(57)【要約】物体に対するパターンの位置及び検出装置，例えばカメラに対するパターンの位置という２種類の位置データを含むパターンを使用して，絶対位置を検出する装置，システム，及び方法。この装置は，物体上に配置されたパターンの画像を取得する検出装置，及び画像を分析して検出装置に対する物体の絶対位置を判定する演算ユニットを有する。本発明は，トルクセンサ，経緯儀，関節アーム，又は角度検出器の一部分の形成など，多数の用途に具現化される。
2009521671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の位置を検出するための位置検出システム（１）であって，
‐それぞれが少なくとも１つのノード部分（３０１〜３０４）及び少なくとも１つの情報部分（３０５〜３１１）を有し，前記物体（２）上に直接又は間接的に配置される複数のパターングループ（４）と，
‐前記パターン（４）を検出するための少なくとも１つの画像取得装置（３）と，
‐少なくとも２つの方向について前記パターンのそれぞれの前記ノード部分（３０１〜３０４）の幾何学的中心を判定するため，及び，検出されたパターンのそれぞれの前記部分（３０１〜３１１）について部分の種類を決定するために，信号を分析するための手段を有する演算装置（２００）とを備えており，
前記ノード部分（３０１〜３０４）が，前記画像取得装置（３）に対する位置をもたらすよう構成され，前記情報部分（３０５〜３１１）が，前記物体に対する前記ノード部分の位置をもたらす位置検出システム。
【請求項２】
前記物体（２）が，三次元の物体（２）である請求項１記載の位置検出システム。
【請求項３】
前記パターングループ（４）が，前記物体（２）の湾曲した表面に設けられている請求項１又は２記載の位置検出システム。
【請求項４】
２つのパターングループ系列（４，４’）が，シャフト（２）の長手方向において，相互に距離（ｄ）を離間して，互いに基本的に平行に位置している請求項１〜３いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項５】
２つの前記画像取得装置（３）が設けられ，それぞれが前記２つのパターングループ系列（４，４’）の一方を読み取る請求項４記載の位置検出システム。
【請求項６】
少なくとも１つの照明装置（３２０，３３０，３４０，３５０）をさらに有し，照明は，可視光，赤外光，ｘ線光，紫外光のうちの１つである請求項１〜５いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項７】
前記照明装置からの前記照明の強度が，前記演算装置によって制御される請求項６記載の位置検出システム。
【請求項８】
前記ノード部分及び前記情報部分が，塗り潰された円，リング，又は中心にマーキングを有するリングのうちの少なくとも１つを含む請求項１〜７いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項９】
前記ノード部分及び前記情報部分のうちの少なくとも１つが色により符号化される請求項１〜８いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項１０】
前記パターングループ（４）及び前記画像取得装置（３）が，環境パラメータからの保護を成す筐体内に位置している請求項１〜９いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項１１】
前記演算装置が，勾配分析を使用する視覚に基づくアルゴリズムを使用してノード点の対称中心の位置を判定するようにさらに構成されている請求項１〜１０いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項１２】
前記対称中心が，前記パターンの前記ノード部分及び前記情報部分の両方について判定される請求項１〜１１いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項１３】
前記ノード部分が，複数の異なる種類，例えば塗り潰された点，塗り潰されていない点，又は中心にドットを有する塗り潰されていない点を含む請求項１〜１２いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項１４】
前記点が，円形，四角形，正方形，又は三角形のうちの１つから選択される形状を有する請求項１２記載の位置検出システム。
【請求項１５】
前記情報部分が，複数の異なる種類，例えば塗り潰された点，塗り潰されていない点，又は中心にドットを有する塗り潰されていない点を含む請求項１〜１４いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項１６】
前記演算装置が，前記ノード部分のサイズ，前記情報部分のサイズ，２つの前記ノード部分間の距離，２つの前記情報部分間の距離，及び前記ノード部分と前記情報部分との間の距離のうちの少なくとも１つを測定することによって，前記物体と前記画像取得装置との間の距離を判定するように構成されている請求項１〜１５いずれか１項記載の位置検出システム。
【請求項１７】
物体（２）におけるトルクを測定するためのトルクセンサであって，
‐それぞれが少なくとも１つのノード部分（３０１〜３０４）及び少なくとも１つの情報部分（３０５〜３１１）を有し，前記物体（２）上に直接又は間接的に配置される複数のパターングループ（４，４’）と，
‐前記パターン（４）を検出するための少なくとも１つの画像取得装置（３）と，
少なくとも２つの方向について前記パターンの前記ノード部分（３０１〜３０４）の幾何学的中心を判定するため，及び，検出された前記パターンのそれぞれの前記部分（３０１〜３１１）について部分の種類を決定するために，前記画像取得装置（３）からの信号を分析するための手段を有する演算装置（２００）とを備えており，
前記ノード部分（３０１〜３０４）が，前記画像取得装置（３）に対する位置をもたらすよう構成され，前記情報部分（３０５〜３１１）が，前記物体に対する前記ノード部分の位置をもたらす位置検出システム（１），及び
‐それぞれが複数の前記パターングループ（４，４’）を備えており，前記物体（２）へと取り付けられる少なくとも２つのスリーブ（４０３，４０４）を有し，
前記位置検出システムが，それぞれの前記スリーブ（４０３，４０４）から位置データを取得し，前記演算装置が，前記スリーブの位置の間の角度の差を検出し，該角度の差からトルクを判定するための手段をさらに備えるトルクセンサ。
【請求項１８】
物体の位置を判定するための方法であって，
‐前記物体上に配置されたパターングループを検出装置によって検出するステップと，
‐対称分析を使用して，少なくとも２つの方向について，前記パターングループの一部を形成しているノード点の中心位置を判定するステップと，
‐前記ノード点の種類を決定するステップと，
‐前記物体上に配置された情報点の種類及び位置を判定するステップと，
‐前記ノード点及び前記情報点の両方の点の前記位置及び種類の情報の組み合わせを使用して，前記検出装置に対する前記物体の絶対位置を判定するステップと
を含む方法。
【請求項１９】
物体（２）上に配置されたパターングループを表わす，カメラから受信されるデータを分析することによって物体の位置を判定するために，コンピュータで読み取り可能な媒体に保存されたコンピュータプログラムであって，
前記カメラに対する前記物体（２）の位置を判定するために，少なくとも２つの方向について前記パターングループのノード点の幾何学的中心の位置を判定するように構成され，さらに前記物体（２）に対する前記ノード点の位置を判定するために，前記パターングループの情報点の種類及び相対位置を判定するように構成されるコンピュータプログラム。
【請求項２０】
前記ノード点の対称中心の位置が，勾配分析を使用する視覚に基づくアルゴリズムを使用して判定される請求項１８記載のコンピュータプログラム。
【請求項２１】
物体（２）の角度位置を判定するための角度検出器であって，
‐それぞれが少なくとも１つのノード部分（３０１〜３０４）及び少なくとも１つの情報部分（３０５〜３１１）を有し，前記物体（２）上に直接又は間接的に配置される複数のパターングループ（４）と，
‐前記パターン（４）を検出するための少なくとも１つの画像取得装置（３）と，
‐少なくとも２つの方向について前記パターンの前記ノード部分（３０１〜３０４）の幾何学的中心を判定するため，及び，検出された前記パターンのそれぞれの前記部分（３０１〜３１１）について部分の種類を決定するために，前記画像取得装置（３）からの信号を分析するための手段を有する演算装置（２００）と
を有する位置検出システム（１）を備え，
前記ノード部分（３０１〜３０４）が，前記検出装置に対する位置をもたらすよう構成され，前記情報部分（３０５〜３１１）が，前記物体に対する前記ノード部分の位置をもたらし，
前記演算装置が，前記信号の分析から前記物体の角度位置を判定するための手段をさらに備える角度検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，物体の位置を判定するための装置，方法，及びシステムに関し，特に，絶対位置データを含むパターンを使用した視覚に基づく情報システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多種多様な制御装置が，様々な目的のために構築されている。最も一般的な制御装置は，所謂マウスであり，コンピュータ上のアプリケーションの動作の制御に使用するための二次元の位置変数をもたらす。他のインターフェース制御装置として，所謂ジョイスティックが挙げられ，やはり，スティックから二次元の位置情報がもたらされるが，追加のボタンをスティックと共に使用することによって，「位置変数」の数を増やすことが可能である。しかしながら，この装置が，物理的には二次元の位置変数のみを測定していることを理解すべきである。トラックボールも，やはり二次元のデータをもたらす。ゲームパッドは，位置変数を測定するためにハンドルなどの小型のジョイスティックを使用することが多く，追加のボタンを使用することによってコントローラの機能の範囲をより多くの制御データへと拡張することができる。ハンドル（コンピュータゲーム用）は，一次元のデータをもたらす。
【０００３】
公知の多くの情報システムにおいて，制御装置は，基準測定をもたらすのみであって，絶対測定をもたらしてはおらず，したがって，正しく機能するために制御装置の絶対座標に依存する用途においては，制御装置の位置を連続的に追跡するために，複雑な演算が必要である。そのような装置は，依然として定期的な較正が必要であり，さもなければ誤差が連続的に蓄積し，用途によっては誤差が短時間のうちに危機的になる可能性がある。
【０００４】
上述の制御装置以外の別の技術領域においても，位置データが物体の位置を判定するために使用されており，多くの場合において絶対測定の情報システムが使用されているが，それらは，多くの場合，低コストの用途において使用するには極めて複雑であって費用対効果に欠ける。視覚に基づくシステムが，例えば移動している車両又は物体の位置を測定するための視覚に基づく測位システムにおいて以前から使用されており，多くの場合は基準点と共に使用されている。これらのシステムは，車両又は物体に取り付けられて，周囲の領域の基準点を使用して位置を判定することができ，あるいは外部の位置に取り付けられ，車両又は物体上の基準点を使用して位置を判定することができる。これらのシステムは通常は極めて複雑であり，高品質な視覚システム及び多大な演算能力を必要とする。そのようなシステムが米国特許第５９６５８７９号に提示されており，一次元の絶対光直線エンコーダ又は回転エンコーダが示されている。この情報システムは，物体の位置を発見するために同一の基準マーカーを使用している。基準位置が，１方向，すなわち移動の方向において計算される。別のそのようなシステムが，米国特許第６７６５１９５号に提示されており，二次元の絶対光エンコーダが示されている。この情報システムは，物体の位置を判定するために２つの異なる基準マーカーを使用している。マークは，エンコード対象のすべての位置において同一であり，移動の各方向に厳密に周期的な方法で配置されている。これらのシステムはどちらも複雑な光学的情報システムを必要とするシステムを示しており，パターンのサイズが，数マイクロメートル程度の寸法である。また，曲げや回転の情報をもたらすものではない。
【０００５】
発明の概要
したがって，本発明の目的は，比較的費用対効果に優れかつ複雑ではない技術によって絶対位置データをもたらし，さらに三次元又は四次元の位置情報（ｘ，ｙ，ｚ，及び回転）をもたらすこともできる正確かつ低コストの装置を提供することにある。これが，本発明のいくつかの態様において達成される。
【０００６】
第１の態様においては，
それぞれが少なくとも１つのノード部分及び少なくとも１つの情報部分を含んでおり，測位対象の物体上に配置される複数のパターングループと，
パターンを検出するための少なくとも１つの画像取得装置と，
画像取得装置からの信号を分析する演算装置と
を備えた位置検出システムであって，
前記分析が，少なくとも２つの方向についてパターンのノード部分の幾何学的中心を判定すること，及び，検出されたパターンのそれぞれの部分について部分の種類を決定することを含み，ノード部分が，検出装置に対する位置をもたらし，情報部分が，物体に対するノード部分の位置をもたらす位置検出システムが提供される。
【０００７】
物体は，三次元の物体であってよく，パターングループが，物体の湾曲した表面に設けられる。
【０００８】
２つのパターングループ系列を，シャフトの長手方向において，相互に距離（ｄ）を離間して，互いに基本的に平行に位置させることができる。それぞれが，２つのパターングループ系列の一方を読み取る２つのカメラを設けることができる。
【０００９】
位置検出システムは，少なくとも１つの照明装置をさらに有することができる。照明装置からの照明の出力強度を，演算装置によって制御することができる。
【００１０】
ノード部分及び情報部分は，塗り潰された円，リング，又は中心にマーキングを有するリングのうちの少なくとも１つを含むことができ，及び／又は，この部分が色により符号化されることができる。
【００１１】
パターングループ及びカメラを環境パラメータからの保護を成す筐体内に配置することができる。
【００１２】
演算装置を，勾配分析を使用する視覚に基づくアルゴリズムを使用してノード点の対称中心の位置を判定するようにさらに構成することができる。対称中心が，パターンのノード部分及び情報部分の両方について判定される。
【００１３】
ノード部分は，複数の異なる種類，例えば塗り潰された点，塗り潰されていない点，又は中心にドットを有する塗り潰されていない点を含むことができる。この点は，円形，四角形，正方形，又は三角形のうちの１つから選択される形状を有することができる。
【００１４】
情報部分は，複数の異なる種類，例えば塗り潰された点，塗り潰されていない点，又は中心にドットを有する塗り潰されていない点を含むことができる。
【００１５】
演算装置を，ノード部分のサイズ，情報部分のサイズ，２つのノード部分間の距離，２つの情報部分間の距離，及びノード部分と情報部分との間の距離のうちの少なくとも１つを測定することによって，物体と画像取得装置との間の距離を判定するように構成することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様は，物体におけるトルクを測定するためのトルクセンサであり，このトルクセンサは，
‐それぞれが少なくとも１つのノード部分及び少なくとも１つの情報部分を有し，物体上に直接又は間接的に配置される複数のパターングループと，
‐前記パターンを検出するための少なくとも１つの画像取得装置と，
‐少なくとも２つの方向についてパターンのノード部分の幾何学的中心を判定するため，及び，検出されたパターンのそれぞれの部分について部分の種類を決定するために，前記画像取得装置からの信号を分析するための手段を有する演算装置と，
前記ノード部分が，前記画像取得装置に対する位置をもたらすよう構成され，前記情報部分が，前記物体に対する前記ノード部分の位置をもたらす位置検出システム，及び
‐それぞれが複数のパターングループを備えており，前記物体へと取り付けられる少なくとも２つのスリーブ
を備えており，
前記位置検出システムが，それぞれのスリーブから位置データを取得し，前記演算装置が，前記スリーブの位置の間の角度の差を検出し，この角度の差からトルクを判定するための手段をさらに備える。
【００１７】
本発明のさらに別の態様においては，物体の位置を判定するための方法であって，
物体上に配置されたパターングループを検出装置によって検出するステップと，
対称分析を使用して，少なくとも２つの方向について，前記パターングループの一部を形成しているノード点の中心位置を判定するステップと，
ノード点の種類を決定するステップと，
前記物体上に配置された情報点の種類及び位置を判定するステップと，
ノード点及び情報点の両方の点の前記位置及び種類の情報の組み合わせを使用して，前記検出装置に対する前記物体の絶対位置を判定するステップと
を含む方法が提供される。
【００１８】
本発明のまた別の態様においては，物体上に配置されたパターングループを表わす，カメラから受信されるデータを分析することによって物体の位置を判定するために，コンピュータで読み取り可能な媒体に保存されたコンピュータプログラムであって，前記カメラに対する前記物体の位置を判定するために，少なくとも２つの方向について前記パターングループのノード点の幾何学的中心の位置を判定するように構成され，かつ前記物体に対する前記ノード点の位置を判定するために，前記パターングループの情報点の種類及び相対位置を判定するように構成されるコンピュータプログラムが提供される。
【００１９】
ノード点の対称中心の位置を，勾配分析を使用する視覚に基づくアルゴリズムを使用して判定することができる。
【００２０】
さらに別の態様においては，物体の角度位置を判定するための角度検出器であって，
それぞれが少なくとも１つのノード部分及び少なくとも１つの情報部分を有し，測位対象の物体上に配置される複数のパターングループと，
前記パターンを検出するための少なくとも１つの画像取得装置と，
前記画像取得装置からの信号を分析する演算装置と
を有する位置検出システムを備えており，
前記分析が，少なくとも２つの方向について前記パターンのノード部分の幾何学的中心を判定すること，及び，検出されたパターンのそれぞれの部分について部分の種類を決定することを含んでおり，前記ノード部分が，前記画像取得装置に対する位置をもたらし，前記情報部分が，前記物体に対する前記ノード部分の位置をもたらし，
前記演算装置が，前記信号の分析から前記物体の角度位置を判定するための手段をさらに備える角度検出器が提供される。
【００２１】
以下に，本発明を，添付の図面に示した典型的な実施形態を参照しつつ，あくまでも本発明を限定することなく，さらに詳しく説明する。
【００２２】
好ましい実施形態の詳細な説明
図１において，参照番号１は，断面図により本発明の実施形態による測定装置１を全体的に示す。装置１は，対象である物体２から離れて位置する画像取得装置３を備える。装置１は，ケーシング８及び電気コネクタ９並びに任意で制御インターフェース１０を収納している。図１においては，対象物がシャフト２であり，装置１が，２つのベアリング５及び６に支持されたシャフト２に取り付けられている。画像取得装置３は，物体２の表面の近くに取り付けられている。装置１を，空隙７を形成するような方法で配置することができ，そのような空隙７を，該空隙７への塵埃又は他の妨害因子の進入を許す虞を少なくするために実質的に密封することができる。図１ａは，この実施形態の側面図である図１ｂのＩａの断面図である。
【００２３】
画像取得装置３からの信号は，図２に示した画像処理及び信号調整のための処理装置２００へとコネクタ２０７を介して伝えられ，物体２の位置を表わす１又は複数の信号が，コネクタ２０３を使用して処理装置へと接続された何らかの外部の装置へと供給される。処理装置は，プロセッサ２０１，１又は複数のメモリユニット２０２，画像処理ユニット２０４，並びに測定装置１の用途に応じた他のユニット２０５及び２０６を備えることができる。処理ユニットは，外部の装置又は制御装置１に任意に取り付けられたユニットとの通信のための通信インターフェースを有することができる。そのような任意のユニットとして，これらに限定されるわけではないが，力フィードバック，締め付け装置，又は制御装置のユーザとのやり取りのための同様の相互作用装置を挙げることができる。外部の装置との通信又は内部のセンサの入力の両方のためのインターフェースを，これらに限定されるわけではないが，ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス），ファイアワイヤ，ＲＳ２３２，ＲＳ４８５，イーサネット，セントロニクスパラレルポート，ＧＰＩＢ（汎用インターフェースバス），並びに種々の無線インターフェース（例えば，ブルートゥース及びＷＬＡＮ）など，当業者によって理解されるあらゆる適切な１又は複数のコネクタによって設けることができる。上記インターフェースは，すべて既存の標準的なインターフェースによるものであるが，将来の標準的な情報システムはもとより，プロプライエタリインターフェース(proprietary interfaces)も含み得ることを理解すべきである。
【００２４】
処理装置２００は，測定装置そのものに好都合に配置することができ，あるいは用途に応じて，外付けの独立型の装置として設けることができる。
【００２５】
図１に示した実施形態においては，画像取得装置３が，物体２の位置を得るために使用されるが，例えば物体２上の磁気の「点」の位置を取得する磁気センサなど，位置データを取得するように構成された他の種類のセンサも利用可能である。
【００２６】
物体２の一部が測定装置１のケーシング８内に密封されるため，非接触のセンサ手段を好都合に使用することができるが，たとえ密封が存在しなくても，それらの種類のセンサを使用することが可能である。したがって，塵埃，光，又は漂遊磁界などといった読み取りに影響を及ぼしうる外乱の大きさが小さい。一実施形態においては，ケーシング８が，物体２の位置を測定している磁気センサへと影響がおよぶ虞を少なくするため，磁気遮蔽の特性を有する導電性の材料を用いて製造される。パターン４及びカメラ３を，例えば塵埃又は光などといった外部環境からの悪影響の虞を少なくするための筐体内に設けることができる。
【００２７】
しかしながら，本発明は，物体２の位置の非接触での測定に限定されず，これらに限定されるわけではないが，スリップリング，インピーダンス測定，電圧分圧器，デジタルエンコーダ，及び容量測定など，接触式のセンサも使用可能である。
【００２８】
次に，図３を参照すると，ノード点３０１〜３０４と情報点３０５〜３１１とを有する機能パターンを説明する。各点が，異なるサイズ及び異なる充てん率を有することができ，そのような構成が，カメラなどの読み取り装置によって読み取られるときに，機能的効果を有するであろう。図３には，仮想の点３１２〜３１５も示されているが，これらは，実際の情報システムに存在するマーキングではないが，分析の目的のために分析アルゴリズムにおける基準点として任意に使用することが可能である。各点を，カメラを使用して読み取るために，用途及び環境に応じて，照明３２０，３３０，３４０，３５０が必要とされることがある。この場合には，４つの発光装置（例えば，発光ダイオード（ＬＥＤ），（フィラメントを有する）電球，レーザダイオード，赤外放射器（赤外放射器は，例えば赤外光を吸収又は反射しない何らかの種類の汚染層が存在している場合に適していると考えられる），又は蛍光灯）が，カメラの読み取り領域のパターンの全体に一様な光をもたらすために使用されている。パターンは，物体の絶対位置を得る可能性をもたらすために，カメラの正面を通過する物体の全体にわたって，変動を伴いつつ繰り返されている。しかしながら，本発明は，４つの照明装置には限定されず，任意の適切な数を使用することができ，環境からの周辺光が充分であるいくつかの実施形態においては，追加の照明が不要である。照明は，これらに限定されるわけではないが，例えば可視光，赤外光，紫外光，Ｘ線，又はマイクロ波など，任意の適切な周波数であってよい。
【００２９】
ノード点３０１〜３０４は，リング３０１，３０２，又は内側にドットを有するリング３０３，３０４であってよい（塗りつぶされた円であってもよい）。ノード点３０１〜３０４は，カメラ窓における位置を判定するために使用され，さらに特定の用途において点の種類を判定するために使用され，判定は，ノード点を検出するための第１の工程，及び，ノード点の位置をより高い精度で判定するための第２の工程という２つの工程で行われる。分析を２つの工程で実行する理由は，或る時間単位のそれぞれにおいて必要とされる演算能力を小さくするためである。より正確な判定は，対称分析，重心分析，又は点の中心を判定するための同様な方法（所謂，セントロイド計算）を使用して行うことができる。このセントロイド計算は，例えば勾配分析を使用して，少なくとも２つの方向（さらに，恐らくは物体の回転の次元）において位置についての情報を取得するために，少なくとも２つの方向において行われる。ノード点は，分析の対象として適切な数のピクセルを提供するために，充分に大きくなくてはならない。判定の精度を高めるために，ノード点は，好都合には，塗り潰されておらず，中心にドットを有するリングであり，あるいはドットを持たないリングである。これは，選択された分析法に，ノード点の外側及び内側の両方において勾配の特徴をもたらし，ノード分析の中心の精度を向上させる。リングの中心のドットを，パターンに方向性の特徴をもたらすために使用することができ，規則的な根拠で基準点（又は，線）が取得されるため，分析システムにとってより容易である。このような種類のドット付きのリングを，物体等の周囲の５度ごとに使用することができる。例えば，ドットなしのリングを，パターングループの「赤道」線について使用することができ，パターングループの「赤道」線から「南緯」及び「北緯」５度のそれぞれについて，ドット付きリングのノード点が使用される。例えば，矩形又は楕円形の点など，他の形状の点も使用可能である（これらを，方向及び回転の情報を得る他の方法をもたらすために使用することができる；すなわち，楕円は，その形状からの方向性の挙動を固有に有する）。他の形状として，正方形，三角形，又は不規則形状の形態を挙げることができる。
【００３０】
情報点３０５〜３１１のグループは，１つのノード点の周囲，２つのノード点の間，又は４つのノード点の間に中心を有する。情報点は，パターングループの絶対位置を判定するために使用される。情報点は，好都合には，ノード点からの区別のために，ノード点とは異なるサイズを有する。情報点は，カメラ窓に対するパターンの位置の判定には使用されず，識別されたグループについてパターンを含む物体に対する絶対座標を判定するために使用されるため，より小さいことが多い。これらの小さな情報点も，塗り潰された円，リング，及び不存在（点の不存在も，特定の幾何学的領域に点が存在しうることをシステムが知っている場合，情報をもたらす）など，様々な特徴を有することができる。分析システムが，情報点のパターングループを判定し，互いの相対位置及び点の特徴の種類を判定する。システムは，情報パターングループにおいて使用される情報点の数を知っているため，どの種類の点がそれぞれの位置に存在するかを判定することができ，この分析から，当該情報パターングループの絶対位置を判定することができる。これらの３つの異なる特徴を有する図３に示すような７つの情報点を使用して，適度なサイズの物体及び選択された精度にとって充分である極めて多数の一意的(unique)な組み合わせが利用可能であるが，用途に応じ，情報点の数が別の数であってもよいことを理解すべきである。情報点及び／又はノード点について，別の形状も利用可能であり，本発明は円形に限定されず，正方形，三角形，又は他の任意の幾何学的形状も（不規則形状でさえも）使用可能である。ノード点及び／又は情報点のサイズを，各点に異なる種類の情報をもたらすために使用することができ，そのような場合には，サイズを，各点の面積から決定することができる。これにより，各点を，その点の像を構成しているピクセルの数によって決定できるため，不規則形状についてもサイズを使用することができる。ノード点及び情報点は，同じ点であってもよく，すなわち，システムが物体上の点の位置及び検出装置に対する位置を判定するためにパターンを使用できる限りにおいて，異なるサイズ，種類，又は位置である必要はない。
【００３１】
湾曲した表面を有する用途においては，パターンが，直交座標系ではなく，角度の系にて適用され，すなわち，例えば外周を巡って５ｍｍごとにではなく，球状の物体において外周の５度ごとに適用される。この方法で，物体の不規則性を補償することができる。しかしながら，当業者であれば，たとえ平坦でない表面，すなわち湾曲した表面であっても，較正及び／又は取得されたパターンの分析における適切な調節によって，パターンを直角座標系の様相で適用できることを理解すべきである。
【００３２】
パターンを，表面及び物体の種類に応じて，例えばレーザマーキング，彫刻，エッチング，ホブ切り，ナーリング，スクライビング，染色，並びに直接的に物体へと適用され，あるいは後に物体へと固定されるフィルム又は他の任意の適切な材料へと適用されるインクジェット技法等当業者に理解されるとおりの任意の適切な適用技法により適応することができる。例えば，射出成型によるスリーブに，スリーブの製造時にすでにパターングループを設けることができ，次いでスリーブを，対象の物体へと適用することができる。
【００３３】
パターングループ内の各点は，各点の適用先の材料において，様々な深さ及び深さの推移を有することができる。これは，様々なコントラストの構成をもたらすために好都合であると考えられる。例えば，深さ方向において狭くなる円錐を有する点は，カメラによって，平坦な底面を有する点よりも暗く視認されるであろう。また，パターンは，例えば材料から突き出す円錐として，物体から突出していてもよい。これは，例えば，検出装置と物体との間の距離を判定するために有用であろう。
【００３４】
パターンを，表面の種類に応じて，例えば実質的に平坦な表面又は湾曲した表面に適するように，好都合に配置することができる。本発明は，湾曲した表面に使用するために特に適している。
【００３５】
パターンは，物体のｘ及びｙ位置，並びに検出装置に対する物体の回転又は曲がりについての情報をもたらすことができる。２つの情報又はノード点の間（あるいは，ノードと情報部との間であってもよい）の距離，又はコード又はノード点のサイズを測定することによって，物体と検出装置との間の距離，すなわちｚ位置を判定することも可能である。
【００３６】
検出装置としての画像取得装置の場合には，パターンの種類並びに各点の相対位置及び充てんの程度を決定するためのアルゴリズムが使用される。
【００３７】
それぞれのパターングループが一意的であるため，パターン（したがって，パターンが取り付けられてなる物体）の絶対位置を判定することが可能である。対称に基づく分析は，高速である点及び演算集約的でない点に利点を有しており，低コストの情報システムにおいて使用することが可能である。カメラから得られるピクセル値が，例えばグレースケールデータを有しており，例えば０〜２５５の間の範囲の値を有する（あるいは，実際のノード及び／又は情報点がカラーデータを含む場合には，色で符号化されてもよい）。この分析は，ピクセルがマーキングを有するか否かを決定するための閾値の設定をシステムが含む。この閾値は，設定可能（ソフトウェア又はハードウェアのバイス）であり，周囲光又はマーキングが施された物体上の塵埃に応じて制御することができる。マークされた点によって完全に満たされているピクセルを，例えば４０と読み取ることができ，マーキングを全く含まないピクセルを，例えば１８０と読み取ることができる場合，一部がマーキングによって満たされたピクセルを，例えば１００である閾値未満の９０と読み取ることができ，したがってマークを含むと決定することができる。分析において，このような一部が満たされたピクセルを，位置の判定の精度を向上させるために使用することができる。分析が，フレームにおいて受信されたすべてのピクセルを走査し，フレーム内のノード点及び情報点を判定する。ノード点及び情報点は，既知ピクセルサイズを有するため，ピクセルの数が特定の数を下回り，あるいは上回る点を除くように構成することができる。例えば，ノード点がカメラフレームにおいて約１０ピクセルのサイズを有し，情報点が約６ピクセルのサイズである用途において，５未満又は１５超の点を除くことができる。本発明は，上記例示のグレースケールの値及びカメラ読み取りのサイズに限定されるわけではない。これは，用途及びシステムに求められる精度に大きく依存し，幅広い範囲で様々であってよい。例えば，グレースケールの情報システムにおいては，完全な黒色を，０又は数字の２５５によって表わすことができ，完全な白色を，２５５又は０によって表わすことができる。ノード点及び情報点のピクセルサイズは，例えばカメラの設定，用途，及びカメラとパターンとの間の距離に応じ，当業者によって理解されるとおりの任意の他の適切な値へと選択することができる。
【００３８】
図４は，本発明を使用するトルク測定装置４００を概略的に示している。物体の位置を取得するためのパターンを使用して，物体４０２のひずみを測定することが可能である。これは，物体４０２の２つの異なる位置を比較し，それらの間の相対位置を測定することによって行うことができる。それらの間にずれが存在するならば，ひずみの結果であると考えられる。これは，例えば，シャフト４０２にトルクが存在する場合に事実であり，すなわちトルクが，シャフト４０２において，シャフト４０２の長手方向の２つの異なる点の間に角度のずれを生じさせる。しかしながら，測定装置の精度は，２つの測定点の間の間隔に依存する。２つの点の間の距離が長いほど，角度のずれが大きくなり，したがって精度が向上する。図４においては，ただ１つの検出装置（例えば，画像取得装置）が，２つの別個のパターンを同時に測定するように使用され，角度の偏位を大きくするために，２つのスリーブ４０３及び４０４が角度のずれを増幅するような方法で使用されている。これは，それぞれのスリーブ４０３及び４０４の片側４０６及び４０５を，シャフト４０２へと固定することによって達成される。それぞれの固定点における角度のずれが，それぞれのスリーブ４０３，４０４へと伝えられ，結果として，それぞれのスリーブ４０３及び４０４のそれぞれの自由端４０８，４０９が，それぞれの固定端４０５，４０６と同じ角度のずれにて偏位する。スリーブ４０３，４０４のそれぞれの自由端４０８，４０９のパターン４，４’を，同じ検出装置４０１により測定することができる。この形式の情報システムは，複数の検出装置の間の較正（例えば，シャフト４０２が検出レートと同等以上の速度で回転している場合に問題となりうるタイミング特性）が不要であるという利点を有する。例えば，複数の画像取得装置の場合には，シャフト４０２の回転速度と比べたときの画像取得装置のフレームレートが，精度の上限を定めるであろう。しかしながら，高い検出レートの検出装置を使用する用途，又は物体４０２が検出レートを下回る速度で運動している用途では，複数の検出装置を使用することが可能であり，そのような場合には，スリーブ４０３，４０４は不要であり，パターンをシャフト４０２に直接配置することができる。さらに，このシステムは，シャフト４０２の並進運動の位置及び／又はシャフト４０２の曲がりについての情報をもたらすことができる。異なる角度位置（例えば，第１のカメラ４０１から９０度離れた位置）かつ同じ軸の長手方向の位置にカメラ（図示せず）を設けることによって，システムは，Ｘ，Ｙ，及びＺの位置検出装置として機能することができ，さらにトルク及び曲げについての情報をもたらすことができる。このシステムは，さらにシャフトの回転速度についての情報ももたらすことができる。
【００３９】
図５は，例えばトラックボールなどのコンピュータインターフェース装置，又は三次元物体の形状を測定及びデジタル化するための３Ｄデジタイザにてロボットアームの位置を追跡するためのロボットアームインターフェースにおいて使用するために，ボール又はボール状構造の一部について利用される本発明の実施形態を示している。この実施形態による測位システムは，本発明によるパターン５０４を有するボール５０１を備えている。パターン検出システム５０３が，演算ユニット（図示せず）及び検出システムに対するパターンの位置を検出する例えばカメラ５０２を有し，システムが演算ユニットを有するか否かに応じて，ボール５０１の画像又は絶対座標を，インターフェース（図示せず）を介して出力することができる。ボール及びパターンは，弾性材料を用いて製造することができるため，荷重支承部材として使用することが可能である。これについては，本明細書にさらに詳しく後述される。
【００４０】
図６は，本発明による測定装置を構成するための方法（ステップ６０１〜６０５）の概略ブロック図である。位置を知ることが望まれる物体へとパターンを適用する際に，パターンの較正を行うことが可能であり，これは，物体が回転可能な方法（物体が，少なくとも部分的に球又は円柱の形状を有する場合）で取り付けられる生成要素（manufacturing rig）にて行うことが可能である。生成要素に，該要素内で回転している際の物体の角度位置を判定するための角度エンコーダなど，基準位置決定装置を備えることができる。物体を，パターンが適用されるときに回転させることで，パターンが（すでに述べたように直交座標系に従うのではなく）角度の様相で適用されるように保証することができる。較正システムを，同じ要素に配置でき，あるいは少なくとも要素に接続して配置でき，物体が回転しているときに各点の値を読み出して，基準位置決定装置から角度の測定データを得ることができる。これによりノード点の位置の基準値を得ることができ，これに応じて較正データベースを生成することができ，較正データベースを，本発明を使用する装置において該当の物体の絶対位置の測定の精度をさらに高めるために使用することができる。同様の較正技法を，再較正のために，あるいはシステムを既存の用途へと適用するときに，現場でシステムへと適用することができ，例えばパターングループを備えるスリーブ又はフィルムを，すでに適当な用途に取り付け済みであるシャフトへと適用するような種類の状況において，システムを現場で較正することが重要であろう。
【００４１】
較正方法は，以下のステップ，すなわち
‐物体を較正要素に取り付けるステップ（６０１）；
‐物体上のパターンのパターン画像を取得するステップ（６０２）；
‐別個の位置検出器から絶対位置データを入手するステップ（６０３）；
‐取得したパターン画像を物体の絶対位置に関連付けるステップ（６０４）；及び
‐較正した物体についての較正データベースを提供するステップ（６０５）
を含むことができる。較正データベースは，較正データの単純なデータリスト，すなわち基準較正位置と取得したパターン画像内の点とのペアを含むことができ，あるいはパターン内の点を絶対位置に関連付けるアルゴリズムを含むことができる。
【００４２】
閾値及び照明状況の調節を，現在の光の状況を得るために，バックグラウンド領域（すなわち，いかなるピクセルも存在しない領域）を読み取ることによって利用することができる。次いで，マーク有り又はマークなしのピクセルの間の新たな閾値を設定することができ，さらに照明装置３２０，３３０，３４０，３５０からの明度を，これらの照明装置からの光の出力を制御することによって調節することができる。バックグラウンドの照明状況を決定する１つの方法は以下のようであってよい。すなわち，カメラのフレーム窓を１６のセクタへと分割することができ，上記例示のパターンにおいて，点が存在しない（あるいは，少なくとも一部分のみしか存在しない）４つのセクタを見つけることができ，そのような４つのセクタを，ノード点の間の線（情報点を含んでいない線）の上でそれぞれのノード点の間に位置する４つの仮想の点３１２〜３１５を見つけることによって，発見することができる。これら４つの仮想の点が位置しているセクタを，バックグラウンドの照明状況を決定するためのバックグラウンドセクタとして使用することができる。いくつかのそのような読み取りを，累積及び平均のアルゴリズムにおいて使用し，このバックグラウンドの照明状況の決定の精度を高めることができる。セクタ及びバックグラウンドセクタの数は，上述の数には限られず，そのようなセクタについて，別の数を使用することも可能である。
【００４３】
次に，図７を参照すると，トルク測定装置７１０についての本発明の実施形態が示されており，２つの系列４，４’のパターングループが，シャフト７０２に位置している。２つのカメラ７０３，７０５のそれぞれが，そのような系列４，４’の１つから読み取りを行い，画像情報又は位置データを，ケーブル７０１，７０２及びインターフェースユニット７０４，７０６を介して中央処理装置７３０へと中継する。２つの系列のパターングループが，シャフトの長手方向において離間しているため，シャフトへトルクが加えられたとき，トルクを受けた時に生じるシャフトの角度のねじれゆえに，２つの系列のパターングループが互いに対してわずかにずれる。このずれは，加えられたトルクに比例し，したがって，シャフトの角度のねじれを測定することによって，トルクを測定することが可能である。２つの系列のパターングループは，測定可能な角度のねじれをもたらすような距離ｄだけ，充分に離間していなければならない。充分に測定可能な角度のねじれを得るために必要な離間は，カメラの分解能，加えられるトルク及び測定の所望の分解能の範囲，シャフトの外径，並びにシャフトが筒である場合の内径の関数である。
【００４４】
上述のトルク測定装置７１０の別の変更態様においては，２つのカメラが，２つの位置からカメラへと画像を中継することによって，同時に両方のパターンを測定する１つのカメラへと削減される。これは，光ファイバー，鏡，又はプリズムを使用して画像を中継することによって行うことができる。
【００４５】
カメラは，物体の異なる温度を検出する赤外検出カメラであってよく，物体上のパターンを，異なる温度特性を有するように構成することができる。この形式の情報システムにおいて，適切な照明のコントラスト及び他のパラメータをもたらすために，赤外範囲の照明をもたらすことができる。
【００４６】
物体の絶対位置を判定するという本発明は，カメラ及び演算システムを低コストの装置で構成できるため，多数の用途において利用が可能である。例えば，トルクを非接触な方法で測定するトルクメーターなどからの用途は，駆動系のシャフト（燃焼プロセス又は各輪への出力を最適化するため）又はハンドル軸（パワーステアリングにおいて使用するため）のトルクを測定する車両における使用，自転車（例えば，エクササイズの目的に使用されるエアロバイク）における使用，あるいはトルクを測定することが重要である任意の種類の軸における使用にわたる。また，本発明を，対象の物体の位置に関係する他のパラメータの測定に使用することができ，そのようなパラメータとして，これらに限定されるわけではないが，力，回転速度，位置，及び曲がりを挙げることができる。本発明を，例えば，ＡＢＳ（自動ブレーキシステム）用のセンサ，スピン防止センサ，あるいはＣＮＣ（コンピュータ数値制御）工作機械において使用される工具を位置決めするためのＣＮＣ工作機械のセンサとしても使用することができる。
【００４７】
回転移動のみの物体上のパターングループを１つのカメラで測定する情報システムは，例えば角度エンコーダとして，物体の角度位置を判定するための正確かつ低コストでありながら，分解能が大幅に向上した情報システムを提供するであろう。一例として，物体が車輪状の物体，すなわち，パターンのための空間をもたらす充分な厚さを有するディスクである場合には，パターンを，車輪の外周又は車輪の側面に設けることができる。
【００４８】
本発明を，本発明のいくつかの異なる実施形態を組み合わせることによって，（物体の等比例を判定してデジタル化するための）関節アームにおいて使用することができる。関節アームは，多くの場合，いくつかのジョイントを有し，そのそれぞれに，アームを構成している各部の位置を判定するための位置センサが設けられている。そのようないくつかの角度ジョイントによって，関節アームを，物体の幾何学的寸法を測定し，それらを幾何学的寸法を演算システムへと入れるべくコンピュータ支援の設計システム（ＣＡＤ）へと提供するために使用することができる。本発明による関節アームは，ジョイントを３Ｄ及び１Ｄの検出装置の組み合わせと共に有することができ，例えば，第１の１Ｄセンサが，アームの基部に位置し，第２の１Ｄセンサが，アームの各部の間のそれぞれの１Ｄジョイントに位置し，プローブを保持した３Ｄ検出装置が，関節アームの精査の対象のテスト物体の位置を判定するために使用される。関節アームの一部を構成している検出装置の数及び種類は，同じ機能を達成する我々の構成において様々であってよい。第１の１Ｄ検出装置が，関節アームが配置されてなる表面に対するアーム全体の回転位置を追跡し，アームの各部の間のそれぞれのジョイントに位置する第２の後続の１Ｄ検出装置が，それぞれ回転位置を追跡し，３Ｄ検出装置が，アームに対するプローブの位置を追跡する。それぞれの検出装置からの測定を考慮して，テスト物体に対するプローブの位置を判定することができ，テスト物体の幾何学的構成をデジタル化することができる。
【００４９】
また，本発明を，例えば三角測量の用途において使用するための水平及び垂直の両方の角度を測定するための計器である経緯儀において使用することも可能である。経緯儀は，２つの直交軸，すなわち水平軸及び垂直軸において運動できるような方法で取り付けられた望遠鏡を備えている。経緯儀は，多くの場合，精密に測定対象点の垂直上方に配置された三脚に取り付けられ，垂直軸が局所重力に整列させられる。本発明を，環境，例えば，経緯儀の中心が上方に位置している地点に対する経緯儀の絶対位置データを取得するために使用することができる。検出システムを，三脚のベース板と望遠鏡との間の中間ジョイントとして配置することができる。しかしながら，そのような装置を形成するために，例えば装置を重力に対する適切な位置及び／又は地面に対する平面へと機械的に較正するための機械式の調節ノブ，位置データを読み取るためのユーザ用の読み取りディスプレイ，そのようなデータを外部の装置（例えば，ラップトップコンピュータ）へと通信するための通信インターフェース，電源（例えば，外部電源又は内蔵電池）など，他の部品及び筐体を設けてもよいことを，当業者であれば理解すべきである。経緯儀の全体の構成及び機能は，当業者に一般的に知られており，本明細書においては説明しない。
【００５０】
本発明の１つの利点は，パターンを，本発明を適用できる様々な用途の構成において，荷重支承部材に設けることができる点にある。例えば，トルクセンサの場合には，パターンがシャフトに設けられ，シャフトは，該シャフトが位置する全体としての用途の一部である。関節アーム装置においては，パターンが，荷重を受けるジョイントを形成している部材に設けられる。ベアリングの用途においては，パターンを，ボールベアリング又は円柱ベアリングを形成しているボール又は円柱などの荷重支承部材に設けることができる。この利点は，パターンを物体そのものの材料の一部（凹部又はマークなど）として設けることができ，あるいは物体へと取り付けられる機械的な摩耗に耐えうる材料に設けることができるという事実から由来する。
【００５１】
一般に，本発明は，絶対位置データの高速かつ高精度な測定を提供できるという利点も有するが，速度の上限は，パターン取得レートへと制限され，例えば，パターンの画像をもたらす画像取得システムの場合には，この画像取得のフレームレートがレートの上限を決定するであろう。本発明は，多くの用途において，より高価かつ複雑な情報システムを備える同様の用途において見られる通常の精度の１０倍を超えることができる精度を提供する。
【００５２】
用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（有する，備える，含む）」が，挙げられている構成要素又はステップ以外の他の構成要素又はステップの存在を排除するものではないこと，及び或る構成要素の前に不定冠詞（「ａ」又は「ａｎ」）が存在しても，そのような構成要素が複数存在することを否定するものではないことに，注意すべきである。さらに，いかなる参照符号も，特許請求の範囲の技術的範囲を制限するものではないこと，本発明の少なくとも一部が，ハードウェア及びソフトウェアの両方の手段によって実現可能であること，並びにいくつかの「手段」，「ユニット」，又は「装置」を，同じハードウェア品によって実施できることに，注意すべきである。
【００５３】
上述して説明した実施形態は，あくまで例として提示されたものであって，本発明を限定するものではない。後述される特許請求の範囲に記載される本発明の技術的範囲において，他の情報システム，使用，目的，及び機能も，当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１ａ】本発明の実施形態へと適用された測位装置の断面図を示す。
【図１ｂ】図１ａからの実施形態の側面図を示す。
【図２】本発明による処理装置を概略的に示す。
【図３】本発明による測位用パターンの詳細図を示す。
【図４】本発明の用途を示す。
【図５】本発明の他の用途を示す。
【図６】本発明による方法をブロック図で概略的に示す。
【図７】本発明の別の実施形態を示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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