するように、構成される。

【0033】

処理ユニットは、第一のＩＣＤに対する第一の部分の軸方向の移動、例えば、第一の部分の中心軸に沿った移動を定量化するために、受信した画像間の画像特徴の変位を決定することによって、受信した画像間で、パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成することができる。

【0034】

本発明の第二の態様によれば、ジョイントの第一の部分の移動を測定する方法が提供され、ジョイントは、第一の部分と、第二の部分であって、第一の部分は、第二の部分に対して移動可能に取り付けられて、ジョイントが第一のジョイント状態と第二のジョイント状態との間で変化する、第二の部分と、を備え、この方法は、画像を生成するように配置された光感知素子のアレイを備える第一の画像捕捉装置（ＩＣＤ）によって生成された第一の画像を前記処理ユニットによって受信するステップであって、第一の画像はパターン表面の少なくとも一部を含み、パターン表面は、ジョイントが第一のジョイント状態と第二のジョイント状態との間で変化すると、第一のパターン位置と第二のパターン位置との間で第一のＩＣＤに対して移動するパターンを規定する、または規定するように配置され、パターンはパターン特徴を含む、ステップと、第一のＩＣＤから第二の画像を処理ユニットで受信するステップと、パターン特徴に対応する画像特徴が、第一のＩＣＤに対する第一の部分の位置および／または移動を定量化するために、受信した画像間で、どのように変換されるかを決定するステップと、を含む。

【0035】

第一の態様の任意選択の特徴は、類似の方法で第二の態様の方法に適用することができる。

【0036】

本発明の第三の態様によれば、第一の態様によるモーションエンコーダ用のサブアセンブリが提供され、サブアセンブリは、画像を生成するように配置された光感知素子のアレイを備える第一の画像捕捉装置（ＩＣＤ）と、処理ユニットであって、処理ユニットは、第一のＩＣＤから画像を受信するために第一のＩＣＤに通信可能に結合され、処理ユニットは、第一のＩＣＤに対する第一の部分の位置および／または移動を定量化するために、受信した画像間で、パターン特徴に対応する画像特徴がどのように変換されるかを決定するように構成される、処理ユニットを備える。

【0037】

サブアセンブリの特徴の一部または全部は、共通のハウジング内に収めることができる。

【0038】

単なる例として、本発明の特定の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】６つのジョイント自由度を示す図である。

【図2】ジョイントの図である。

【図3A】本発明の第一の実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図3B】図３ＡのモーションエンコーダのＩＣＤによって観察される画像特徴の動作を示す図である。

【図4】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図5A】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図5B】図５ＡのモーションエンコーダのＩＣＤによって観察される画像特徴の動作を示す図である。

【図6】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図7A】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図7B】図７ＡのモーションエンコーダのＩＣＤによって観察される画像特徴の動作を示す図である。

【図8A】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図8B】図８ＡのモーションエンコーダのＩＣＤによって観察される画像特徴の動作を示す図である。

【図9】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図10】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図11】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図12】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図13】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【図14】本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図である。

【発明を実施するための形態】

【0040】

非限定的な概要として、本発明の実施形態は、ジョイントの一部が他の部分に対してどのように移動するかを決定するために、画像のシーケンス内の画像間で特徴がどのように変化するかを測定する、ビジョンベースのジョイントエンコーダに関する。

【0041】

図１を参照すると、本体が三次元空間を移動することのできる６つの異なる方法を示す図が示されている。Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸を有する座標系が確立されており、この三次元空間における本体の移動を６つの独立したパラメータによって定量化することができる。これらのパラメータのうちの３つは、異なる軸Ｘ、Ｙ、Ｚに沿った軸方向の移動を定量化し、他の３つのパラメータは、異なる軸Ｘ、Ｙ、およびＺに関する回転移動を定量化する。６つの独立したパラメータは、６つの自由度（ＤｏＦ）として知られている。軸Ｚは、一般に、ジョイントの長手方向軸であると考えることができるが、必ずしもそうである必要はない。

【0042】

ロボット用途または同様の機械的用途では、ジョイントを使用することによって、第二の部分に対して移動する第一の部分を有することが一般的である。ジョイントは、６つのすべてのＤｏＦで、第二の部分に対する第一の部分の移動を可能にすることも、あるいは特定の方法で移動を制限して、ＤｏＦを少なくすることもできる。例えば、第一の部分がＸ軸の周りでのみ回転できるように、ジョイントが構成される場合、移動は、１つのＤｏＦのみを有する。Ｘ軸の周りを回転することと、Ｘ軸に沿って移動することの双方ができる場合、移動は、２つのＤｏＦを有するが、その他の場合もある。

【0043】

図２では、ジョイントが全体的に２００で示されている。この例では、シャフトである第一の部分２０２は、この例では、ハウジングである第二の部分２０４に軸受２０６を介して結合されている。

【0044】

軸受２０６は、Ｚ軸と略平行であるシャフトの長手方向軸の周りで、シャフトの回転のみを可能にするように構成されている。したがって、この場合、ジョイントは、第一の部分２０２の移動を１つのＤｏＦに制限する。

【0045】

図３ａを参照すると、本発明の一実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に３００で示されている。軸は描かれていないが、図２に描かれているように規定されてもよい。

【0046】

モーションエンコーダは、軸受３０６を介して第二の部分３０４に結合された第一の部分３０２と、第一のＩＣＤ３１０と、パターン表面３１２と、任意選択の照明源３０８と、処理ユニットと、この実施形態では、第一のＩＣＤ３１０に組み込まれている処理ユニットと、を含む。

【0047】

この実施形態では、第一の部分３０２はシャフトであり、第二の部分３０４は取り付けプレートまたはハウジングである。第一の部分３０２がその長手方向軸Ｚの周りを回転すると、ジョイントは、第一のジョイント状態から第二のジョイント状態に移行または変化する。

【0048】

パターン表面３１２は、ジョイントの第一の部分３０２上で、ＩＣＤ３１０に対向する平坦な軸方向表面上に配置され、一組のパターン特徴を規定する。パターン特徴は、パターン３１４を規定する。本実施形態では、パターン特徴は、軸方向表面上の明るいマーキングおよび暗いマーキングであるが、他の実施形態では、パターン特徴は、軸方向表面の突出部および凹部のような他の方法で物理的に規定することができる。

【0049】

ＩＣＤ３１０は、ジョイントの第二の部分３０４に配置され、それに対して固定された空間関係を有するようになり、その光軸が第一の部分３０２の公称回転軸に略平行になるように配置される。

【0050】

第一の部分３０２を回転させると、パターン３１４上の任意の点が略円形の経路をたどることになる。画像内の対応する特徴、すなわち、画像特徴は、ＩＣＤ３１０の光感知素子上へのその円形経路の投影に従って移動する。

【0051】

図３Ｂには、図３ａの実施形態のパターン３１４の移動の例が示されている。この実施形態では、画像特徴は、２つのグループ３０５、３０７を含むが、他の実施形態では、より多くの特徴のグループが選択されてもよいし、単一のグループのみが選択されてもよい。

【0052】

この実施形態では、第一の部分３０２の回転から生じる特徴の動作は、略円形である。しかしながら、ＩＣＤ３１０の光軸が第一の部分３０２の回転軸と整列していない場合、それは略楕円形であってもよい。

【0053】

この実施形態では、ＬＥＤランプである照明源３０８は、ＩＣＤ３１０によって識別可能であるように、表面パターン特徴を照明するように配置される。

【0054】

処理ユニットは、テンプレートマッチング技法と、パターンの円周運動の数学モデルと、ＩＣＤ３１０の画像平面上へのその運動の投影とを採用し、回転角（第一の部分の長手方向軸の周りの回転）と、（第一の部分の長手方向軸に垂直な二次元平面内にある）回転中心とを計算する。

【0055】

したがって、処理ユニットは、軸Ｚの周りでのＩＣＤ３１０に対する第一の部分３０２の回転移動を測定することができる。ＩＣＤの位置が第二の部分３０４に対して既知であるので、処理ユニットは、第二の部分３０４に対する第一の部分３０２の回転移動を測定することができる。

【0056】

図３Ａのモーションエンコーダの利点は、第一の部分がＩＣＤに対して移動前、移動中、または移動後に、パターンを選択できるので、移動を測定するために予め定義されたスケールを必要としないことである。したがって、測定は、スケール上の点の正確な位置を識別することに依存するのではなく、点のセットが時間とともにどのように変換されるかを識別することに依存する。

【0057】

ここで、図４を参照すると、さらなる実施形態によるモーションエンコーダが、全体的に４００で示されている。モーションエンコーダ４００は、図３ａのモーションエンコーダ３００に類似しており、簡潔にするために、以下の説明では、差に焦点を当てる。

【0058】

この実施形態では、ＩＣＤ（図示せず）に面する円筒形の第一の部分４０２の平坦な表面は、内側延長主表面４１２を備え、この主表面は、軸方向にオフセットされ、環状補助表面４１４に平行である。軸方向オフセット、換言すれば、主表面４１２と補助表面４１４との間の距離Ｄは、処理ユニットに知られている。

【0059】

補助表面４１４の特徴は、補助パターン４１６を備える。主表面４１２の特徴は、主パターン４１８を備える。

【0060】

第一の部分４０２がその長手方向軸の周りを回転すると、ＩＣＤは一連の画像を捕捉し、その各画像は主表面４１２および補助表面４１４の特徴を含む。

【0061】

処理ユニットは、第一の部分４０２が回転すると、主パターン４１８の観察された移動に基づいて、第一の回転中心４２２、すなわち、第一の基準点を決定する。処理ユニットは、第一の部分４０２が回転すると、補助パターン４１６の観察された移動に基づいて、第二の回転中心４２０、すなわち、第二の基準点を規定する。次いで、処理ユニットは、軸Ｘ、軸Ｙおよび軸Ｚに関連して、第一の回転中心４２２、第二の回転中心４２０、および距離Ｄに基づいて、回転軸を決定する。

【0062】

この実施形態では、２つの平行な表面のみが示されているが、パターン表面は、互いから既知の軸方向オフセットで、より多くの表面を含むことができる。

【0063】

図４の実施形態の利点は、モーションエンコーダによって、回転軸の向きを定量化することが可能になることである。

【0064】

ここで、図５ａを参照すると、本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に５００で示されている。図５ａのモーションエンコーダは、２つのＤｏＦで回転を測定することができ、第二の部分（図示せず）に関して移動可能に取り付けられた第一の部分５０２と、パターン表面５１２と、反射表面５１４と、ＩＣＤ５１０と、を備える。

【0065】

反射表面５１４は、ＩＣＤ５１０に対向する第一の部分５０２の平坦な軸方向表面上に位置し、パターン特徴を規定するように構成された遠隔物体などのパターン表面５１２をＩＣＤ５１０に向かって反射するように、部分的または全体的に反射するように構成される。

【0066】

処理ユニット５３０は、ＩＣＤ５１０に通信可能に結合され、１つまたは複数のプロセッサと、プロセッサによって実行可能なコンピュータプログラムデータを記憶するように配置された少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体と、１つまたは複数のプロセッサおよびＩＣＤとコンピュータ可読媒体を通信可能に結合するためのインターフェースとを備える。図５Ａでは、処理ユニット５３０は、ワイヤを介してＩＣＤ５１０に結合されるが、他の実施形態では、処理ユニット５３０は、ワイヤレス方式でＩＣＤに接続することができる。さらに、図５ａには示されていないが、処理ユニットは、ユーザが制御入力を提供するために処理ユニット５３０と対話することを可能にするユーザ入力装置を備えても、あるいはユーザ入力装置に通信可能に結合されてもよい。

【0067】

ＩＣＤ５１０は、第一の部分５０２に対してパターン表面５１２から遠い側に配置され、その光軸は、第一の部分５０２の回転軸とほぼ整列する。ＩＣＤ５１０は、パターン表面５１２のアパーチャ（図示せず）を通して反射表面５１４を撮像するように構成される。

【0068】

この実施形態におけるパターン表面は、その特徴が反射表面５１４によってＩＣＤ５１０に向かって反射され、したがってＩＣＤ５１０によって識別可能となるように、外部光源（図示せず）によって照射される。

【0069】

ここで、図５ＡのＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を観察すると、第一の部分５０２がＸ軸またはＹ軸の周りを回転するとき、これは、図５Ｂに描かれるように、反射パターンの略直線移動をもたらす。Ｙ軸を中心として第一の部分５０２が回転すると、パターンを含む反射特徴が水平方向に移動し、一方、Ｘ軸を中心として第一の部分が回転すると、パターンを含む反射特徴が垂直方向に移動する。

【0070】

処理ユニットは、反射パターンの垂直移動に基づくＸ軸を中心とした回転と、反射パターンの水平移動に基づくＹ軸を中心とした回転を決定する。

【0071】

したがって、処理ユニットは、ＩＣＤ５１０に対する第一の部分５０２の、軸Ｘおよび軸Ｙの周りでの回転移動を測定することができる。ＩＣＤの位置が、空間的に固定されている場合など、第二の部分に対して既知である場合、処理ユニットは、第二の部分に対する第一の部分５０２の回転移動を測定することができる。

【0072】

図５Ａに示す実施形態の利点は、ジョイント内の回転移動をパターンの横方向移動に変換し、したがって、信頼性を高め、経時的な再構成の必要性を減らして、非常に精密な測定を可能にすることである。さらに、図５Ａの実施形態は、単一のＩＣＤを用いて２つのＤｏＦで移動を定量化することができる。

【0073】

このモーションエンコーダの代替の実施形態では、軸受によって、第一の部分５０２がＺ軸に沿って１つのＤｏＦで移動することが可能になる。

【0074】

Ｚ軸に沿って第一の部分５０２が移動すると、第一の部分５０２がＩＣＤ５１０に近づくように移動するにつれて、パターン表面５１２の反射パターンの特徴が互いにさらに離れて移動することになるか、あるいは図８Ｂに示すように、第一の部分５０２がＩＣＤ５１０から遠ざかるように移動するにつれて、パターン表面５１２の反射パターンの特徴が一緒に近づくように移動することになる。

【0075】

このようなモーションエンコーダの利点は、画像内の特徴の動作が、Ｚ軸を中心とした第一の部分の回転に本質的に独立していることである。

【0076】

ここで、図６を参照すると、本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に６００で示されている。図６のモーションエンコーダは、図５Ａの実施形態と同様の方法で機能する。図５Ａの実施形態の要素に加えて、図６の実施形態は、ビームスプリッタ６１６およびコリメートレンズ６１８を含む。

【0077】

ＩＣＤ６１０は、第一の部分６０２に対してビームスプリッタ６１６の遠い側に配置される。

【0078】

ビームスプリッタ６１６は、パターン表面６１２によって放射または反射された光を受け、その光を反射表面６１４の方へ向けて導くように配置される。次いで、パターン６２０の反射は、ビームスプリッタ６１６を通過し、第一のＩＣＤ６１０によって観察される。

【0079】

ＩＣＤ６１０、パターン表面６１２、コリメートレンズ６１８、およびビームスプリッタ６１６は、パターン６２０およびＩＣＤ６１０の両方がコリメートレンズ６１８の焦点になるように配置される。したがって、ＩＣＤ６１０、レンズ６１８およびビームスプリッタ６１６は、オートコリメータとして機能する。

【0080】

したがって、パターン６２０の特徴のコリメート画像は、反射表面６１４に向かって投影され、反射表面６１４から反射される。これにより、Ｚ軸に沿った第一の部分６０２のいかなる移動も、パターン６２０の画像化された特徴に影響を及ぼさないことが保証される。

【0081】

ここで、図６のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を観察すると、第一の部分６０２がＸ軸またはＹ軸の周りを回転するとき、これは、図５Ｂに描かれたパターンに類似したパターン６２０の略直線移動をもたらす。Ｙ軸を中心として第一の部分６０２が回転すると、パターン６２０を含む反射された特徴が水平方向に移動し、一方、Ｘ軸を中心として第一の部分６０２が回転すると、パターン６２０を含む反射された特徴が垂直方向に移動し得る。

【0082】

したがって、処理ユニットは、軸Ｘおよび軸Ｙの周りでのＩＣＤ６１０に対する第一の部分６０２の回転移動を測定することができる。ＩＣＤの位置が、空間的に固定されている場合など、第二の部分に対して既知である場合、処理ユニットは、第二の部分６０４に対する第一の部分６０２の回転移動を測定することができる。

【0083】

図６の実施形態のさらなる利点は、パターン６２０の特徴もＩＣＤ６１０も同じ軸内に配置する必要がないので、エンコーダ要素をよりコンパクトに配置できるようになることである。したがって、より複雑な構成を実施することができる。さらに、図６の実施形態のさらなる利点は、Ｚ軸に沿ったあらゆる移動がパターンの移動に影響を及ぼさないことであり、そのため、測定間のクロストークが減少することである。

【0084】

ここで、図７Ａを参照すると、本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に７００で示されている。軸は描かれていないが、図２に描かれているように規定されてもよい。

【0085】

モーションエンコーダは、この実施形態ではシャフトであり、軸受７０６を介して第二の部分７０４に結合された第一の部分７０２と、第一のＩＣＤ７１０と、パターン表面７１２と、任意選択の照明源７０８と、この実施形態では第一のＩＣＤ７１０に組み込まれている処理ユニットと、を含む。軸受７０６は、第一の部分がＸ軸およびＹ軸に沿って軸方向にのみ移動することを可能にする。したがって、ジョイントは、２つのＤｏＦを有する。

【0086】

パターン表面７１２は、ジョイントの第一の部分７０２上で、ＩＣＤ７１０に対向する平坦な表面上に配置され、一組のパターン特徴を規定する。パターン特徴は、パターン７１４を規定する。

【0087】

ＩＣＤは、ジョイントの第二の部分７０４上に配置され、その光軸がＺ軸と略平行になるように配置される。

【0088】

第一の部分７０２をＸ軸に沿って移動させると、パターン７１４は、ＩＣＤによって捕捉された画像内で水平方向に移動し、一方、第一の部分をＹ軸に沿って移動させると、図７Ｂに示すように、ＩＣＤによって捕捉された画像内でパターン７１４が垂直方向に移動することになる。

【0089】

処理ユニットは、ＩＣＤによって捕捉された画像内のパターンの垂直方向および水平方向の移動に基づいて、ＩＣＤ７１０に対するＸ軸およびＹ軸に沿った第一の部分の移動を定量化する。

【0090】

図７Ａの実施形態の利点は、単一の光学センサで複数のＤＯＦで移動を測定できることである。

【0091】

ここで、図８Ａを参照すると、本発明の一実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に８００で示されている。軸は描かれていないが、図２に描かれているように規定されてもよい。

【0092】

モーションエンコーダは、この実施形態ではシャフトであり、軸受８０６を介して第二の部分８０４に結合された第一の部分８０２と、第一のＩＣＤ８１０と、パターン表面８１２と、任意選択の照明源８０８と、この実施形態では第一のＩＣＤ８１０に組み込まれている処理ユニットと、を含む。軸受８０６は、第一の部分が、Ｚ軸に沿って軸方向にのみ移動することを可能にする。したがって、ジョイントは、１つのＤｏＦを有する。

【0093】

パターン表面８１２は、ジョイントの第一の部分８０２上で、ＩＣＤ８１０に対向する平坦な表面上に配置され、一組のパターン特徴を規定する。パターン特徴は、パターン８１４を規定する。

【0094】

ＩＣＤ８１０は、ジョイントの第二の部分８０４上に配置され、その光軸がＺ軸と略平行になるように配置される。

【0095】

Ｚ軸に沿って第一の部分８０２が移動すると、第一の部分８０２がＩＣＤ８１０に近づくように移動するにつれて、パターン８１４の特徴が互いに離れて移動することになるか、あるいは図８Ｂに示すように、第一の部分８０２がＩＣＤ８１０から離れて移動するにつれて、パターン８１４の特徴が一緒に近づくように移動することになる。

【0096】

処理ユニットは、パターン８１４を構成する特徴間の距離の変化を測定することによって、Ｚ軸に沿った第一の部分８０２の変位を定量化することができる。これは、様々な数学モデルを用いて達成することができる。一例として、第一の部分８０２がＺ軸に沿って移動するときの一対の画像特徴間の距離の相対変化がＥであり、ＩＣＤのピンホールの位置からのパターン表面８１２の当初距離がＤである場合、ピンホールカメラモデルを仮定すると、Ｚ軸に沿った第一の部分８０２の変位は、Ｄ×（１－１／Ｅ）で与えられる。

【0097】

ここで、図９を参照すると、本発明の一実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に９００で示されている。モーションエンコーダは、反射表面９１４を有する第一の部分９０２と、第一のＩＣＤ９１０と、パターン表面９１２と、を含む。ジョイント（図示せず）によって、第一の部分９０２が、Ｚ軸に略平行なその長手方向軸に沿ってのみ移動することが可能になる。したがって、ジョイントは、１つのＤｏＦを有する。

【0098】

パターン表面９１２は、第一の部分９０２に関して遠隔物体によって規定され、外側延長主表面９１２ａを備え、主表面９１２ａは、軸方向にオフセットされ、内側補助表面９１２ｂと平行である。この軸方向オフセット、換言すれば、主表面９１２ａの平面と補助表面９１２ｂの平面との間の距離Ｄは、処理ユニットに知られている。遠隔物体は、ＩＣＤ９１０に対して固定された空間関係を有する。

【0099】

第一の部分９０２がＺ軸に沿って移動すると、第一の部分９０２がＩＣＤ９１０に近づくように移動するにつれて、パターン９１２ａの特徴がファクタＥ１だけ互いにさらに離れるように移動することになる。第一の部分９０２がＺ軸に沿って移動すると、第一の部分９０２がＩＣＤ９１０に近づくように移動するにつれて、パターン９１２ｂの特徴が、ファクタＥ２だけ互いにさらに離れるように移動することになる。

【0100】

処理ユニットは、式ｅ＝Ｄ×（Ｅ１－１）×（１－Ｅ２）／（Ｅ２－Ｅ１）に基づいて、Ｚ軸に沿ったジョイントの変位を比率Ｅ１およびＥ２に関連付ける数学モデルに基づいて、Ｚ軸に沿った第一の部分９０２の変位を決定することができる。

【0101】

ここで、図１０を参照すると、本発明の一実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に１０００で示されている。モーションエンコーダは、反射表面１０１４を有する第一の部分１００２と、第一のＩＣＤ１０１０と、パターン表面１０１２と、を含む。ジョイント（図示せず）によって、第一の部分１００２が、Ｚ軸に略平行なその長手方向軸に沿ってのみ移動することが可能になる。ジョイントは、１つのＤｏＦを有する。

【0102】

反射表面１０１４は、内側延長主反射表面１０１４ａを備え、この主反射表面１０１４ａは、軸方向にオフセットされ、外側補助表面１０１４ｂと平行である。この軸方向オフセット、換言すれば、主反射表面１０１４ａの平面と補助反射表面１０１４ｂの平面との間の距離Ｄは、処理ユニットに知られている。

【0103】

第一の部分１００２がＺ軸に沿って移動すると、第一の部分１００２がＩＣＤ１０１０に近づくように移動するにつれて、第一の反射表面１０１４ａによって反射されるパターンの特徴が、ファクタＥ１だけ互いにさらに離れるように移動することになる。

【0104】

第一の部分１００２がＺ軸に沿って移動すると、第一の部分１００２がＩＣＤ１０１０に近づくように移動するにつれて、補助反射表面１０１４ｂによって反射されるパターンの特徴が、ファクタＥ２だけ互いにさらに離れるように移動することになる。

【0105】

処理ユーザは、式ｅ＝Ｄ×（Ｅ１－１）×（１－Ｅ２）／（Ｅ２－Ｅ１）に基づいて、Ｚ軸に沿ったジョイントの変位を比率Ｅ１およびＥ２に関連付ける数学モデルに基づいて、Ｚ軸に沿った第一の部分１００２の変位を決定することができる。

【0106】

ここで、図１１を参照すると、本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に１１００で示されている。モーションエンコーダは、外側反射部分透明表面１１１４ａおよび内側反射不透明表面１１１４ｂを有する第一の部分１１０２と、第一のＩＣＤ１１１０と、パターン表面１１１２とを有する。ジョイント（図示せず）によって、第一の部分１１０２が、Ｚ軸に略平行なその長手方向軸に沿ってのみ移動することが可能になる。移動は、１つのＤｏＦを有する。

【0107】

外側反射部分透明面１１１４ａは、軸方向にオフセットされ、内側反射不透明表面１１１４ｂに平行である。軸方向のオフセット、換言すれば、外側反射部分透明表面１１１４ａの平面と内側反射表面１１１４ｂの平面との間の距離Ｄは、処理ユニットに知られている。

【0108】

第一の部分１１０２がＺ軸に沿って移動すると、第一の部分１１０２がＩＣＤ１１１０に近づくように移動するにつれて、反射表面１１１４ａによって反射されたパターンの特徴が、ファクタＥ１だけ互いにさらに離れるように移動することになる。

【0109】

第一の部分１１０２がＺ軸に沿って移動すると、第一の部分１１０２がＩＣＤ１１１０に近づくように移動するにつれて、反射表面１１１４ｂによって反射されたパターンの特徴が、ファクタＥ２だけ互いにさらに離れるように移動することになる。

【0110】

処理ユニットは、式ｅ＝Ｄ×（Ｅ１－１）×（１－Ｅ２）／（Ｅ２－Ｅ１）に基づいて、Ｚ軸に沿ったジョイントの変位を比率Ｅ１およびＥ２に関連付ける数学モデルに基づいて、Ｚ軸に沿った第一の部分１１０２の変位を決定することができる。

【0111】

図９～図１１に例示された実施形態の利点は、より高い精度で軸方向変位の正確な測定を可能にすることである。さらに、ＩＣＤがピンホールカメラとしてモデル化される場合、図９～図１１の実施形態は、軸方向オフセットＤが既知であるか、またはＩＣＤのピンホールからのパターンの距離よりも測定が容易である状況での測定を容易にする。

【0112】

ここで、図１２を参照すると、本発明の一実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に１２００で示される。軸は描かれていないが、図２に描かれているように規定されてもよい。

【0113】

モーションエンコーダは、本実施形態では、軸受１２０６を介して第二の部分１２０４に結合されたシャフトである第一の部分１２０２と、第一のＩＣＤ１２１０と、パターン表面１２１２と、照明源１２０８と、処理ユニット（図示せず）とを含む。軸受１２０６は、第一の部分が、Ｚ軸に沿って軸方向にのみ移動することを可能にする。移動は、１つのＤｏＦがある。

【0114】

パターン表面１２１２は、ジョイントの第一の部分１２０２上で、ＩＣＤ１２１０に対向する平坦な表面上に配置される。

【0115】

本実施形態における照明源は、カメラの光軸からオフセットされるように配置された光プロジェクタ（図示せず）であり、光プロジェクタは、パターン表面１２１２上に特徴のパターン１２１４を投影する。ＩＣＤ１２１０およびジョイントに対するプロジェクタの位置および向きは、処理ユニットに知られている。

【0116】

ＩＣＤ１２１０は、ジョイントの第二の部分１２０４上に配置され、その光軸がＺ軸と略平行になるように配置される。

【0117】

第一の部分１２０２がＺ軸に沿って移動すると、ＩＣＤ１２１０によって捕捉された画像内の特徴の対応する平行移動とともに、第一の部分のパターン表面１２１２を横切る投影パターン１２１４の平行移動をもたらす。

【0118】

処理ユニットは、Ｚ軸に沿った第一の部分１２０２の変位をパターン１２１４の特徴の動作に関連付けるために、ＩＣＤ１２１０に関するプロジェクタの位置および向きの知識を利用する。

【0119】

ここで、図１３を参照すると、本発明の一実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に１３００で示されている。モーションエンコーダは、本実施形態では、シャフトであり、軸受１３０６を介して第二の部分１３０４に結合された第一の部分１３０２と、第一のＩＣＤ１３１０と、第二のＩＣＤ１３２０と、パターン表面１３１２と、照明源１３０８と、処理ユニット（図示せず）とを含む。軸受１３０６は、第一の部分が６つのＤｏＦで移動することを可能にする。

【0120】

パターン表面は、ジョイントの第一の部分上で、平坦な表面上に配置され、一組のパターン特徴を規定する。パターン特徴は、パターン１３１４を規定する。

【0121】

第一のＩＣＤ１３１０および第二のＩＣＤ１３２０は、パターン１３１４の重なり合うビューを有しながら、互いに離れて配置される。第一のＩＣＤ１３１０に対する第二のＩＣＤ１３２０の位置および向きは、一定であり、既知である。

【0122】

図１３では、第一のＩＣＤ１３１０および第二のＩＣＤ１３２０は、それらの光軸が略平行になるように配置されているが、そうである必要はない。さらに、図１３では、第一のＩＣＤ１３１０および第二のＩＣＤ１３２０は、近接して配置されるが、他の実施形態では、互いに離間されてもよい。さらに、第二のＩＣＤ１３２０は、第一の部分および／または第二の部分から離れていてもよい。

【0123】

６つの自由度のいずれかにおける第一の部分１３０２の動作は、画像における特徴の対応する動作をもたらす。

【0124】

本実施形態における処理ユニットは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿ったパターン特徴の動作を導出するために、第一のＩＣＤ１３１０および第二のＩＣＤ１３２０によって処理ユニットに供給される立体視情報を組み込んで、数学モデルを採用する。６つのＤｏＦのいずれかにおける第一の部分１３０２の動作は、パターン表面１３１２上の３つ以上のパターン特徴の動作から導出されてもよい。このような数学モデルは、本開示の利益を与えられれば当業者には明らかであり、したがって、簡潔にするために、これ以上説明しない。

【0125】

代替の実施形態では、軸（例えば、Ｚ軸）の周りでの第一の部分の回転から特徴の動作を脱結合するために、パターン表面上にパターンを投影するために、プロジェクタを使用してもよい。この場合、その軸の周りの回転を測定することはできない。

【0126】

ここで図１４を参照すると、本発明のさらなる実施形態によるモーションエンコーダの図が、全体的に１４００で示されている。モーションエンコーダは、本実施形態では、シャフトであって、第二の部分（図示せず）に軸受を介して結合されたシャフトである第一の部分１４０２と、第一のＩＣＤ１４１０と、パターン表面１４１２と、照明源（図示せず）と、処理ユニット（図示せず）とを含む。この軸受は、第一の部分が６つのＤｏＦで移動することを可能にし、主として、Ｚ軸の周りで回転し、これに、Ｘ軸およびＹ軸の周りでの比較的少量の回転と、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿った平行移動を伴う。

【0127】

第一のＩＣＤ１４１０に対向する第一の部分１４０２の軸方向面は、外側環状表面１４１４ａ、内側環状表面１４１４ｂ、および内側円形表面１４１４ｃの３つの面からなる。内側表面１４１４ｂおよび１４１４ｃは、同一平面上に位置し、表面１４１４ａの平面から軸方向にオフセットする。表面１４１４ａの平面と表面１４１４ｂおよび１４１４ｃの平面の軸方向のオフセットＤは、処理ユニットに知られている。

【0128】

外側環状表面１４１４ａは、パターンＡ１４２０ａを含む表面特徴を含む。内側環状表面１４１４ｂは、パターンＢ１４２０ｂを含む表面特徴を含む。内側円形表面１４１４ｃは、パターンＣ１４２０ｃを含むＩＣＤ１４１０の方へパターン表面１４１２の表面特徴を反射する。

【0129】

ＩＣＤ１４１０は、第一の部分１４０２に対してパターン表面１４１２の遠い側に配置され、その光軸は、第一の部分１４０２の長手方向軸とほぼ整列する。ＩＣＤ１４１０は、パターン表面１４１２のアパーチャ（図示せず）を通して表面１４１４ａ～１４１４ｃを捕捉するように構成される。

【0130】

処理ユニットは、パターンＡ、ＢおよびＣの変換を測定し、６つのＤｏＦ全てにおける第一の部分の移動を決定する。Ｚ軸の周りでの回転（回転中心の決定を含む）は、パターンＡまたはＢに関連する特徴の動作から導出される。決定された回転中心および距離Ｄに基づいて、処理ユニットは、回転軸の向きを判定する。

【0131】

Ｘ軸またはＹ軸の周りでの回転は、パターンＣの動作から導かれる。第一の部分１４０２がＸ軸またはＹ軸を中心として回転するとき、これは、図５Ｂに描かれるように、反射パターンＣの略直線移動をもたらす。

【0132】

Ｘ軸またはＹ軸に沿った動作は、パターンＡまたはＢに関連する特徴の動作から導出されてもよい。Ｘ軸に沿った第一の部分１４０２の移動は、ＩＣＤ１４１０によって捕捉された画像内でパターンＡまたはＢを水平方向に移動させることになり、その一方で、Ｙ軸に沿った第一の部分１４０２の移動は、図７Ｂに描写されたように、ＩＣＤ１４１０によって捕捉された画像内でパターンＡまたはＢを垂直方向に移動させることになる。

【0133】

Ｚ軸に沿った移動は、パターンＡ、ＢまたはＣに関連する特徴の移動から導出されてもよい。Ｚ軸に沿って第一の部分１４０２が移動すると、第一の部分１４０２がＩＣＤ１４１０に近づくように移動するにつれて、パターンＡ、ＢまたはＣの特徴が互いにさらに離れるように移動することになるか、あるいは図８Ｂに示すように、第一の部分１４０２がＩＣＤ１４１０から離れるように移動するにつれて、パターンＡ、ＢまたはＣの特徴が一緒に近づくように移動することになる。

【0134】

任意の実施形態では、パターンを物理的に画定または形成する表面特徴は、表面の形態学的特性、様々な色、幾何学的パターン、およびテクスチャの任意の組合せを含むことができる。パターンを構成する一組の特徴は、第一の部分が移動する前に、または移動する間に、人間による入力によって、あるいは処理ユニットによる自動的な方法で選択された、異なる特徴を含むように変更してもよい。

【0135】

任意の実施形態では、撮像された特徴の変換を特徴付けることは、撮像された特徴の動作、位置、向き、回転、またはサイズの変化を特徴付けることを含むことができる。例えば、動作は、変位および回転パラメータ、および変形パラメータ（伸長またはスキューなど）によって特徴付けられる場合がある。このようなパラメータの確認は、画像処理またはコンピュータビジョンなどの分野の当業者に知られている方法によって達成することができる。このような方法の１つは、これらの分野では、一般に、オプティカルフロー推定または動作推定のいずれかと呼ばれる。デジタル画像における位置／動作を推定するための周知の直接的な方法は、パターンマッチング（例えば、相関関数を使用する）であり、周知の間接的な方法は、Ｋａｎａｄｅ－Ｌｕｃａｓ－Ｔｏｍａｓｉ（ＫＬＴ）特徴トラッカである。

【0136】

任意の実施形態では、処理ユニットは、ＩＣＤに対する第一の部分の動作範囲に基づいて第一の座標系を定義することができる。処理ユニットは、第一の部分の測定位置および／または動作を別の座標系に変換することができる。基準マーカを使用して、その座標系を定義することができる。処理ユニットは、座標フレームの原点の位置を推測するために、基準マーカに関連付けられた特徴の画像内の位置を測定する。

【0137】

処理ユニットによって実行され得るさらなる動作は、画像内の特徴の位置および／または動作から、第二の部分に対するジョイントの第一の部分の位置および／または動作を推測することである。第一のステップは、ＩＣＤに対するジョイントの第一の部分の動作を導出することである。これは、コンピュータビジョンまたは写真測量、例えば、カメラモデル（ピンホールモデルなど）、ステレオビジョン、バンドル調整、構造化光技術などの分野の当業者に知られている技術を介して達成され得る。

【0138】

本発明の実施形態で使用されるＩＣＤは、多数の光感知素子を含み、画像または画像シーケンスを生成することができる。ＩＣＤは、例えば、上記の機能性を有するデジタルカメラ装置、例えば、産業ビジョンカメラのようなＣＭＯＳまたはＣＣＤ画像センサを備えるカメラを含むことができる。

【0139】

任意の実施形態では、ＩＣＤは、表面の特徴が画像の特徴に変換されるように表面を画像化するように構成することができる。上記の実施形態では、ＩＣＤは、その視野（ＦｏＶ）が第一および第二のパターン位置の両方に特徴のパターンを含むように配置される。

【0140】

任意の実施形態では、処理ユニットは、動作モデルと結合されたテンプレートマッチング技法を使用して、ＩＣＤから受け取った画像内の特徴の位置および動作を測定することができる。

【0141】

任意の実施形態において、処理ユニットは、１つまたは複数のプロセッサと、処理ユニットコンピュータシステムによって読み取ることができるデータを記憶することができる読み出し専用メモリまたはランダムアクセスメモリのような１つまたは複数の非一時的なコンピュータ可読媒体と、コンピュータ可読媒体を１つまたは複数のプロセッサおよびＩＣＤと通信可能に結合するためのインターフェースと、ユーザが処理ユニットと対話することを可能にするユーザ入力装置と、を備えることができる。

【0142】

任意の実施形態において、基準マーカは、パターンの一部であることが必要とされる特定の特徴を規定するために、あるいは測定点の位置を規定するために、ＩＣＤのＦｏＶ内のジョイントの部分または他の部分上に提供され得る。

【0143】

モーションエンコーダが回転移動を測定する実施形態では、処理ユニットは、パターン特徴の円動作の数学モデルと、（例えば、レンズ歪みモデルおよびピンホールカメラモデルを介して）ＩＣＤの画像平面上へのその動作の円形または楕円投影を使用することができる。

【0144】

モーションエンコーダが軸方向移動を測定し、回転移動によるクロストーク効果を低減する必要がある実施形態では、画像内の特徴の動作が回転軸の周りでの第一の部分の回転とは無関係であるように、パターンは円形対称（例えば、１つまたは複数の同心リング）を有するように設計することができる。

【0145】

モーションエンコーダが、回転移動または横方向移動を測定し、ＩＣＤの光軸に沿った軸方向移動によるクロストーク効果を低減することが望ましい実施形態では、ＩＣＤが第一のパターン位置および第二のパターン位置でパターンの正投影図を有するように、１つまたは複数のテレセントリックレンズを位置決めすることができる。

【0146】

いずれの実施形態においても、ＩＣＤレンズの不完全性のために、いくらかの歪みが、パターン特徴の一般的な線形変位に影響を及ぼし得る。しかしながら、これは、様々な計算手段または光学手段で補正することができる。

【0147】

いずれの実施形態においても、移動は、指定された数のＤｏＦに拘束されることになるが、軸受のコンプライアンスのために、他のＤｏＦにおいて何らかの移動が可能であり得る。このような移動は、モーションエンコーダによって予測され、定量化され、その効果は、ジョイントの移動の決定から取り除かれる。

【0148】

当業者は、本発明のさらなるバリエーションが、様々な反射表面を通してＩＣＤによって観察可能なパターン、ジョイントの第一の部分と第二の部分の両方に延在するパターン、ジョイントの第一の部分および第二の部分の両方から独立しているが、ジョイントの両方の部分を観察するように配置された１つまたは複数のＩＣＤであって、処理ユニットが、ＩＣＤに対する第一の部分およびＩＣＤに対する第二の部分の移動を推測し、したがって、第二の部分に対する第一の部分の移動を決定するために、上述の技法のいずれかを使用することができるようになっている、１つまたは複数のＩＣＤ、あるいは立体視情報が処理ユニットに供給されるように、同じパターンを観察するように構成された複数のＩＣＤを含むことができることを理解するであろう。

【0149】

第一の部分の動作範囲が、画像内のパターンを含む特徴をＩＣＤの視野を超えて移動させるために十分である場合、視野を離れている特徴の位置／動作の測定を、依然として視野内にある代替特徴に引き継ぐことができる。そのような場合、特徴を複数回引き継ぐことによって蓄積し得る誤差を補償するために使用され得る補正マップを生成するために、較正プロセスが実行され得る。

【0150】

パターンの外観の変化（例えば、パターン上の埃または汚れに起因する）に対する装置の堅牢性は、複数の特徴の位置／動作を利用し、次いで、残りの特徴によって推論されるジョイントの位置／動作と一致しない位置／動作を示す任意の特徴を無視することによって改善され得る。

【0151】

任意の実施形態において、エンコーダは、パターンに関連する明確な特徴を含む画像を確実に含むのを支援するために、（例えば、カメラ露光時間、ゲイン、レンズアパーチャ、光強度などを変化させるために）自動露光システムを付加的に含み得る。

【0152】

光学部品は、電磁スペクトルの任意の適切な部分内で動作するように設計することができ、スペクトルの前記部分は、スペクトルの可視部分を含まなくてもよい。

【0153】

装置の光学素子には、追加として、例えば、主に光源によって放射される波長がカメラに入射するように、波長をフィルタリングすることによって周囲光の衝撃を低減するためのフィルタを含むことができる。

【0154】

上述の実施形態は、本発明を限定するのではなく例示するものであり、当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、多くの代替の実施形態を設計することができることに留意されたい。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】