JP2007051910A - レーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法および位置決め方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業空間内に微粒子を浮遊させることなく、通常では目視できない空間内のレーザー光の光路を簡単に直接視認することを可能にし、それにより空間の三次元座標または墨出し位置を容易に得ることができ、または計測対象となる物体の位置決めが容易となる。
【解決手段】内部に光を散乱または発色させる物質を封入した光路可視化モジュール１を配置し、この光路可視化モジュール１内で２方向から照射したレーザー光３の光路の交点６を形成させてこれを基準点８とし、先端９ａが測定座標点または墨出し位置とするアーム９を該基準点に対して配置してその先端９ａを３次元的に特定することで空間の三次元座標または墨出し位置を計測する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法および位置決め方法に関するものである。

従来、墨出しは一般的には、測量機を用いて床や壁などに人力でけがく方法が用いられていたが、この方法は測量機を操作する者とその指示に従って床面などに墨をけがく者との、最少２人の作業員を必要とする作業であった。

ところで、近年、レーザー光を利用した測量機が開発され、この測量機を使用すれば測量機の操作とけがきとが一人の作業員で行えるようになった。その方法は、例えば、赤色のレーザー光を用いた測量機では、測量対象物の面に赤いレーザー光を照射すれば、赤いレーザースポットが映し出されるから、作業員はこの赤いレーザースポットを視認することで墨出しできる。

すなわち、レーザー測量機で一般的に知られている回転式レーザーレベルは、レーザー光を水平方向に回転照射することにより、空間内に水平面を形成することができることを利用したもので、壁に照射されたレーザースポットは回転速度が速くなると水平線が光の残像として残されることから、この水平に残った光の残像を墨出し線として視認するものである。

また、レーザー測量機を回転させなくても、蒲鉾型のシリンドリカルレンズ［（円筒面レンズ）：入射光に対し、レンズの幅方向（曲率方向）に変化を与え、長さ方向には変化を与えずに線状のビームを形成するレンズ］にレーザー光を通すことで、スポート光を扇型に広げ、壁に照射した状態で光の墨出し線を得ることができる。

そして、トータルステーションと呼ばれる測量機は従来からあるトランシットと光波距離計を組み合わせてターゲットとなる対象物までの距離と方向から三次元座標を計測することができるものであり、これを応用してターゲットプリズムを自動追尾できるトータルステーションから三次元座標を得ることによりターゲットプリズムを空間内の任意の座標に位置付けることも可能である。

前記従来技術は、当業者間で一般的に行われているものであり、文献公知発明にかかるものではない。

従来の測量や墨出し方法でレーザー光を利用して三次元座標を得ることのできるものもあるが、レーザー光は空間内ではその光を横から光の線として視認することは不可能であり、何かの物体に照射して初めてその存在がスポット光として認識できるものであるため、レーザー光を視認できるのは床や壁等の対象物に照射した場合に限定され、空間中に浮かぶ任意の座標点をレーザー光として視認することはできなかった。

しかし、空間内に例えば埃、霧などの微粒子が浮遊している状態では、レーザー光が光路上で微粒子に当たることで次々に散乱し、これによりレーザー光路が空間内に光の線として認識できるが、このような微粒子を作業空間内に浮遊させることは実用的ではない。

通常見えないレーザー光の光路を視認可能にする方法として考えられる最も手軽で効果的な方法は、専用メガネである。しかしながら現時点では空間上のレーザー光をワイヤーフレーム画像のように自由な角度から見る方法は現実には存在しない。この方法に代わる手軽な方法としてレーザー光検出センサーを利用してバーチャルに表示する方法もあり、これはレーザー光を直接視認できる方法ではない。

本発明は前記従来例の不都合を解消し、作業空間内に微粒子を浮遊させることなく、通常では目視できない空間内のレーザー光の光路を簡単に直接視認することを可能にし、それにより空間の三次元座標または墨出し位置を容易に得ることのでき、または計測対象となる物体の位置決めが容易となるレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法および位置決め方法を提供することにある。

請求項１記載の本発明は、内部に光を散乱または発色させる物質を封入した光路可視化モジュールを配置し、この光路可視化モジュール内で２方向から照射したレーザー光の光路の交点を形成させてこれを基準点とし、先端が測定座標点または墨出し位置とするアームを該基準点に対して配置してその先端を三次元的に特定することで空間の三次元座標または墨出し位置を計測することを要旨とするものである。

請求項１記載の本発明によれば、光路可視化モジュールを存在させることにより、レーザー光を横から光の線として視認することが可能となり、光路可視化モジュール内に２方向から照射したレーザー光の光路の交点を形成することができる。この交点を視認でき、空間内の三次元座標とが判明する。そして、これに加えて、光路可視化モジュール内のこの光路の交点を基準点とし、先端が測定座標点または墨出し位置とするアームを該基準点に対して配置することで、その先端を三次元的に特定することで空間内に存在する任意の三次元座標または墨出し位置を計測することが可能となる。すなわち、空間上にけがくことができる。

請求項２記載の本発明は、アームは光路可視化モジュールハウジングに対して固定した伸縮自在なポールであることを要旨とするものである。

請求項２記載の本発明によれば、アームは光路可視化モジュールハウジングに対して固定した伸縮自在なポールとすることで、光路可視化モジュール内の光路の交点を基準点として、その点に対する相対座標からポールの先端を三次元的に特定することがより容易なものとなる。

請求項３記載の本発明は、伸縮自在なポールには３軸角度傾斜計を取り付けておくことを要旨とするものである。

請求項３記載の本発明によれば、３軸角度傾斜計を取り付けておくことにより先端の方向を三次元的に特定することが可能になる。

請求項４記載の本発明は、アームは、三次元デジタイザなどで使用する多間接アームであることを要旨とするものである。

請求項４記載の本発明によれば、三次元デジタイザなどで使用する多間接アームとすることで、極座標系のシリアルリンク機構（例えば溶接ロボット）を応用したもので、自由度と冗長性を持たせたものが利用できる。

請求項５記載の本発明は、光路可視化モジュールはジンバル機構で任意の方向に回転自在に保持され、レーザー光の光路の交点はその中心点とすることを要旨とするものである。

請求項５記載の本発明によれば、ジンバル機構により光路可視化モジュールの球心位置である中心点は固定された状態を保持され、よって、この中心点を基本座標とすると、ここから容易かつ確実に任意の三次元座標を得ることができ、または、この位置に墨出しできる。

請求項６記載の本発明は、内部に光を散乱または発色させる物質を封入した光路可視化モジュールを計測対象となる物体に取り付け、この光路可視化モジュールに２方向から照射したレーザー光の光路の交点を形成させることを要旨とするものである。

請求項６記載の本発明によれば、計測対象となる物体として例えば位置決めすべき建材に光路可視化モジュールを取り付けることで、この建材を建て込む場合などに容易に空間内での位置決めができる。

請求項７記載の本発明は、光路可視化モジュールには、格子状にグリッド目盛りを予めけがいておくことを要旨とするものである。

請求項７記載の本発明によれば、目盛りにレーザー光３の光路を一致させることで座標値を容易に判断できる。

以上述べたように本発明のレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法および位置決め方法は、作業空間内に微粒子を浮遊させることなく、通常では目視できない空間内のレーザー光の光路を視認可能にしたから、複数人が種々の角度から同時に視認できて信頼性があり、この方法を利用することで、空間上の三次元座標を容易に得ることができ、空間内での建材の建て込み位置や、空間内での三次元位置の測量や墨出しが容易に行えるものである。

以下、図面について本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明のレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法の第１実施形態を示す説明図で、本発明は光路可視化モジュール１を作製し、これを使用するものである。

光路可視化モジュール１は空間２内に配置し、レーザー光３は通常は伝播する空間内の光路を光の線として横から視認することは不可能であるが、空間内に埃や霧などの微粒子が浮遊している状態では、光路上の微粒子に当たった光が散乱または発色することによりレーザー光路が空間上の光の線として認識できることを利用するものである。

そして、前記光路可視化モジュール１は、内部に光を散乱または発色させる物質４として、例えば、細かいアルミニウムの粉末などの微粒子、卵の白身のようなコロイド状態の半透明の物質などを封入する。これにより、モジュール内に霧のような微粒子環境を人工的に作る。

この場合、より顕著な視認性を得るには特定の波長のレーザー光３に反応する蛍光物質にするとよいが、かかる蛍光物質をモジュール内に浮遊させるには、例えば液状の透明媒体に均一に混ぜて固化すれば浮遊状態で固定できる。なお、光の屈折率が空気中と変わらない媒体とする必要がある。

かかる光路可視化モジュール１を空間での三次元座標計測または墨出し方法の基本ツールとして使用する場合、この光路可視化モジュール１内に対して２方向から照射したレーザー光３の光路の交点６を形成させてこれを基準点８とし、先端９ａが測定座標点または墨出し位置とするアーム９を該基準点８に対して配置する。この場合基準点８は固定したものとする。

アーム９は有体物で先端９ａまで連続するものであり、固定した基準点８に対して先端９ａまでの距離と３軸角度が把握できれば、どのようなものでも特に限定はないが、アーム９は、三次元デジタイザなどで使用する多間接アームであるとして、極座標系のシリアルリンク機構（例えば溶接ロボット）を応用したもので、三次元デジタイザなどの自由度と冗長性を持たせた多関節型のものを利用するのも可能である。

図示の例では、アーム９は伸縮自在なポールであるとし、その根元端を光路可視化モジュール１のハウジング１ａに対して固定したものとする。また、アーム９には３軸角度の傾斜計１０を取り付けておく。

この光路可視化モジュール１を使用して三次元座標または墨出し位置を算出するには、例えばＸ軸・Ｙ軸の２方向から照射したレーザー光３，３の光路の交点６を基準点８とし、これにより三次元の基準墨（Ｘ・Ｙ・Ｚ座標）座標を決定し、さらにアーム９を伸縮させるとともに３軸角度を検出して、アーム９の長さと傾斜角度からアーム９の先端９ａの三次元座標を相対的に得ることができるから、結果としてアーム９の先端９ａの三次元座標値が算出される。

そして、算出される三次元座標値を所定の値に合致させれば、所定の三次元墨出位置を得ることができる。

前記実施形態ではアーム９は光路可視化モジュール１のハウジング１ａに対して固定したものとしたが、これではアーム９の傾斜を変更した場合にハウジング１ａも移動してしまう。そこで、接合を軸着として角度を把握することも考えられる。

また、図２、図３は第２実施形態を示し、第１実施形態と同様にして、三次元の基準墨座標を確認し、この座標から相対的に求める任意の三次元座標を得る場合であるが、ジンバル機構を利用する。

光路可視化モジュール１を球体で形成し、この光路可視化モジュール１をジンバル機構１１で任意の方向に回転自在に保持して、球体の中心点１２である三次元座標位置を固定した。

この光路可視化モジュール１の下部から第１実施形態と同様の伸縮自在なポールによるアーム９を突出し、アーム９には３軸角度の傾斜計１０を取り付けておく。

図中１３は光路可視化モジュール１の固定用の三脚を示す。

この光路可視化モジュール１を使用して三次元座標を算出するには、Ｘ軸・Ｙ軸の２方向から照射したレーザー光３，３の光路の交点６を基準点８として中心点１２に一致させ、この状態で光路可視化モジュール１をジンバル機構１１を介して三脚１３により固定する。

この中心点１２の座標値から三次元の基準墨（Ｘ・Ｙ・Ｚ座標）座標が算出される。この状態においてアーム９を自在に伸縮または／及び回転して動かしても、ジンバル機構１１により光路可視化モジュール１の球心位置である中心点１２は固定された状態を保持する。

よって、この中心点１２を三次元的な基本座標とすると、アーム９を伸縮させて長さを変化させるとともに角度調整して、中心点１２からアーム９の先端９ａまでの長さと傾斜計１０で計測されたアーム９の傾斜角度から得られるアーム９の先端位置座標は自由な三次元座標であり、これにより基本座標を基準にしてここから任意の三次元座標を得ることができ、この位置に墨出しできる。

他の実施形態として、かかる光路可視化モジュール１を空間墨出しの基本ツールとして使用する場合を説明する。図４は光路可視化モジュール１を位置決めすべき建材５の位置決め手段とする場合で、建材５に光路可視化モジュール１を磁力などの手段で直接固定し、光路可視化モジュール１内に２方向から照射したレーザー光３，３の光路の交点６を形成して、これを基準点８としてここから容易かつ確実に任意の三次元座標を得ることができ、または、この位置に墨出しできる。

前記２方向から照射したレーザー光３，３の光路をＸ軸・Ｙ軸の２方向からとし、ここでＸ軸・Ｙ軸座標位置を求め、この光路可視化モジュール１のＺ軸方向の座標を計測することで三次元座標を計測することにすれば、建材５に取り付けた光路可視化モジュール１の三次元座標が計測され、建材５の三次元座標上の位置が判明するから、この計測された三次元座標値を建材５の所定配設位置の座標値に一致させることで、建材５を所定の位置にセットできる。

なお、光路可視化モジュール１の内部に格子状にグリッド目盛り７を予めけがいておけば、このグリッド目盛り７にレーザー光３の光路を一致させることで座標値を容易に判断できる。

図示は省略するが、前記建材５に光路可視化モジュール１を設けるに際して、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の３方向からレーザー光３を照射して交点を求めることも可能である。

また、シリンドリカルレンズを使ってレーザー光を面として利用することも可能である。

本発明のレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法の第１実施形態を示す斜視図である。 本発明のレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法の第２実施形態を示す平面図である。 本発明のレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法の第２実施形態を示す正面図である。 本発明のレーザー光を用いる位置決め方法の１実施形態を示す説明図である。

符号の説明

１ 光路可視化モジュール １ａ ハウジング
２ 空間 ３ レーザー光
４ 光を散乱または発色させる物質
５ 建材 ６ 交点
７ グリッド目盛り ８ 基準点
９ アーム ９ａ 先端
１０ 傾斜計 １１ ジンバル機構
１２ 中心点 １３ 三脚

Claims (7)

1. 内部に光を散乱または発色させる物質を封入した光路可視化モジュールを配置し、この光路可視化モジュール内で２方向から照射したレーザー光の光路の交点を形成させてこれを基準点とし、先端が測定座標点または墨出し位置とするアームを該基準点に対して配置してその先端を三次元的に特定することで空間の三次元座標または墨出し位置を計測することを特徴とするレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法。
2. アームは光路可視化モジュールハウジングに対して固定した伸縮自在なポールである請求項１記載のレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法。
3. アームには３軸角度傾斜計を取り付けておく請求項１または請求項２記載のレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法。
4. アームは、三次元デジタイザなどで使用する多間接アームである請求項１記載のレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法。
5. 光路可視化モジュールはジンバル機構で任意の方向に回転自在に保持され、レーザー光の光路の交点はその中心点とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のレーザー光を用いる三次元座標計測または墨出し方法。
6. 内部に光を散乱または発色させる物質を封入した光路可視化モジュールを計測対象となる物体に取り付け、この光路可視化モジュールに２方向から照射したレーザー光の光路の交点を形成させることを特徴としたレーザー光を用いる位置決め方法。
7. 光路可視化モジュールには、格子状にグリッド目盛りを予めけがいておく請求項６記載のレーザー光を用いる位置決め方法。

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