JP2024013286A - 形状計測装置、及び形状計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 形状測定装置に多関節ロボットを採用した場合において、多関節ロボットに追加の駆動軸を付加させることなく、対象物の形状を高精度に測定する。【解決手段】 形状計測装置は、複数の駆動軸を有する多関節ロボットと、前記多関節ロボットに取り付けられた非接触測距センサと、を備え、前記多関節ロボットは、前記複数の駆動軸のうち、所定の一軸だけを駆動することにより、前記非接触測距センサから射出された測定光を対象物に対して走査する。【選択図】 図１

Description

本発明は、形状計測装置、及び形状計測方法に関する。

対象物の形状を測定する技術として、例えば特許文献１には、三次元座標測定システムのＸＹＺステージのＺ軸の先端に回転ロータを取り付け、半径Ｒだけロータ軸からオフセットした位置にプローブを取り付けて、ロータを回転させることによりプローブを回転させて対象物の形状を測定する技術が開示されている。

特開２００８－２４１７１４号公報

特許文献１に記載された技術では、対象物の測定面が水平である場合、測定光の射出方向が固定されているシンプルなプローブを採用すればよい。しかしながら、対象物の表面が様々な方向に向いている場合、測定光の射出方向を変更可能な多関節プローブを用いる必要がある。多関節プローブは、構造が複雑であるためにコスト高となる。また、多関節プローブは、構造が複雑であるために重量が重くなるため移動の精度が悪い。

なお、多関節プローブを用いる代わりに、多関節ロボットのアームの先端に、測定光の射出方向が固定されているシンプルなプローブを取り付けて駆動させる方法も考えられる。ただし、この場合、多関節ロボットの移動の精度が充分でないと、対象物の表面の測定精度が制限されてしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、形状測定装置に多関節ロボットを採用した場合において、多関節ロボットに追加の駆動軸を付加させることなく、対象物の形状を高精度に測定することを目的とする。

本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る形状計測装置は、複数の駆動軸を有する多関節ロボットと、前記多関節ロボットに取り付けられた非接触測距センサと、を備え、前記多関節ロボットは、前記複数の駆動軸のうち、所定の一軸だけを駆動することにより、前記非接触測距センサから射出された測定光を対象物に対して走査する。

本発明によれば、形状測定装置に多関節ロボットを採用した場合において、多関節ロボットに追加の駆動軸を付加させることなく、対象物の形状を高精度に測定することが可能となる。

上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る形状計測装置の一例を示す模式図である。 図２は、計測プローブの構成例を示す模式図である。 図３は、計測プローブの変形例を示す模式図である。 図４は、計測プローブの他の変形例を示す模式図である。 図５は、計測プローブの走査と測定されたプロファイルの処理方法の第１の例を説明するための図である。 図６は、計測プローブの走査と測定されたプロファイルの処理方法の第２の例を説明するための図である。 図７は、プローブ先端部の変形例を示す図である。 図８は、プローブ先端部の変形例に対応する、計測プローブの走査と測定されたプロファイルの処理方法の一例を説明するための図である。 図９は、本発明の第２の実施形態に係る形状計測装置の一例を示す模式図である。 図１０は、形状計測装置を含む形状計測システムの構成例を示す図である。

以下、本発明の複数の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、各実施形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須ではない。また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除しない。同様に、以下の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含む。

＜本発明の第１の実施形態に係る形状計測装置１００_１の構成例＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る形状計測装置１００_１の構成例を示している。形状計測装置１００_１は、多関節ロボット５００、計測プローブ１６０、及び試料台３３０を備える。

多関節ロボット５００は、例えば、６つの駆動軸Ａ１～Ａ６を有する６軸垂直多関節型ロボットである。

計測プローブ１６０は、本発明の非接触測距センサに相当する。計測プローブ１６０は、多関節ロボット５００のアームＬ３の端部５０１に設けられたフランジ５０２に固定されている。計測プローブ１６０は、多関節ロボット５００によって移動されることにより、対象物Ｔに対して様々な位置、様々な姿勢、様々な方向から接近し、その先端から測定光を出射して対象物Ｔの形状を測定する。

対象物Ｔが載置される試料台３３０は、多関節ロボット５００との相対的な位置関係が固定されている。可能であれば、試料台３３０における対象物Ｔの位置が再現性良く搭載できるように、対象物Ｔは、試料台３３０の所定の位置に押し付けて搭載することが望ましい。この場合、試料台３３０上に形成された２点以上の位置合わせマーク３４０を計測プローブ１６０で測定することにより、対象物Ｔの位置を正確に測定できる。または、対象物Ｔ自身の特徴的な形状を測定することにより、対象物Ｔの位置を正確に測定してもよい。具体的には、対象物Ｔの複数のコーナそれぞれについて、コーナを取り囲む３面の位置を測定光により測定したり、互いに直行しない面の位置姿勢を、各面当たり３点以上測定光により測定したり、対象物Ｔ上の複数の穴の位置を測定光により測定すればよい。対象物Ｔの位置を正確に測定できた場合、予め取得した対象物ＴのＣＡＤ(Computer Aided Design)データを用いて、対象物Ｔの任意の形状（平面等）に自動的に接近して対象物Ｔの形状を測定することができる。

なお、測定の際には、ＣＡＤデータの間違いや多関節ロボット５００の位置誤差等によって、計測プローブ１６０のプローブ先端部１６４が誤って対象物Ｔに衝突しないように、計測プローブ１６０から射出する測定光の方向を第１の方向３００ａまたは第２の方向３００ｂに切り替えて対象物Ｔとの距離が所定の閾値以下にならないように制御する。これによって、対象物Ｔの立体形状を測定することが可能になる。

＜計測プローブ１６０の構成例＞
次に、図２は、計測プローブ１６０の構成例を示している。計測プローブ１６０は、接続ケーブル１５０を介してプローブ制御装置２００に接続されている。

プローブ制御装置２００は、内蔵する測距光源にて生成した測定光を、接続ケーブル１５０を介して計測プローブ１６０に出力する。

接続ケーブル１５０は、測定光を伝搬する光ファイバを含み、測定光を計測プローブ１６０に導く。また、対象物Ｔからの反射光をプローブ制御装置２００に導く。

計測プローブ１６０は、プローブ制御装置２００から入力された測定光を対象物Ｔに照射し、対象物Ｔからの反射光をプローブ制御装置２００に出力する。

計測プローブ１６０は、レンズ系１６１、回転機構１６２、光路切替素子１６３、プローブ先端部１６４、偏光状態制御部１６５、及び偏光状態制御部駆動部１６６を有する。

レンズ系１６１は、プローブ制御装置２００から接続ケーブル１５０を介して入力された測定光を絞り、偏光状態制御部１６５に導く。回転機構１６２は、モータ等からなる。回転機構１６２は、プローブ制御装置２００からの制御に従い、レンズ系１６１から入力された測定光と平行な回転軸Ｃの周りにプローブ先端部１６４を回転させる。

光路切替素子１６３は、例えば偏光ビームスプリッタからなる。光路切替素子１６３は、光路切り替え機能を有し、偏光状態制御部１６５によって偏光状態が制御された測定光を、その偏光方向に応じ、レンズ系１６１から出力される測定光の進行方向と同じ進行方向である第１の方向３００ａ、または、第１の方向３００ａに略直交する第２の方向３００ｂに向かって選択的に測定光を射出する。以下、第１の方向３００ａに射出された測定光を測定光３００ａと称し、第２の方向３００ｂに射出された測定光を測定光３００ｂと称する。

プローブ先端部１６４は、光路切替素子１６３を係止するとともに、光路切替素子１６３から射出される光を通過させる。プローブ先端部１６４は、第１の方向３００ａに開口部位を有する筒状であり、内壁の少なくとも一部で光路切替素子１６３を係止している。プローブ先端部１６４は、回転機構１６２によって回転軸Ｃの周りに回転される。そして、プローブ先端部１６４の回転に伴い、プローブ先端部１６４が係止する光路切替素子１６３も回転される。

なお、プローブ先端部１６４の構成は上述した構成例に限られない。例えば、１本以上の支柱により光路切替素子１６３を係止し、該支柱の駆動に伴い光路切替素子１６３が回転するものであってもよい。また、プローブ先端部１６４は、例えば透明な２層の筒からなり、内筒で光路切替素子１６３を係止し、光路切替素子１６３を回転させてもよい。

偏光状態制御部１６５は、例えば波長板や液晶素子等からなり、プローブ制御装置２００（図１０）からの制御により、レンズ系１６１から入力された測定光の偏光を制御する。具体的には、偏光状態制御部１６５は、レンズ系１６１から入力された測定光の偏光方向を変更できる。

偏光状態制御部駆動部１６６は、偏光状態制御部１６５を回転駆動して、レンズ系１６１から入力された測定光の偏光方向を変更させる。

計測プローブ１６０において、プローブ制御装置２００から接続ケーブル１５０を介して入力された測定光は、レンズ系１６１を経由して偏光状態制御部１６５に到達し、偏光状態制御部１６５によって、その偏光が制御され、光路切替素子１６３に到達する。

偏光方向に応じて光路切替素子１６３を通過した測定光３００ａは、プローブ先端部１６４の開口部位から対象物Ｔに到達する。対象物Ｔにて反射または散乱した反射光は、射出された測定光３００ａの経路とは逆の方向、すなわち、光路切替素子１６３、偏光状態制御部１６５、レンズ系１６１、接続ケーブル１５０の順に進行してプローブ制御装置２００に到達する。

プローブ制御装置２００は、到達した反射光を電気信号に光電変換し、対象物Ｔまでの距離を算出する。なお、反射光の光電変換は、本実施形態の場合、プローブ制御装置２００にて行われているが、計測プローブ１６０内に光電変換手段（不図示）を設け、反射光に対応する電気信号を、計測プローブ１６０からプローブ制御装置２００に出力するようにしてもよい。

例えば、図２に示されたように、対象物Ｔの円筒形状の穴３１１の形状を測定する場合、偏光状態制御部１６５による偏光の制御によって測定光３００ａを射出させ、穴３１１の底部までの深さを測定することができる。

一方、偏光方向に応じて光路切替素子１６３から側方に射出された測定光３００ｂは、プローブ先端部１６４の側面の開口部位または壁面を透過して対象物Ｔに照射される。対象物Ｔにて反射または散乱した反射光は、測定光３００ｂの経路を逆行してプローブ制御装置２００に到達し、対象物Ｔまでの距離が算出される。測定光３００ｂを用いた場合、例えば穴３１１の側面の形状を測定することができる。なお、測定光３００ｂが出射されている間、光路切替素子１６３は、プローブ先端部１６４の回転とともに回転させることができるので、その場合、穴３１１の側面の全周の形状を測定することができる。

なお、本実施形態の場合、計測プローブ１６０は、測定光３００ａと測定光３００ｂとを切り替えて射出可能であるが、本発明の主たる目的である多関節ロボットの走査による立体形状計測にとっては、必ずしも測定光３００ｂの射出は必須ではなく、測定光３００ａを射出できればよい。

次に、図３は、測定光３００ａのみを射出するようにした計測プローブ１６０の変形例を示している。

該変形例は、いわゆるレーザ測距センサである。該変形例は、図２の構成例から、回転機構１６２、光路切替素子１６３、プローブ先端部１６４、偏光状態制御部１６５、及び偏光状態制御部駆動部１６６を省略したものである。

次に、図４は、計測プローブ１６０の他の変形例を示している。該変形例は、いわゆるレーザ光切断センサであり、測定光を扇状に拡がるシート状のビーム３００ｃとして射出するレンズ系１９０、及び対象物Ｔからの反射光を受光する受光部１９１を備える。該変形例においては、レンズ系１９０が測定光をビーム３００ｃとして対象物Ｔに射出し、対象物Ｔに照射されて光る線のパターンを受光部１９１で撮像し、撮像結果に基づき、ビーム３００ｃが照射された箇所の形状を三角測量の原理で測定する。

なお、図示は省略するが、さらに他の変形例として、図４の扇状に拡がるシート状のビーム３００ｃの代わりに、直線状のビームを対象物Ｔに射出し、対象物Ｔに照射されて光る１点の位置を受光部１９１で検出して、一点の距離を三角測量原理で測定する変位センサを計測プローブ１６０に採用してもよい。

＜形状計測装置１００_１による対象物Ｔの立体形状計測＞
以下は、形状計測装置１００_１による対象物Ｔの立体形状計測の説明である。

一般に、多関節ロボットは、複数の回転軸の動きを組み合わせることにより多自由度の動作を実現している。例えば、多関節ロボット５００（図１）は、人間の肩関節に相当する駆動軸Ａ１，Ａ２により、人間の上腕部に相当するアームＬ１の旋回及び上下移動を実現する。また、多関節ロボット５００は、人間の肘関節に相当する駆動軸Ａ３により、人間の前腕部に相当するアームＬ２の曲げ伸ばしを実現する。さらに、多関節ロボット５００は、駆動軸Ａ４により、アームＬ２の回旋を実現する。またさらに、多関節ロボット５００は、人間に手首関節に相当する駆動軸Ａ５，Ａ６により、人間の手に相当するアームＬ３の屈曲、及び旋回を実現する。アームＬ３の端部５０１にはフランジ５０２が設けられており、そこに計測プローブ１６０を取り付けることにより対象物までの距離を測定する。

多関節ロボット５００は、駆動軸Ａ１～Ａ６の動きを組み合わせることにより、フランジ５０２に取り付けた計測プローブ１６０を任意の位置、任意の姿勢に位置決めして保持することができる。ただし、フランジ５０２に取り付けた計測プローブ１６０には、各駆動軸の角度の誤差や軸間距離の誤差等が積み上げられて出現するため、通常１ｍｍを超すような位置誤差が生じ得る。

そのため、計測プローブ１６０をフランジ５０２に取り付けて、計測プローブ１６０を直線状に走査して対象物Ｔまでの距離を測定しながら、対象物Ｔの表面の段差形状を測定するような場合、計測プローブ１６０の軌道が直線を維持できずに蛇行してしまうため、その誤差が測定結果に影響を与えてしまう。例えば、直線移動時の軌道の誤差は、多関節ロボット５００の精度にも依るが小さいと０．２ｍｍ程度、大きいと１ｍｍを超えてしまう。

そこで、本実施形態では、対象物Ｔまでの距離測定時に駆動させる駆動軸として、駆動軸Ａ１～Ａ６のうちの一軸を選択し、選択した駆動軸と、プローブ先端部１６４から出射される測定光３００ａとが略平行となるように、計測プローブ１６０をフランジ５０２に取り付ける。なお、計測プローブ１６０を所望の位置、及び向きで多関節ロボット５００に固定できれば、フランジ５０２に限らず、他の取付部材（固定部材）を使用してもよい。

なお、駆動させる一軸の選択は、対象物Ｔの測定対象とする面３１０の垂線、または測定対象とする穴３１１の軸と略平行になり得る駆動軸をユーザが選択する。換言すれば、測定光３００ａを走査する面の垂線と、略平行に得る駆動軸をユーザが選択すればよい。選択可能な駆動軸が複数存在する場合、最も先端側の駆動軸（いまの場合、駆動軸Ａ６）を選択することが望ましい。

例えば、対象物Ｔ上の面３１０に開口している穴３１１の深さを測定する場合、計測プローブ１６０のプローブ先端部１６４を対象物Ｔ上の面３１０と平行に、または、穴３１１の軸に垂直な基準面３９０に沿って走査させればよい。また、その前段階として、駆動させる駆動軸Ａ６が基準面３９０と略直交するように、他の駆動軸Ａ１～Ａ５を適切に駆動して多関節ロボット５００の姿勢を調整すればよい。

駆動軸Ａ６と測定光３００ａとの軸間距離をＲとすれば、駆動軸Ａ６を角速度Ｖで回転させた場合、測定光は周速度ＶＲで円弧状に軌道を描いて走査されることになる。この時の円弧状の軌道は、多関節ロボット５００の質量が小さい先端部分だけを回転させるので振動を抑えることができる。また、多関節ロボット５００が有する６つの駆動軸Ａ１～Ａ６のうち、駆動軸Ａ６だけを動かすため、各軸の誤差が積み重なって軌道が蛇行してしまうことも抑えることができる。

したがって、多関節ロボット５００の動作の精度にも依るが、駆動軸Ａ６だけを駆動させた場合、測定光３００ａの走査軌道の振動や蛇行幅は２０μｍから５０μｍ程度に抑えることができる。

次に、図５は、計測プローブ１６０の走査と測定されたプロファイルの処理方法の第１の例を説明するための図である。

同図上段に示すように、プローブ先端部１６４からの測定光３００ａは、基準面３９０に沿って走査される。この走査を駆動軸Ａ６の回転によって実現するためには、同図中段に示された、基準面３９０を計測プローブ１６０側から見た上面図に示すように、駆動軸Ａ６から軸間距離Ｒだけオフセットした位置に測定対象の穴３１１の軸が位置するように、駆動軸Ａ６の位置及び姿勢を、多関節ロボット５００の残りの駆動軸Ａ１～Ａ５によって保持するようにする。

この状態において、駆動軸Ａ６だけを角速度Ｖで駆動させた場合、プローブ先端部１６４から射出された測定光３００ａは、周速度ＶＲで駆動軸Ａ６を中心とする円弧状の走査軌道４１０に沿って走査される。

この時、他の駆動軸Ａ１～Ａ５は静止しているので、これらの駆動誤差の影響を受けることなく、駆動軸Ａ６だけの精度に依る、基準面３９０に対してプローブ先端部１６４の距離が上下に変動せずに周速度ＶＲが一定である滑らかな円弧状の走査を実現できる。

同図下段左側の図は、このようにして測定された、穴３１１のプロファイル４００を示す。ただし、測定されたプロファイル４００は、円弧状の走査軌道４１０に対応するものであり、横軸ｘ４１１は走査軌道４１０に沿った距離である。本来得たいのは穴３１１の中心を通る直線軌道に対応するプロファイルであることが多いので、その場合は変換を行う。走査軌道４１０に沿った各点の穴３１１からの距離ｒ４１０を計算して、横軸をｘからｒに変換する。このようにすることで、円弧状の走査軌道４１０に対応するプロファイル４００を、直線状の走査軌道に対応するプロファイル４０１に変換することができる。

さらに、多関節ロボット５００の動作誤差や対象物Ｔの設置誤差等により、駆動軸Ａ６が基準面３９０に対して傾いてしまい、走査した計測プローブ１６０と基準面３９０との距離が一定ではなくなってしまうことがある。この結果、測定されたプロファイルは、例えば、同図下段右側に示すプロファイル４０２のように歪が生じたものとなる。例えば、駆動軸Ａ６の基準面３９０に対する傾きがθであれば、基準面３９０までの距離は曲面３９０’のように楕円状に変化してしまい、その楕円の短軸に対する長軸の比はｓｉｎθとなる。

これを補正するには、穴３１１の周り存在する既知の平坦な面３１０までの距離を測定し、測定したプロファイル４０１の平坦な面３１０に対応する部分の形状に楕円を当てはめる。そして、得られた楕円状の曲面３９０’に基づき、プロファイル４０２をプロファイル４００に変換し、プロファイル４００をプロファイル４０１に変換すればよい。

なお、上述した説明では、計測プローブ１６０を走査させるときに駆動する駆動軸として、多関節ロボット５００の最も先端側の駆動軸Ａ６を選択することにしたが、上述した条件を満たしていれば、他の駆動軸を選択してもよい。

例えば、図１に示された対象物Ｔの上面、及び上面に開口された穴の形状を測定する場合、対象物Ｔの上面に対して、プローブ先端部１６４が垂直となるように多関節ロボット５００の姿勢を調整した後、駆動軸Ａ６の代わりに駆動軸Ａ１を旋回駆動してもよい。この場合、駆動軸Ａ１の旋回半径は、駆動軸Ａ６の旋回半径よりも大きいので、走査軌道４１０を直線状に近づけることができる。ただし、駆動軸Ａ６を駆動させる場合に比べて、旋回する部分の質量や慣性モーメントが大きいので、走査軌道の振動が大きくなってしまうので、略水平面以外の測定には適していない。

また、本実施形態では、多関節ロボット５００を６軸垂直多関節型ロボットとしたが、多関節ロボット５００に７軸以上の冗長な駆動軸を有するロボットを採用してもよい。その場合、根元から順に駆動軸Ａ１，Ａ２，・・・Ａ７とすれば、駆動軸Ａ１～Ａ６を用いて、駆動軸Ａ７の位置、及び姿勢を基準面３９０に対して略垂直になるように調整し、駆動軸Ａ７だけの旋回によって測定光３００ａを走査することが望ましい。

または、駆動軸Ａ１～Ａ５を用いて、駆動軸Ａ６の位置、及び姿勢を基準面３９０に対して略垂直になるように調整し、駆動軸Ａ６だけの旋回によって測定光３００ａを走査し、駆動軸Ａ７は、駆動軸Ａ６から見た測定光３００ａの向きの調整に用いるようにしてもよい。

このように、７軸以上の冗長な駆動軸を有する持ったロボットを採用することにより、より複雑な形状を有する対象物Ｔに対してプローブ先端部１６４を接近させて、測定光３００ａを走査させることができる。さらに、プローブ先端部１６４を旋回させて、測定光３００ｂを射出すれば、さらに多彩な走査が可能となる。

次に、図６は、計測プローブ１６０の走査と測定されたプロファイルの処理方法の第２の例を説明するための図である。

対象物Ｔの穴３１１の内部に段差形状があり、その幅の狭い場合、これに対して穴３１１の軸と平行な測定光３００ａで走査しても段差形状を検出できないことがある。該第２の方法は、このような場合に適している。

穴３１１の右側エッジを測定する場合、同図上段左側に示すように、穴３１１の周囲の平坦な面３１０に対して測定光を走査させる基準面３９０がわずかに右上がりになるように、穴３１１の軸に対して計測プローブ１６０をわずかに左側に傾けた状態として同図中段左側に示すように測定光３００ａを走査させる。これにより、同図下段左側に示すように、穴３１１の右側の側面形状が反映されており、左側の側面形状が反映されていないプロファイル４５１を得ることができる。

反対に、穴３１１の左側エッジを測定する場合、同図上段右側に示すように、穴３１１の周囲の平坦な面３１０に対して測定光を走査させる基準面３９０がわずかに左上がりになるように、穴３１１の軸に対して計測プローブ１６０をわずかに右側に傾けた状態として同図中段右側に示すように測定光３００ａを走査させる。これにより、同図下段右側に示すように、穴３１１の左側の側面形状が反映されており、右側の側面形状が反映されていないプロファイル４５２を得ることができる。

このようにして得られた２つのプロファイル４５１，４５２を、穴３１１の周囲の平坦な面の傾きが一致するように合成すれば、穴３１１の内部の細い段差形状や若干オーバーハングした形状（不図示）等を測定することが可能となる。

＜プローブ先端部１６４の変形例＞
次に、図７は、プローブ先端部１６４の変形例を示している。当該変形例は、図２のプローブ先端部１６４と比べて、その先端にて係止している光路切替素子１６３’が、図２の光路切替素子１６３に比べて傾いている点が異なる。光路切替素子１６３’以外の構成要素は図２に示された計測プローブ１６０の構成要素と共通であり、同一の符号を付しているので、その説明は省略する。

光路切替素子１６３’は、光路切替素子１６３と同様、例えば偏光ビームスプリッタからなる。光路切替素子１６３’は、光路切り替え機能を有し、偏光状態制御部１６５によって偏光状態が制御された測定光を、レンズ系１６１から出力される測定光の進行方向と同じ進行方向である第１の方向３００ａから僅かに傾けた第３の方向３００ａ’と、第１の方向３００ａに略直交する第２の方向３００ｂと、少なくとも一方に向かって測定光を射出する。以下、第３の方向３００ａ’への測定光を、測定光３００ａ’と称する。なお、第１の方向３００ａに対する第３の方向３００ａ’の傾きは、例えば、０．５度以上１０度以下とする。

該変形例の場合、計測プローブ１６０の位置は固定したまま、プローブ先端部１６４を回転させることによって測定光３００ａ’の方向を調整できる。

図８は、該変形例を多関節ロボット５００の先端に取り付けた場合における、計測プローブ１６０の走査と測定されたプロファイルの処理方法の一例を説明するための図である。

この場合、図１と同様に、走査の基準面３９０とロボットの駆動軸Ａ６とが略垂直になり、プローブ先端部１６４の回転軸と穴３１１の軸とが略平行となるように計測プローブ１６０を保持する。穴３１１の右側エッジ測定では、同図１段目左側に示すように、測定光３００ａ’の先端が図面右側に傾くようにプローブ先端部１６４の回転角を制御する。そして、同図２段目左側に示すように、駆動軸Ａ６を旋回させて測定光３００ａ’を走査させる。これにより、同図３段目左側に示すように、穴３１１の右側の側面形状が反映されており、左側の側面形状が反映されていないプロファイル４６１を得ることができる。

反対に、穴３１１の左側エッジ測定では、同図１段目右側に示すように、測定光３００ａ’の先端が図面左側に傾くようにプローブ先端部１６４の回転角を制御する。そして、同図２段目右側に示すように、駆動軸Ａ６を旋回させて走査する。これにより、同図３段目右側に示すように、穴３１１の左側の側面形状が反映されており、右側の側面形状が反映されていないプロファイル４６２を得ることができる。

ただし、得られた２つのプロファイル４６１，４６２は、測定光３００ａ’が基準面３９０の垂線から傾いている分だけ斜めに歪んだものとなっている。そこで、同図４段目に示すように、プロファイル４６１，４６２から歪を除去し、その結果得られたプロファイル４６１’，４６２’を合成する。これにより、穴３１１の内部の細い段差形状や若干オーバーハングした形状（不図示）等を測定することが可能となる。

＜本発明の第２の実施形態に係る形状計測装置１００_２の構成例＞
次に、図９は、本発明の第２の実施形態に係る形状計測装置１００_２の構成例を示している。

形状計測装置１００_２は、第１の実施形態である形状計測装置１００_１（図１）において６軸垂直多関節型ロボットであった多関節ロボット５００を、スカラ型ロボットを採用した多関節ロボット５００’に置換したものである。形状計測装置１００_２の多関節ロボット５００’以外の構成要素については、形状計測装置１００_１（図１）の構成要素と共通するので、同一の符号を付してその説明を省略する。

多関節ロボット５００’は、垂直方向を回転軸とする駆動軸Ａ１，Ａ２，Ａ３を有する。また、多関節ロボット５００’は、先端の駆動軸Ａ３と同軸方向（Ｚ方向）に端部５０１を昇降させる昇降部５１０を有する。多関節ロボット５００’は、駆動軸Ａ１，Ａ２の旋回によって端部５０１のＸＹ平面上の位置を決定する。また、多関節ロボット５００’は、昇降部５１０の昇降によって端部５０１のＺ座標を決定する。なお、昇降部５１０の代わりに、または追加しては、駆動軸Ａ１または駆動軸Ａ２と同軸方向に昇降する昇降部を設けてもよい。

多関節ロボット５００’の端部５０１に設けたフランジ５０２には、計測プローブ１６０を取り付ける。この際、駆動軸Ａ３と、プローブ先端部１６４から出射される測定光３００ａとが略平行となるように取付ける。この場合、測定光３００ａの射出方向は垂直になる。よって、本実施形態は、対象物Ｔの水平面と、水平面に開口した穴等の形状測定に適する。

駆動軸Ａ３と測定光３００ａとの軸間距離はＲとすれば、駆動軸Ａ３を角速度Ｖで回転させた場合、測定光は周速度ＶＲで円弧状に軌道を描いて移動する。この時の軌道は、多関節ロボット５００’の質量が小さい先端部分だけを回転させるので振動を抑えることが可能である。また、多関節ロボット５００’が有する駆動機構である駆動軸Ａ１～Ａ３、及び昇降部５１０のうち、駆動軸Ａ３だけを動かすので、各駆動部位の誤差が積み重なって軌道が蛇行することが抑えられる。

また、上記と同じ走査を多関節ロボット５００’が有する駆動機構のうち、駆動軸Ａ１だけを旋回させたり、駆動軸Ａ２だけを旋回させたりして実現してもよい。その場合、多関節ロボット５００’の先端の駆動軸Ａ３を回転駆動しない固定軸としてもよい。

また、形状計測装置１００_２において、プローブ先端部１６４から測定光３００ｂを出射するようにし、多関節ロボット５００’の駆動機構のうち、昇降部５１０だけを動かして、穴３１１の奥行プロファイルを測定することも可能である。この場合においては、駆動部位は１つだけで、高精度な測定光の走査が可能となる。なお、測定光３００ｂの向きは、プローブ先端部１６４の旋回角、または多関節ロボット５００’の駆動軸Ａ３の旋回によって任意に調整できる。また、この場合、対象物Ｔの外側面に測定光３００ｂを垂直に照射することにより、対象物Ｔの外側面の形状を測定することも可能である。

以下、形状計測装置１００_１，１００_２を個々に区別する必要なない場合、形状計測装置１００と称する。多関節ロボット５００，５００’についても同様とする。

＜形状計測装置１００を包含する計測システムの構成例＞
次に、図１０は、形状計測装置１００を包含する計測システムの構成例を示している。

該計測システムは、ＬＡＮ(Local Area Network)，ＷＡＮ(Wide Area Network)等のネットワークＮを介して接続された形状計測装置１００、製造装置７００、及びデータ処理装置７０１を備える。

形状計測装置１００は、上述した計測プローブ１６０、プローブ制御装置２００、多関節ロボット５００の他、ロボット制御装置２１５、表示装置２２０、形状データ処理装置２２１、及び全体制御装置２２５を備える。

形状計測装置１００において、全体制御装置２２５は、ロボット制御装置２１５に多関節ロボット５００を制御させるとともに、プローブ制御装置２００に計測プローブ１６０を制御させることにより、対象物Ｔの３Ｄ形状計測を行う。

また、全体制御装置２２５は、ロボット制御装置２１５から得た多関節ロボット５００の位置姿勢情報、及びプローブ制御装置２００から得た計測プローブ１６０による３Ｄ形状データを形状データ処理装置２２１に出力する。

形状データ処理装置２２１は、本発明の変換部、及び補正部に相当する。形状データ処理装置２２１は、多関節ロボット５００の位置姿勢情報、及び計測プローブ１６０からの３Ｄ形状データに基づいて、対象物Ｔの全体的な３Ｄ形状データを合成する。すなわち、計測プローブ１６０から得られる対象物Ｔの３Ｄ形状データは、計測プローブ１６０の測定時の位置姿勢に対する相対的なデータであるため、形状データ処理装置２２１は、多関節ロボット５００の位置姿勢情報から計測プローブ１６０の測定時の位置姿勢を計算し、３Ｄ形状データを基準座標系に変換することにより、対象物Ｔの全体的な３Ｄ形状データを合成する。

また、形状データ処理装置２２１は、得られた対象物Ｔの全体的な３Ｄ形状データ、または、対象物Ｔの個々の狭隘部位の３Ｄ形状データを解析して、対象物Ｔの設計情報に基づき、対象物Ｔの設計上の形状と実際の形状との誤差を計算したり、例えば、穴の深さ、径、ピッチ等の寸法情報を計算したり、円筒度、真直度、平面度等の幾何公差情報を計算したりする。

さらに、全体制御装置２２５は、形状データ処理装置２２１による計算結果を表示装置２２０に表示させる。

またさらに、全体制御装置２２５は、形状データ処理装置２２１による計算結果を、ネットワークＮを介してデータ処理装置７０１に出力する。データ処理装置７０１は、形状データ処理装置２２１による計算結果を記憶装置７０２に蓄積する。そして、データ処理装置７０１は、記憶装置７０２に蓄積した、形状データ処理装置２２１による計算結果に基づき、対象物Ｔの誤差を解析して、対象物Ｔを加工した製造装置７００を制御する。具体的には、データ処理装置７０１は、製造装置７００に対して、工具の交換を指示したり、工具サイズ補正量や加工パスや加工速度等の加工条件の変更を指示したりする。また、データ処理装置７０１は、製造装置７００に対して、仕上げ加工量の変更を指示したり、対象物Ｔを組み付ける組立工程に対して、組み付ける対象物Ｔどうしそれぞれの形状誤差を考慮して、組み付ける対象物Ｔの組み合わせを指定したりする。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えたり、追加したりすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１００_１，１００_２・・・形状計測装置、１５０・・・接続ケーブル、１６０・・・計測プローブ、１６１・・・レンズ系、１６２・・・回転機構、１６３，１６３’・・・光路切替素子、１６４・・・プローブ先端部、１６５・・・偏光状態制御部、１６６・・・偏光状態制御部駆動部、１９０・・・レンズ系、１９１・・・受光部、２００・・・プローブ制御装置、２１５・・・ロボット制御装置、２２０・・・表示装置、２２１・・・形状データ処理装置、２２５・・・全体制御装置、３３０・・・試料台、５００，５００’・・・多関節ロボット、５０１・・・端部、５０２・・・フランジ、５１０・・・昇降部、７００・・・製造装置、７０１・・・データ処理装置、７０２・・・記憶装置

Claims (12)

1. 複数の駆動軸を有する多関節ロボットと、
   前記多関節ロボットに取り付けられた非接触測距センサと、を備え、
   前記多関節ロボットは、前記複数の駆動軸のうち、所定の一軸だけを駆動することにより、前記非接触測距センサから射出された測定光を対象物に対して走査する
   形状計測装置。
2. 請求項１に記載の形状計測装置であって、
   前記多関節ロボットは、前記所定の一軸だけを旋回することによって前記非接触測距センサから射出された前記測定光を円弧状に走査する
   形状計測装置。
3. 請求項１に記載の形状計測装置であって、
   前記所定の一軸は、前記複数の駆動軸と、前記対象物の実体面、または前記対象物に対して想定される基準面との角度に基づいて決定される
   形状計測装置。
4. 請求項３に記載の形状計測装置であって、
   前記所定の一軸は、前記対象物の実体面、または前記対象物に対して想定される前記基準面と略垂直である
   形状計測装置。
5. 請求項１に記載の形状計測装置であって、
   前記多関節ロボットは、前記複数の駆動軸を駆動することにより、前記非接触測距センサと前記対象物との相対的な位置、及び姿勢の両方を変化させ得る
   形状計測装置。
6. 請求項１に記載の形状計測装置であって、
   対象物を載置する試料台、を備え、
   前記試料台は、前記多関節ロボットとの相対的な位置関係が固定されている
   形状計測装置。
7. 請求項１に記載の形状計測装置であって、
   前記非接触測距センサは、点までの距離を測定するレーザ測距センサ、または点までの距離を測定するレーザ光切断センサからなる
   形状計測装置。
8. 請求項２に記載の形状計測装置は、
   前記非接触測距センサの前記円弧状の走査に対応するプロファイルを、前記非接触測距センサの直線状の走査に対応するプロファイルに変換する変換部、を備える
   形状計測装置。
9. 請求項３に記載の形状計測装置は、
   前記所定の一軸の前記実体面、または前記基準面に対する傾きに起因して生じるプロファイルの歪みを補正する補正部、を備える
   形状計測装置。
10. 請求項１に記載の形状計測装置は、
    前記非接触測距センサは、前記所定の一軸の旋回軸と略平行な方向に前記測定光を射出する
    形状計測装置。
11. 請求項１に記載の形状計測装置は、
    前記非接触測距センサは、前記所定の一軸の旋回軸から、０．５度以上１０度以下の範囲で傾けた方向に前記測定光を射出する
    形状計測装置。
12. 複数の駆動軸を有する多関節ロボットと、
    前記多関節ロボットに取り付けられた非接触測距センサと、を備える形状計測装置による形状計測方法であって、
    前記多関節ロボットによる、前記複数の駆動軸のうち、所定の一軸だけを駆動することにより、前記非接触測距センサから射出された測定光を対象物に対して走査するステップ、
    を含む形状計測方法。

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