JP2002031502A

JP2002031502A - ３次元計測装置

Info

Publication number: JP2002031502A
Application number: JP2000215504A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kitahara; 隆北原; Masaki Hayatsu; 昌樹早津; Shizuo Imaoka; 静男今岡; Yoshio Maekawa; 祥生前川
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2002-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】広範囲の計測を行うことが可能で、測定範囲
内で測定精度を一定に保持することができ、簡易に計測
対象の計測を行うことができる３次元計測器を提供す
る。【解決手段】少なくとも３本のワイヤ２４を出し入れ
可能に保持して、当該３本のワイヤ２４の出入口３２を
３角形の頂点を形成するように配置した保持ユニット２
２と、当該保持ユニット２２から引き出した前記ワイヤ
２４のそれぞれの長さを測定する測定手段と、計測点１
０に集結させる前記それぞれのワイヤ２４の長さから計
測点１０の座標位置を演算する演算手段と、を有した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元計測装置に
係り、特に計測対象の表面をワイヤなどの細線部材にて
計測する３次元計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の３次元計測装置として、光学式計
測装置やアーム式計測装置などがある。光学式計測装置
はトランシットと光波距離計を併せ持った３次元計測器
である。光学式計測装置は角度センサを有しており、当
該角度センサにより装置と計測点の相対角度を求める。
さらに計測点に光の反射板を設置して、当該反射板から
の反射光により光波距離計との距離を求める。これによ
り、計測点の３次元座標を得ることができる。光学式計
測装置は光波を用いるため、光波距離計と計測点とは物
理的に接触しない。このため、数十ｍといった広範囲で
計測をすることができるという利点がある。このような
光学式計測装置としては、例えば特開平６−１８６０３
６号公報に開示されたものがある。

【０００３】アーム式計測装置は複数のアームを有し、
これらのアームを関節で回動可能に連結している。アー
ムの先端部を計測点に接触させて、接触時のアーム長さ
と関節角度とを演算することにより、計測点の座標値を
得ることができる。アーム式計測装置は、アームの関節
数を増やすほど自由度が増し、複雑な曲面の計測を行う
ことができるという利点がある。このようなアーム式計
測装置としては、例えば特開平１０−１６０４０２号公
報に開示されたものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の３次元
計測装置においては、以下のような問題があった。光学
式計測装置の場合には、計測する際に計測点に反射板を
配置したり、計測点に向けて光の照準を調整するといっ
た作業が必要となる。このため、一点の計測に要する時
間が長くなってしまう。従って、計測点の数が多い場合
には、多大な時間を必要とするため、適用しにくいとい
う問題がある。

【０００５】アーム式計測装置の場合には、数ｍといっ
た広範囲の計測に使用する際に、長いアームを使用する
とその長さの分だけアームを正確にコントロールするこ
とが困難となる。このため、計測点付近での微調整が困
難となり、測定精度が低下するという問題がある。ま
た、測定精度を保持するためにアームの長さを変えずに
アーム数を増やした場合には、アームを連結する関節の
数だけ、座表計算の作業が面倒となる。このため演算手
段に高い処理能力が求められ、コストが増大してしまう
という問題がある。

【０００６】本発明の一の目的は、従来技術の問題点を
解決するためになされたものであり、広範囲の計測を行
うことが可能で、測定範囲内で測定精度を一定に保持す
ることができ、簡易に計測対象の計測を行うことができ
る３次元計測器を提供することにある。

【０００７】また、本発明の他の目的は、全方位的に計
測を行うことができる３次元計測器を提供することにあ
る。

【０００８】また、本発明の他の目的は、計測した複数
の計測点間の距離を演算することができる３次元計測器
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における３次元計測器においては、線状部材
を出し入れ可能な複数の出入口を多角形状に配置した保
持ユニットと、当該複数の出入口から引き出した各線状
部材の長さを測定する測定手段と、計測点に集結させた
前記各線状部材の長さから計測点の座標位置を演算する
演算手段と、を有した構成とした。このようにしたた
め、保持ユニットに保持した複数の出入口から各線状部
材を引き出して、計測対象の計測点に角錐形状となるよ
う集結させる。集結した各線状部材の長さを前記測定手
段により測定する。前記各線状部材の長さと、各出入口
から計測点までの距離とは等しい。このため少なくとも
３つの連立方程式を立てることができ、この連立方程式
から計測点の座標位置を演算手段により演算する。この
ようにしたため、線状部材を計測点に集結させるという
非常に簡便な操作のみで座標位置の演算作業を行うこと
ができる。また、計測点の座標位置の演算作業は、出入
口に設定した座標位置と、計測した線状部材の引出し長
さとを前記連立方程式の解に代入するだけで足りるた
め、短時間に演算作業を行うことができる。また、測定
距離が大きくなった場合でも、線状部材の出し入れが出
来る範囲で測定精度を高く保持することができる。線状
部材としては、ワイヤが好ましいが、用途に応じて他の
部材を用いることができる。また、前記線状部材は少な
くとも３本必要であるが、この数に限定されるものでは
なく、３本以上用いてもよい。

【００１０】上記構成においては、前記保持ユニットに
回動機構を設けるとともに、当該回動機構に保持ユニッ
トの回動変位を検出する角度センサを設けて、当該角度
センサにて検出した回動変位から前記演算手段にて回動
前の座標位置と回動後の座標位置とを相互変換可能とし
た構成とすることができる。このようにしたため、前記
保持ユニットを回動させて回動後の計測点の位置座標を
求めることができる。さらに、回動後の座標系と回動前
の座標系とは一意的な関係にあるため、演算手段により
相互変換することができる。このため、一つの座標系を
基準として、全方位的に測定を行うことができる。この
とき、線状部材の出入口の一つを固定して回動させるこ
とが望ましい。

【００１１】上記構成においては、前記演算手段は、複
数の計測点の座標位置から当該複数の計測点間の距離を
算出可能とした構成とすることができる。このようにし
たため、計測点間の距離を簡易に求めることができ、計
測対象を立体的に把握することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本実施形態における３次元計測装
置について図面を用いて詳細に説明する。図１は本実施
形態の３次元計測装置の斜視図である。本実施形態にお
いては、保持ユニット２２に設けた３本のワイヤ２４
（２４ａ、２４ｂ、２６ｃ）を用いて計測対象１の計測
点１０を計測する場合について説明する。

【００１３】３次元計測装置２０は保持ユニット２２を
有している。前記保持ユニット２２は、平板形状のベー
ス２６と、ワイヤエンコーダ２８（２８ａ、２８ｂ、２
８ｃ）とを一体的に備えている。それぞれのワイヤエン
コーダ２８のケーシング３０には各ワイヤ２４（２４
ａ、２４ｂ、２４ｃ）の出入口３２（３２ａ、３２ｂ、
３２ｃ）を有しており、当該出入口３２から各ワイヤ２
４を外部に引き出すことができる。ベース２６の中央部
に設けたケーシング３０ａの出入口３２ａの高さは、ケ
ーシング３０ａの両側に設けたケーシング３０ｂ、３０
ｃの出入口３２ｂ、３２ｃの高さよりも低くしている。
このため、それぞれの出入口３２ａ、３２ｂ、３２ｃが
３角形の頂点をなす位置関係とすることができる。そし
て、出入口３２ａ、３２ｂ、３２ｃの先端部は、上面視
で同一直線上に位置するように形成している。このた
め、それぞれの出入口３２がベース２６面に対して垂直
な同一平面上にくるような位置関係となる。

【００１４】前記ケーシング３０ａ、３０ｂ、３０ｃ内
は以下のようになっている。図２は本実施形態における
ケーシング３０内の斜視図である。ワイヤ２４は大径の
ワイヤ巻付けプーリ３４に巻き付けて保持されている。
ワイヤ２４はワイヤ巻付けプーリ３４に一定ピッチで一
様に巻き付けている。これにより、ワイヤ巻付けプーリ
３４が一回転して引き出されるワイヤ２４の長さが一定
となるようにしている。このワイヤ２４は、ワイヤ巻付
けプーリ３４から前記出入口３２を介してケーシング３
０外部に引き出されるのである。出入口３２にはドライ
なラジアルベアリングを介在させており、ワイヤ２４を
引き出す際の摺動による摩耗を防止している。

【００１５】前記ワイヤ巻付けプーリ３４の上面には小
径のバネ巻取りプーリ３６が同軸に設けられている。前
記バネ巻取りプーリ３６と平行位置には、バネ戻しプー
リ４０が設けられている。このバネ戻しプーリ４０には
板バネ３８が巻付け保持されており、当該板バネ３８の
先端部がバネ巻取りプーリ３６に接続してある。このた
め、ワイヤ２４の引出しに伴いワイヤ巻付けプーリ３４
が回転すると、バネ巻取りプーリ３６が一体的に回転し
つつ前記板バネ３８を巻き取る。これにより、バネ戻し
プーリ４０は前記板バネ３８の巻き取りに伴い回転す
る。これにより、バネ巻取りプーリ３６を介してワイヤ
巻付けプーリ３４に付勢力を与えることができる。従っ
て、ワイヤ２４の引っ張り力を解除すると、前記付勢力
によりワイヤ２４を再びワイヤ巻付けプーリ３４に巻き
付けることができる。

【００１６】ワイヤ巻取りプーリ３４は、下面中心部に
一体的に設けた回転軸４２に回転角度センサ４４を備え
ている。この回転角度センサ４４は、ワイヤ巻付けプー
リ３４の回転変位を検知することができる。ワイヤ巻付
けプーリ３４の直径は既知であるため、前記検知した回
転変位から引き出されたワイヤ３４の長さをワイヤエン
コーダ２８にて求めることができる。

【００１７】このように形成した保持ユニット２２の下
面中央部には、ユニット回動軸４６が設けられている。
前記ユニット回動軸４６は、円筒形状の連結部材４８に
下端部を回動可能に内挿されている。このため、保持ユ
ニット２２はユニット回動軸４６と一体的に連結部材４
８に対して回動することができる。連結部材４８はユニ
ット回動角度センサ５０を備えており、当該ユニット角
度センサ５０により保持ユニット２２の角度変位を検知
している。このため、保持ユニット２２の位置を回動の
前後で対応づけることができる。本実施形態において
は、前記ワイヤ２４ａの出入口３２ａの先端が、保持ユ
ニット２２の回動中心と一致するように形成している。
このため、保持ユニット２２の回動前後で出入口３２ａ
の先端位置を不変とすることができる。

【００１８】前記連結部材４８の下端部は、三脚５２の
連結部５２ａに嵌め込み結合されている。三脚５２の脚
部５２ｂはテレスコピックに形成してあり、長さを調整
できるようにしている。このため、三脚５２上部に保持
した保持ユニット２２の高さ調整を、保持ユニット２２
の回動軸の水平位置を変えずに行うことができる。

【００１９】本実施形態の３次元計測装置２０は、演算
手段であるコンピュータ５４を備えている。前記コンピ
ュータ５４は、ワイヤエンコーダ２８や角度センサ５０
と接続しており、ワイヤ２４の引出し長さや保持ユニッ
ト２２の角度変位から計測点１０の座表計算を行うので
ある。本実施形態においては、ワイヤ２４ａの出入口３
２ａが原点となり、出入口３２ａの前方が正方向として
座標設定をするようにコンピュータ５４を制御してい
る。

【００２０】以上のように構成した３次元計測装置の作
用は以下のようになる。計測対象１の計測点１０にワイ
ヤ２４の出入口３２が向くように、保持ユニット２２を
回動させる。このとき、保持ユニット２２上に水準器を
置いて、保持ユニット２２の水平度を調整する。そし
て、３本のワイヤ２４をそれぞれの出入口３２から計測
点１０まで引き出す。このとき、３本のワイヤ２４は、
計測点１０にて３角錐形状に集結させている。そして、
ワイヤエンコーダ２８によりそれぞれのワイヤ２４の引
出し長さＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃を計測する。そして、計測した
ワイヤ２４の引出し長さＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃と保持ユニット
の回動変位から、計測点の座標位置をコンピュータ５４
により演算する。

【００２１】図３は本実施形態における計測点の座標計
算を求める説明図である。各ワイヤ出入口３２ａ、３２
ｂ、３２ｃの座標位置をそれぞれａ、ｂ、ｃとする。本
実施形態においては、ワイヤ出入口３２ａの位置を原点
とする。上記したように、出入口３２がベース２６面に
対して垂直な同一平面上にくるような位置関係としてい
るため、各点の座標値をａ＝（０、０、０）、ｂ＝（ｂ
_x、０、ｂ_z）、ｃ＝（ｃ_x、０、ｃ_z）となるようにおく
ことができる。それぞれのワイヤ出入口３２の座標ａ、
ｂ、ｃから計測点１０の座標ｐ＝（ｘ₀、y₀、z₀）まで
の距離は、それぞれのワイヤ２４の長さＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃
に等しい。従って、以下の方程式を得ることができる。

【数１】

【数２】

【数３】これら関係式（１）〜（３）の３つの連立方程式を解く
ことにより、３点ａ、ｂ、ｃによって定義される座標系
上から見た計測点１０の３次元座標値ｐを以下のように
得ることができる。

【００２２】

【数４】

【数５】

【数６】このように、設定したａ、ｂ、ｃの座標値と、計測した
それぞれのワイヤ２４の引出し長さＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃とを
関係式（４）〜（６）に代入することで、計測点１０の
３次元座標ｐを得ることができる。本実施形態において
は、ｙ座標軸は出入口３２の前方側を正になるようにと
っているため、関係式（６）に示した計測点１０のｙ座
標は正の値となる。

【００２３】このようにしたため、ワイヤ２４を計測点
１０に集結させるという非常に簡便な操作のみで計測点
１０の座標位置ｐの演算作業を行うことができる。ま
た、演算作業は、設定した３つの座標位置と、計測した
ワイヤ２４の引出し長さとを代入するだけで足りるた
め、短時間に演算作業を行うことができる。また、測定
距離が大きくなった場合でも、ワイヤ２４の出し入れが
出来る範囲で測定精度を高く保持することができる。

【００２４】また、保持ユニット２２は、ユニット回動
軸４６により回動することができる。上記したように、
ワイヤ出入口３２ａを原点として、高さ方向の回動軸を
ｚ軸としている。このため、回動変位をθとすると、回
動後の座標系ｘ'ｙ'ｚ'は回動前の座標系ｘｙｚに対し
てｚ軸を中心に角度θで回転したことに対応する。従っ
て、回動前の座標系から回動後の座標系に以下のように
対応づけることができる。

【００２５】

【数７】このように、関係式（７）により回動前の座標系から回
動後の座標系に対応づけることができる。また、点ｐの
回動後の座標系における座標値ｐ'＝（ｘ₀'、ｙ₀'、
ｚ₀'）についても、関係式（７）を用いて対応づけるこ
とができる。そして、関係式（７）の両辺に逆行列をか
けることにより、回動後の座標系から回動前の座標系に
対応づけることができる。コンピュータ５４は関係式
（７）の処理を行う変換部を内部に有しており、統一し
た一つの座標系（例えばｘｙｚ座標系）で全方位的に計
測作業を行うことができる。

【００２６】図４は測定対象間の距離の計測方法を示す
説明図である。図５は計測対象における計測点の座標位
置を示す説明図である。まず、計測対象２の計測点１１
の座標位置ｑ＝（ｘ₁、ｙ₁、ｚ₁）を上記したように求
める。そして、計測対象３の計測点１２の座標位置ｒ＝
（ｘ₂、ｙ₂、ｚ₂）を同様にして求める。この計測点１
２の座標位置ｒを求める際に保持ユニット２２を回動さ
せた場合には、関係式（７）を用いて座標位置ｑを計測
した座標系と同じ座標系に変換しておく。これにより、
以下のような式を立てることができる。

【００２７】

【数８】この関係式（８）から距離Ｒを求めることができる。本
実施形態のコンピュータ５４は内部に算出部を有してお
り、この算出部にて距離Ｒを算出させている。また、計
測対象２の計測点１３の座標位置ｓ＝（ｘ₃、ｙ₃、
ｚ₃）を計測点１１近傍から連続的に測定することで、
計測対象１２の形状を測定していくこともできる。

【００２８】この３次元計測装置２０は、集結したワイ
ヤ先端に適した治具等を取付けることにより、建設現場
での配管、機器等の据付作業に用いる専用計測器や、工
業デザイン用のデジタイザなど、様々な分野に応用して
用いることができる。

【００２９】なお、実施形態においては、出入口の一つ
を原点として演算を行ったが、ワイヤ２４の引出し長さ
から計測点の座標を求めることができれば、座標系のと
りかたや原点のとりかたは他のものでもよい。また、実
施形態においては、保持ユニットは高さ方向を軸として
回動するようにしたが、これに限らず例えば上下方向、
斜め方向に回動できるように形成してもよい。また、ワ
イヤではなく他の線状部材を用いてもよい。また、ワイ
ヤは少なくとも３本必要であるが、３本以上のワイヤを
用いてもよい。その他の部材に対しても、上記した実施
形態のみに限定されないことはもちろんである。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、線状部材を計測点に集結させるという非常に簡便な
操作のみで座標位置の演算作業を行うことができる。ま
た、演算作業は設定した３つの座標位置と、計測した線
状部材の引出し長さとを連立方程式の解に代入するだけ
で足りるため、短時間に演算作業を行うことができる。
また、測定距離が大きくなった場合でも、線状部材の出
し入れが出来る範囲で測定精度を高く保持することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態における３次元計測装置の斜視図であ
る。

【図２】実施形態におけるワイヤエンコーダの斜視図で
ある。

【図３】実施形態における計測点の座標計算を求める説
明図である。

【図４】実施形態における測定対象間の距離の計測方法
を示す説明図である。

【図５】実施形態における計測点の座標位置を示す説明
図である。

【符号の説明】

１………計測対象、２………計測対象、３………計測対
象、１０………計測点、１１………計測点、１２………
計測点、１３………計測点、２０………３次元計測装
置、２２………保持ユニット、２４………ワイヤ、２６
………ベース、２８………ワイヤエンコーダ、３０……
…ケーシング、３２………出入口、３４………ワイヤ巻
付けプーリ、３６………バネ巻取りプーリ、３８………
板バネ、４０………バネ戻しプーリ、４２………回転
軸、４４………回転角度センサ、４６………ユニット回
動軸、４８………連結部材、５０………ユニット角度セ
ンサ、５２………三脚、５４………コンピュータ、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者前川祥生東京都千代田区内神田１丁目１番14号日立プラント建設株式会社内Ｆターム(参考） 2F062 AA04 CC27 EE01 EE52 GG02 GG04 GG38 JJ01 MM03 MM07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】線状部材を出し入れ可能な複数の出入口
を多角形状に配置した保持ユニットと、当該複数の出入口から引き出した各線状部材の長さを測
定する測定手段と、計測点に集結させた前記各線状部材の長さから計測点の
座標位置を演算する演算手段と、を有したことを特徴と
する３次元計測装置。
【請求項２】前記保持ユニットに回動機構を設けると
ともに、当該回動機構に保持ユニットの回動変位を検出
する角度センサを設けて、当該角度センサにて検出した
回動変位から前記演算手段にて回動前の座標位置と回動
後の座標位置とを相互変換可能としたことを特徴とする
請求項１に記載の３次元計測装置。
【請求項３】前記演算手段は、複数の計測点の座標位
置から当該複数の計測点間の距離を算出可能としたこと
を特徴とする請求項１または２に記載の３次元計測装
置。