JP2013242263A - 三次元測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使い勝手の向上が図れる三次元測定装置を提供する。
【解決手段】三次元測定装置は、被測定物を測定する測定プローブ２と、関節部を介して直列に連結された複数のリンクを有し、測定プローブ２を三次元空間内で外部からの力に対して移動自在に支持する多関節アームと、測定プローブ２及び多関節アームの少なくともいずれか一方に設けられ、押圧されているか否かを検出する押圧検出装置６と、測定プローブ２による測定結果を取り込んで、測定値を算出する制御装置７とを備える。制御装置７は、押圧検出装置６による検出結果に基づいて、被測定物を測定する測定状態、または非測定状態のいずれの状態であるかを認識する状態認識部７１Ａを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、測定者にて測定プローブを直接手で動かすことが可能に構成され、当該測定プローブの測定結果に基づいて被測定物上の任意の点の三次元座標値を算出し、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う三次元測定装置に関する。

従来、関節部を介して直列に連結された複数のリンクを有し、測定プローブを三次元空間内で外部からの力に対して移動自在に支持する多関節アームを備えた三次元測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
そして、測定者は、多関節アームを直接手に持って、測定プローブを移動させながら、被測定物を測定することとなる。

特開２０００−２８３０２号公報

ところで、上述したような三次元測定装置では、通常、ＰＣ(Personal Computer)上で動作するソフトウエアが使用される。
例えば、測定者は、被測定物を測定する際、先ず、マウスやキーボード等のＰＣの操作により、「測定開始」を指示した後、多関節アームを操作する。最後に、測定者は、ＰＣの操作により、「測定終了」を指示する。
すなわち、三次元測定装置に測定状態または非測定状態のいずれの状態であるかを認識させるためには、ＰＣの操作が必要となる。

そして、例えば、測定プローブとして、被測定物にレーザ光を照射して、被測定物にて反射されたレーザ光を検出するレーザプローブを採用した場合には、以下の問題がある。
測定者は、被測定物の測定終了後、測定プローブからのレーザ光の照射を停止させるために、ＰＣの操作により、「測定終了」を指示する必要がある。すなわち、使い勝手の向上が図れない、という問題がある。
このため、三次元測定装置に測定状態または非測定状態のいずれの状態であるかを容易に認識させることができ、使い勝手の向上が図れる技術が要望されている。

本発明の目的は、使い勝手の向上が図れる三次元測定装置を提供することにある。

本発明の三次元測定装置は、被測定物を測定する測定プローブと、関節部を介して直列に連結された複数のリンクを有し、前記測定プローブを三次元空間内で外部からの力に対して移動自在に支持する多関節アームと、前記測定プローブ及び前記多関節アームの少なくともいずれか一方に設けられ、押圧されているか否かを検出する押圧検出装置と、前記測定プローブによる測定結果を取り込んで、測定値を算出する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記押圧検出装置による検出結果に基づいて、前記被測定物を測定する測定状態、または非測定状態のいずれの状態であるかを認識する状態認識部を備えることを特徴とする。

本発明では、三次元測定装置は、上述した押圧検出装置と、上述した状態認識部を有する制御装置とを備える。
すなわち、状態認識部は、押圧検出装置にて押圧されていることが検出された場合（測定プローブ及び多関節アームの少なくともいずれか一方が測定者の手で把持されている場合）に、三次元測定装置が測定状態であると認識する。一方、状態認識部は、押圧検出装置にて押圧されていないことが検出された場合（測定プローブ及び多関節アームの少なくともいずれか一方が測定者の手で把持されていない場合）に、三次元測定装置が非測定状態であると認識する。
したがって、測定者は、ＰＣを操作することなく、測定プローブ及び多関節アームの少なくともいずれか一方を把持するか否かで、三次元測定装置に測定状態または非測定状態のいずれの状態であるかを容易に認識させることができ、使い勝手の向上が図れる。

本発明の三次元測定装置では、前記測定プローブは、前記被測定物にレーザ光を照射し、前記被測定物にて反射されたレーザ光を検出するレーザプローブであり、前記制御装置は、前記状態認識部にて認識された状態に基づいて、前記レーザプローブのレーザ光の照射状態を制御する照射制御部を備えることが好ましい。

本発明では、制御装置は、上述した照射制御部を備える。
すなわち、照射制御部は、状態認識部にて測定状態であると認識された場合には、測定プローブからのレーザ光の照射を継続させる。一方、照射制御部は、状態認識部にて非測定状態であると認識された場合には、測定プローブからのレーザ光の照射を停止させる。
したがって、測定者は、被測定物の測定終了後、ＰＣを操作することなく、三次元測定装置（測定プローブ及び多関節アームの少なくともいずれか一方）から手を離すだけで、測定プローブからのレーザ光の不要な照射を停止させることができる。

本発明の三次元測定装置では、前記多関節アームに設けられ、連結された前記リンク同士の相対角度を制御するアクチュエータを備え、前記制御装置は、前記状態認識部にて認識された状態に基づいて、前記アクチュエータの動作を制御するアクチュエータ制御部を備えることが好ましい。

本発明では、制御装置は、上述したアクチュエータ制御部を備える。
例えば、アクチュエータ制御部は、状態認識部にて非測定状態であると認識された場合には、関節部に作用する重力によるトルクを相殺するように、アクチュエータの動作を制御し、多関節アームの姿勢を維持させる。
したがって、測定者が三次元測定装置（測定プローブ及び多関節アームの少なくともいずれか一方）から手を離した場合であっても、多関節アームの姿勢が維持されるため、測定プローブの落下による破損を防止することができる。

本実施形態における三次元測定装置の構成を示す図。 本実施形態における多関節アームの構成を示す図。 本実施形態における三次元測定装置の制御構造を示すブロック図。 本実施形態における三次元測定装置の動作を説明するフローチャート。

以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
〔三次元測定装置の構成〕
図１は、本実施形態における三次元測定装置１の構成を示す図である。
三次元測定装置１は、測定者にて測定プローブ２を直接手で動かすことが可能に構成され、測定プローブ２による測定結果（測定データ）を取り込むことにより、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う。
この三次元測定装置１は、図１に示すように、測定プローブ２と、多関節アーム３と、角度センサ４（図３参照）と、アクチュエータ５（図３参照）と、押圧検出装置としての圧力センサ６（図３参照）と、制御装置７とを備える。

〔測定プローブの構成〕
本実施形態では、測定プローブ２は、被測定物にレーザ光を照射し、被測定物にて反射されたレーザ光を検出するレーザプローブで構成されている。
この測定プローブ２は、レーザ光を出射するレーザ光源２１（図３参照）と、レーザ光源２１から出射されたレーザ光をライン状に拡散して被測定物に照射する光学素子（図示略）と、被測定物にて反射されたライン状のレーザ光を検出するＣＣＤカメラ２２（図３参照）と、外装を構成する外装筐体２３（図１）とを備える。

〔多関節アームの構成〕
図２は、多関節アーム３の構成を示す図である。
多関節アーム３は、測定プローブ２を支持するとともに、当該測定プローブ２を三次元空間内で外部からの力（測定者による操作）に対して移動可能に構成されている。
この多関節アーム３は、図２に示すように、円柱状の支柱３Ａと、円柱状の第１〜第６リンク３Ｂ〜３Ｇと、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍと、プローブヘッド３Ｎとを備える。
支柱３Ａは、鉛直軸Ａｘ１（図２）に沿うように作業台等に固定される。
第１関節部３Ｈは、第１リンク３Ｂが鉛直軸Ａｘ１に沿う状態で、支柱３Ａと第１リンク３Ｂの一端とを連結する。
そして、第１リンク３Ｂは、第１関節部３Ｈにより支柱３Ａに連結されることで、支柱３Ａに対して、鉛直軸Ａｘ１を中心として回転可能となる。

第２関節部３Ｉは、第１リンク３Ｂの他端と第２リンク３Ｃの一端とを連結する。
そして、第１，第２リンク３Ｂ，３Ｃは、第２関節部３Ｉにより互いに連結されることで、水平軸Ａｘ２（図２）を中心として相対的に回転可能となる。
第３関節部３Ｊは、互いの中心軸Ａｘ３（図２）が一致する状態で、第２リンク３Ｃの他端と第３リンク３Ｄの一端とを連結する。
そして、第２，第３リンク３Ｃ，３Ｄは、第３関節部３Ｊにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ３を中心として相対的に回転可能となる。
第４関節部３Ｋは、第３リンク３Ｄの他端と第４リンク３Ｅの一端とを連結する。
そして、第３，第４リンク３Ｄ，３Ｅは、第４関節部３Ｋにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ３に直交する軸Ａｘ４（図２）を中心として相対的に回転可能となる。

第５関節部３Ｌは、互いの中心軸Ａｘ５（図２）が一致する状態で、第４リンク３Ｅの他端と第５リンク３Ｆの一端とを連結する。
そして、第４，第５リンク３Ｅ，３Ｆは、第５関節部３Ｌにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ５を中心として相対的に回転可能となる。
第６関節部３Ｍは、第５リンク３Ｆの他端と第６リンク３Ｇの一端とを連結する。
そして、第５，第６リンク３Ｆ，３Ｇは、第６関節部３Ｍにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ５に直交する軸Ａｘ６（図２）を中心として相対的に回転可能となる。
以上のように、多関節アーム３は、６軸により操作可能に構成されている。
プローブヘッド３Ｎは、第６リンク３Ｇの他端に取り付けられるとともに、測定プローブ２を着脱可能に支持する。

〔角度センサの構成〕
角度センサ４は、具体的な図示は省略したが、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍにそれぞれ取り付けられている。
そして、６つの角度センサ４は、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍにより互いに連結された第１〜第６リンク３Ｂ〜３Ｇの相対的な回転角度を検出する。
例えば、第１関節部３Ｈに設けられた角度センサ４は、支柱３Ａ及び第１リンク３Ｂ同士の鉛直軸Ａｘ１を中心とした相対的な回転角度を検出する。

〔アクチュエータの構成〕
アクチュエータ５は、具体的な図示は省略したが、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍにそれぞれ取り付けられている。
そして、６つのアクチュエータ５は、制御装置７による制御の下、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍにより互いに連結された第１〜第６リンク３Ｂ〜３Ｇに回転トルクを与える。
例えば、第１関節部３Ｈに設けられたアクチュエータ５は、鉛直軸Ａｘ１を中心とする回転方向に沿って、支柱３Ａに対して第１リンク３Ｂに回転トルクを与える。

〔圧力センサの構成〕
圧力センサ６は、具体的な図示は省略したが、圧力が加わる（押圧される）ことで電気信号を出力する圧電素子等で構成され、測定者にて多関節アーム３が操作される際に測定者が手で把持する部分に取り付けられている。
なお、測定者が手で把持する部分としては、第４，第５リンク３Ｅ，３Ｆの外面、プローブヘッド３Ｎの外面、測定プローブ２（外装筐体２３）の外面等が例示できる。
そして、圧力センサ６は、測定者にて上述した部分が把持され押圧されている際に、制御装置７に電気信号を出力する。

〔制御装置の構成〕
図３は、三次元測定装置１の制御構造を示すブロック図である。
制御装置７は、図３に示すように、ＣＰＵ(Central Processing Unit)やハードディスクを備えた制御装置本体７１と、マウスやキーボード等で構成された入力装置７２と、ディスプレイ等の表示装置７３とを備える。
制御装置本体７１は、測定プローブ２の測定データ（ＣＣＤカメラ２２にて検出された画像データ）、及び角度センサ４の検出値（回転角度）に基づいて、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う。
この制御装置本体７１は、図３に示すように、状態認識部７１Ａと、演算処理部７１Ｂと、形状解析部７１Ｃと、重力トルク算出部７１Ｄと、アクチュエータ制御部７１Ｅと、照射制御部７１Ｆと、メモリ７１Ｇとを備える。

状態認識部７１Ａは、圧力センサ６からの電気信号に基づいて、三次元測定装置１が被測定物を測定する測定状態、または非測定状態のいずれの状態であるかを認識する。
演算処理部７１Ｂは、測定プローブ２の測定データ、及び角度センサ４の検出値を取り込み、当該測定データ及び検出値に基づいて、被測定物上の任意の点の三次元座標値（測定値）を算出する。
そして、演算処理部７１Ｂは、算出した三次元座標値をメモリ７１Ｇに記憶させる。

形状解析部７１Ｃは、メモリ７１Ｇに記憶された三次元座標値に基づいて、被測定物の表面形状データを算出し、算出した被測定物の表面形状データの誤差や歪み等を求める形状解析を行う。
重力トルク算出部７１Ｄは、角度センサ４にて検出された検出値（各回転角度）と、第１〜第６リンク３Ｂ〜３Ｇの各長さ等に基づいて、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍ毎に作用する重力によるトルク（以下、重力トルク）を算出する。

アクチュエータ制御部７１Ｅは、状態認識部７１Ａにて非測定状態であると認識された場合に、重力トルク算出部７１Ｄにて算出された重力トルクに基づいて、各アクチュエータ５の動作を制御する。
照射制御部７１Ｆは、状態認識部７１Ａにて認識された状態に基づいて、測定プローブ２（レーザ光源２１）のレーザ光の照射状態を制御する。

〔三次元測定装置の動作〕
次に、三次元測定装置１の動作について図面を参照して説明する。
図４は、三次元測定装置１の動作を説明するフローチャートである。
なお、以下では、説明の便宜上、測定プローブ２からライン状のレーザ光が出射されているとともに、測定者により多関節アーム３が操作され、被測定物上でライン状のレーザ光が走査されている際の三次元測定装置１の動作について説明する。
先ず、状態認識部７１Ａは、圧力センサ６から電気信号が出力されているか否かを常時、監視する。そして、状態認識部７１Ａは、圧力センサ６から電気信号が出力されているか否か、すなわち、三次元測定装置１が測定状態であるか否かを判定する（ステップＳＴ１）。

ステップＳＴ１において、「Ｙ」と判定された場合、すなわち、三次元測定装置１が測定状態である場合には、演算処理部７１Ｂは、測定プローブ２の測定データ、及び角度センサ４の検出値を取り込む（ステップＳＴ２）。
ステップＳＴ２の後、演算処理部７１Ｂは、取り込んだ測定プローブ２の測定データ、及び角度センサ４の検出値に基づいて、以下に示すように、被測定物上の任意の点（被測定物に照射されたレーザ光のライン状パターン）の三次元座標値を算出する（ステップＳＴ３）。

先ず、演算処理部７１Ｂは、取り込んだ角度センサ４の検出値（各回転角度）と、第１〜第６リンク３Ｂ〜３Ｇの各長さ等に基づいて、測定プローブ２の位置、レーザ光源２１からのレーザ光の照射角度、及びＣＣＤカメラ２２の角度を算出する。
そして、演算処理部７１Ｂは、測定プローブ２の位置、レーザ光の照射角度、及びＣＣＤカメラ２２の角度に基づいて、三角測量の原理により、取り込んだ測定プローブ２の測定データ（画像データ）に含まれるレーザ光のライン状パターンの各点（被測定物上の点）の三次元座標値を算出する。
また、演算処理部７１Ｂは、算出した三次元座標値をメモリ７１Ｇに記憶させる（ステップＳＴ４）。

ステップＳＴ４の後、制御装置本体７１は、測定終了条件を満たしたか否かを判定する（ステップＳＴ５）。
例えば、測定者により多関節アーム３が操作され、測定プローブ２が予め指定された距離だけ移動した場合を測定終了条件とすることができる。
制御装置本体７１は、ステップＳＴ５において、「Ｎ」と判定した場合には、再度、ステップＳＴ１の処理に移行する。そして、制御装置本体７１は、三次元測定装置１が測定状態である場合に限り、測定終了条件を満たすまで、ステップＳＴ２〜ＳＴ４により、被測定物上の任意の点の三次元座標値の算出を継続する。

そして、制御装置本体７１は、ステップＳＴ１において「Ｎ」と判定した場合（三次元測定装置１が非測定状態である場合）、あるいは、ステップＳＴ５において「Ｙ」と判定された場合（測定終了条件を満たした場合）には、ステップＳＴ６の処理に移行する。
ステップＳＴ６では、重力トルク算出部７１Ｄは、ステップＳＴ１にて状態認識部７１Ａにより非測定状態であると認識された時点、あるいは、ステップＳＴ５にて測定終了条件を満たした時点で角度センサ４にて検出された検出値（各回転角度）を認識する。そして、重力トルク算出部７１Ｄは、当該検出値と、第１〜第６リンク３Ｂ〜３Ｇの各長さ等に基づいて、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍ毎に作用する重力トルクを算出する。

ステップＳＴ６の後、アクチュエータ制御部７１Ｅは、ステップＳＴ６にて重力トルク算出部７１Ｄにより算出された各重力トルクを相殺するように、各アクチュエータ５の動作を制御し、多関節アーム３の姿勢を維持させる（ステップＳＴ７）。
ステップＳＴ７の後、照射制御部７１Ｆは、測定プローブ２（レーザ光源２１）からのレーザ光の照射を停止させる（ステップＳＴ８）。
そして、制御装置本体７１は、被測定物の測定を終了する。
被測定物の測定が終了した後、例えば、測定者による入力装置７２の操作に応じて、形状解析部７１Ｃは、メモリ７１Ｇに記憶された三次元座標値に基づいて、被測定物の表面形状データを算出し、形状解析を行う。

上述した本実施形態によれば、以下の効果がある。
本実施形態では、三次元測定装置１は、圧力センサ６と、状態認識部７１Ａを有する制御装置７とを備える。
すなわち、状態認識部７１Ａは、圧力センサ６からの電気信号を入力している場合（測定プローブ２等が測定者の手で把持されている場合）に、三次元測定装置１が測定状態であると認識する。一方、状態認識部７１Ａは、圧力センサ６からの電気信号を入力していない場合（測定プローブ２等が測定者の手で把持されていない場合）に、三次元測定装置１が非測定状態であると認識する。
したがって、測定者は、入力装置７２を操作することなく、測定プローブ２等を把持するか否かで、三次元測定装置１に測定状態または非測定状態のいずれの状態であるかを容易に認識させることができ、使い勝手の向上が図れる。

また、制御装置７は、照射制御部７１Ｆを備える。
すなわち、照射制御部７１Ｆは、状態認識部７１Ａにて測定状態であると認識された場合には、測定プローブ２からのレーザ光の照射を継続させる。一方、照射制御部７１Ｆは、状態認識部７１Ａにて非測定状態であると認識された場合には、測定プローブ２からのレーザ光の照射を停止させる。
したがって、測定者は、被測定物の測定終了後、入力装置７２を操作することなく、測定プローブ２等から手を離すだけで、測定プローブ２からのレーザ光の不要な照射を停止させることができる。
また、測定者が誤って測定プローブ２等から手を離した場合であっても、状態認識部７１Ａにて非測定状態であると認識されるので、測定プローブ２からのレーザ光の不要な照射を停止させることができる。

さらに、制御装置７は、アクチュエータ制御部７１Ｅを備える。
そして、アクチュエータ制御部７１Ｅは、状態認識部７１Ａにて非測定状態であると認識された場合には、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍ毎に作用する重力トルクを相殺するように、各アクチュエータ５の動作を制御し、多関節アーム３の姿勢を維持させる。
したがって、測定者が測定プローブ２等から手を離した場合であっても、多関節アーム３の姿勢が維持されるため、測定プローブ２の落下による破損を防止することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態において、測定プローブ２としては、前記実施形態で説明したレーザプローブに限らず、例えば、被測定物に接触する測定子を有する接触型のプローブ、ＣＣＤカメラやイメージセンサを用いた画像プローブを採用しても構わない。
前記実施形態では、多関節アーム３は、６つのリンク及び関節部を備え、６軸により操作可能に構成されていたが、これに限らず、その他の数のリンク及び関節部を備えた構成とし、５軸や７軸により操作可能に構成しても構わない。
前記実施形態では、押圧検出装置として圧力センサ６を採用していたが、これに限らず、その他の構成、例えば、測定者が手で触れることによる静電容量の変化を検出する静電容量型のセンサを採用しても構わない。

本発明は、測定者にて測定プローブを直接手で動かすことが可能に構成され、当該測定プローブの測定結果に基づいて被測定物上の任意の点の三次元座標値を算出し、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う三次元測定装置に利用できる。

１・・・三次元測定装置
２・・・測定プローブ
３・・・多関節アーム
３Ｂ〜３Ｇ・・・リンク
３Ｈ〜３Ｍ・・・関節部
５・・・アクチュエータ
６・・・圧力センサ（押圧検出装置）
７・・・制御装置
７１Ａ・・・状態認識部
７１Ｅ・・・アクチュエータ制御部
７１Ｆ・・・照射制御部

Claims (3)

1. 被測定物を測定する測定プローブと、
   関節部を介して直列に連結された複数のリンクを有し、前記測定プローブを三次元空間内で外部からの力に対して移動自在に支持する多関節アームと、
   前記測定プローブ及び前記多関節アームの少なくともいずれか一方に設けられ、押圧されているか否かを検出する押圧検出装置と、
   前記測定プローブによる測定結果を取り込んで、測定値を算出する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記押圧検出装置による検出結果に基づいて、前記被測定物を測定する測定状態、または非測定状態のいずれの状態であるかを認識する状態認識部を備える
   ことを特徴とする三次元測定装置。
2. 請求項１に記載の三次元測定装置において、
   前記測定プローブは、
   前記被測定物にレーザ光を照射し、前記被測定物にて反射されたレーザ光を検出するレーザプローブであり、
   前記制御装置は、
   前記状態認識部にて認識された状態に基づいて、前記レーザプローブのレーザ光の照射状態を制御する照射制御部を備える
   ことを特徴とする三次元測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の三次元測定装置において、
   前記多関節アームに設けられ、連結された前記リンク同士の相対角度を制御するアクチュエータを備え、
   前記制御装置は、
   前記状態認識部にて認識された状態に基づいて、前記アクチュエータの動作を制御するアクチュエータ制御部を備える
   ことを特徴とする三次元測定装置。

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