JP2918505B2

JP2918505B2 - ３次元形状計測装置

Info

Publication number: JP2918505B2
Application number: JP32164996A
Authority: JP
Inventors: 春生野間; 勉宮里
Original assignee: EI TEI AARU CHINO EIZO TSUSHIN KENKYUSHO KK
Current assignee: EI TEI AARU CHINO EIZO TSUSHIN KENKYUSHO KK
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 1999-07-12
Anticipated expiration: 2016-12-02
Also published as: JPH10160402A

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次元形状計測装
置に関し、特に、柔軟物体の３次元形状、弾性係数およ
び動摩擦係数を計測できる３次元形状計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の３次元形状計測装置としての３次
元デジタイザは、たとえば、「“３次元データの大量生
産を後押しする立体形状読取ツール”，日経コンピュー
タグラフィックス，１９９６，vol.７，pp.150-161」に
開示されている。この文献には、接触型の３次元デジタ
イザおよび非接触型の３次元デジタイザが開示されてい
る。

【０００３】接触型は、ペン状のセンサを物体に押し当
て、表面の空間座標を計測する。非接触型は、光の筋を
計測物に照射し、表面を伝う光線のうねりを画像解析し
て３次元データに変換する。干渉縞を使うタイプとレー
ザでスキャンするタイプの２種類がある。

【０００４】従来の接触型３次元デジタイザについて詳
しく説明する。図４は、従来の接触型３次元デジタイザ
の全体構成を示す概略ブロック図である。図４を参照し
て、従来の接触型３次元デジタイザは、コンピュータ３
５、基部３７、関節３９，４１，４３およびアーム４
５，４７，４９を備える。基部３７は、ｂ１軸の周りに
回転可能である。関節３９は、ｂ２軸の周りに回転可能
である。関節４１は、ｂ３軸の周りに回転可能である。
関節４３は、３軸自在継ぎ手を含む。アーム４９は、ス
イッチ５１を含む。基部３７および関節３９，４１，４
３は、角度センサを含む。

【０００５】動作について説明する。操作者（図示せ
ず）は、アーム４９の先端部を、対象物体（図示せず）
に押し付ける。コンピュータ３５は、このときの関節３
７，３９，４１，４３の角度センサからの情報をもと
に、アーム４９の先端部と対象物体との接触点の空間座
標を計算する。なお、スイッチ５１は、角度センサ情報
の取込みスイッチである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の接触型３次元デ
ジタイザでは、操作者がアーム１５の先端部Ａを、対象
物体へ押し付けることによって、形状を計測するため、
十分に硬い対象物体の立体形状しか計測できないという
問題点がある。つまり、従来の接触型３次元デジタイザ
では、十分に硬い対象物体ならば３次元位置情報を高精
度で得ることができるが、対象物体表面が人体のように
柔らかい場合は、アーム４９を対象物体に押し付けるこ
とにより対象物体の表面が変形してしまうため、正確な
対象物体の位置情報を計測できないという問題点があ
る。

【０００７】非接触型３次元デジタイザでは、形状およ
び表面の色（テクスチャ）しか計測できないという問題
点がある。

【０００８】この発明は、以上のような問題点を解決す
るためになされたもので、硬い対象物体のみならず、柔
らかい対象物体であっても、正確な形状を計測すること
ができる３次元形状計測装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】この発明の他の目的は、対象物体の弾性係
数を計測することのできる３次元形状計測装置を提供す
ることである。

【００１０】この発明のさらに他の目的は、対象物体の
表面の動摩擦係数を計測することのできる３次元形状計
測装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の３次
元形状計測装置は、第１のアームと、第２のアームと、
第３のアームと、第１の関節と、第２の関節と、第３の
関節と、制御手段とを備える。第３のアームの先端部
は、形状計測時に、対象物体に接触させる。基部は、位
置が固定され、１自由度を有する。第１の関節は、基部
と、第１のアームとの間に設けられ、１自由度を有す
る。第２の関節は、第１のアームと、第２のアームとの
間に設けられ、１自由度を有する。第３の関節は、第２
のアームと、第３のアームとの間に設けられ、３以下の
自由度を有する。制御手段は、基部、第１の関節および
第２の関節を制御する。

【００１２】基部、第１の関節および第２の関節は、そ
れぞれ、トルクを発生するトルク発生手段を含む。第２
のアームは、１個の力センサを含む。第３のアームは、
１個の力センサを含む。基部、第１の関節、第２の関節
および第３の関節は、それぞれ、角度を計測する角度セ
ンサを含む。２個の力センサは、操作者が第３のアーム
を対象物体に押し付ける第１の力および対象物が第３の
アームを押す第２の力を計測する。制御手段は、２個の
力センサからの情報に従って、第２の力が一定になるよ
うに、トルク発生手段を制御するとともに、角度センサ
の情報をもとに、対象物体の空間座標を計算する。

【００１３】本発明の請求項２の３次元形状計測装置
は、請求項１に記載のものであって、制御手段は、角度
センサからの情報をもとに、第３のアームを対象物体に
押し付けたときの押し込み距離を求め、この押し込み距
離と、力センサによって計測された第２の力とを用い
て、弾性係数を計算する。

【００１４】本発明の請求項３の３次元形状計測装置
は、請求項１に記載のものであって、制御手段は、力セ
ンサによって計測された第２の力において、対象物体の
表面に垂直な方向の成分と、対象物体の表面に沿った方
向の成分とを用いて、動摩擦係数を計算する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態によ
る３次元形状計測装置としての接触型３次元デジタイザ
の全体構成を示す概略ブロック図である。図１を参照し
て、この３次元デジタイザは、コンピュータ１、基部
３、関節５，７，９およびアーム１１，１３，１５を備
える。基部３は、軸ａ１の周りにトルクを発生するモー
タ（図示せず）と、角度を計測する角度センサ（図示せ
ず）とを含み、ａ１軸の周りに回転可能である。関節５
は、ａ２軸の周りにトルクを発生するモータ（図示せ
ず）と、角度を計測する角度センサ（図示せず）とを含
み、ａ２軸の周りに回転可能である。関節７は、ａ３軸
の周りにトルクを発生するモータ（図示せず）と、角度
を計測する角度センサ（図示せず）とを含み、ａ３軸の
周りに回転可能である。

【００１６】関節９は、３軸自在継ぎ手と、角度を計測
する角度センサ（図示せず）とを含む。アーム１３は、
アーム１３１，１３３および６軸の力センサ１７を含
む。アーム１３１と、アーム１３３とは、力センサ１７
によって接続される。アーム１５は、アーム１５１、ス
イッチ２１、６軸の力センサ１９および先端部１５３を
含む。先端部１５３と、アーム１５１とは、力センサ１
９によって接続される。ここで、基部３、関節５，７お
よびアーム１１，１３はロボットアームを構成する。こ
のロボットアームは、基部３および関節５，７のモータ
により、関節９に作用する反力を生成することができ
る。スイッチ２１をオンにすることによって、基部３お
よび関節５〜９の角度センサの情報が、コンピュータ１
に取込まれる。

【００１７】実施の形態による３次元デジタイザでは、
利用者が、先端部１５３を、対象物体の表面に接触させ
て、基部３および関節５〜９の角度センサからの情報に
より、先端部１５３の先端の位置情報、つまり、対象物
体表面の位置情報を得る。ここで、対象物体の表面の位
置情報とは、対象物体表面の空間座標のことである。こ
のようにして、対象物体の３次元形状を計測する。な
お、角度センサからの角度情報に基づいて、対象物体の
表面の空間座標を計算するのはコンピュータ１である。

【００１８】動作について詳しく説明する。図２は、図
１の接触型３次元デジタイザの動作を説明するための図
である。なお、図１と同様の部分にはついては同一の参
照符号を付しその説明は適宜省略する。柔軟物体は、先
端部１５３と、物体表面２５との接触点の近傍において
は、硬い物体内部２７と、表面層２９からなる二重構造
で定義することができる。この表面層２９は、表面２５
および、複数の線形ばね３１およびダンパー３３で定義
でき、表面２５と、物体内部２７とは、複数の線形ばね
３１および複数のダンパー３３を介して接続される。

【００１９】操作者２３が、３次元デジタイザの先端部
１５３を、物体表面２５に押し付けると、押し付け力が
Ｆｈに応じて表面は変形する。従来の接触型３次元デジ
タイザ（図４参照）では、この押し付け力Ｆｈは、操作
者によって作用されているため一定に保てず、柔軟物体
の表面位置計測が困難である。本発明による実施の形態
では、２個の力センサ１７，１９を用いて、操作者２３
が、対象物体を押し付ける力Ｆｈおよび対象物体が先端
部１５３を押す力Ｆｏを常に計測する。ロボットアーム
は、基部３および関節５，７のモータのトルクを制御す
ることで、関節９に作用する反力Ｆｍを制御可能であ
る。したがって、アーム１０（アーム１５１、先端部１
５３、スイッチ２１および力センサ１９からなる）にお
ける力の釣合い式

【００２０】

【数１】

【００２１】により、力フィードバック制御を用いて、
操作者２３が先端部１５３を対象物に押し付ける力Ｆｈ
が変化しても、対象物体が、先端部１５３を押す力Ｆｏ
を一定に保つことができる。これによって、柔軟物体で
あっても、操作者が特に、対象物体を先端部１５３で押
し付ける力Ｆｈに気を配ることなしに、表面形状を正確
に計測することができる。

【００２２】力センサ１７，１９により、接触状況の判
定を行ない、すなわち、先端部１５３が対象物体に接触
したかどうかの判定を行なう。そして、基部３および関
節５〜９の角度センサにより先端部１５３を対象物体に
押し付けたときの押し込み距離Ｌを計測するとともに、
力センサ１７，１９により対象物体の先端部１５３を押
す力Ｆｏを計測すれば、フックの法則に従いシミュレー
ションモデルにおける接触点の剛性情報である弾性係数
ｋを算出できる。具体的には、コンピュータ１が、基部
３および関節５〜９の角度センサからの角度情報をもと
に押し込み距離Ｌをもとめ、この押し込み距離Ｌと、力
センサ１７，１９から得られた対象物体が先端部１５３
を押す力Ｆｏとを用いて、次式により弾性係数ｋを算出
する。

【００２３】

【数２】

【００２４】ここで、弾性係数ｋが、対象物体のすべて
の部分で一定とすると、先端部１５３を対象物体に押し
付けて形状計測を行なう場合であっても、実質上、先端
部１５３を対象物体に全く押し付けない状態での表面位
置の算出が可能となる。

【００２５】図３は、図１の接触型３次元デジタイザの
他の動作を説明するための図である。なお、図１および
図２と同様の部分については同様の参照符号を付しその
説明は適宜省略する。

【００２６】図３を参照して、先端部１５３を、常に物
体表面２５に接触させたまま滑らせ、対象物体が先端部
１５３を押す力Ｆｏ（図２参照）の物体表面２５に垂直
な方向の成分Ｆｎおよび力Ｆｏの物体表面２５に沿った
方向の成分Ｆｖを、力センサ１７，１９によって計測す
る。コンピュータ１（図１参照）は、この力Ｆｎおよび
力Ｆｖを用いて、次式により接触点の動摩擦係数εを計
算する。なお、矢印Ａは、先端部１５３が進行する方向
を示している。

【００２７】

【数３】

【００２８】このようにして動摩擦係数εを求めるとき
も、ロボットアームからの反力により力Ｆｎが大きく変
動しないように制御をかけることで、動摩擦係数εを安
定して計測できる。

【００２９】以上のように、実施の形態による接触型３
次元デジタイザでは、先端部１５３を、対象物体の表面
２５に押し当て、リンク機構の角度センサ情報から接触
点の位置情報を得ている。この点は、従来の接触型３次
元デジタイザと同じである（図４参照）。しかし、実施
の形態による接触型３次元デジタイザでは、力センサ１
７，１９と、ロボットアームによる反力提示機能を組合
せ、操作者が先端部１５３に加えた力Ｆｈを補正して、
対象物体が先端部１５３を押す力Ｆｏを一定に保ってい
る。したがって、従来の接触型３次元デジタイザでは形
状計測が困難であった人体のような柔軟物体であって
も、正確な形状計測を行なうことができる。さらに、先
端部１５３を接触させた後の対象物体の変形量Ｌおよび
先端部１５３を対象物体が押す力Ｆｏの計測により、接
触点の剛性（弾性係数ｋ）を計測できる。さらに、対象
物体に接触したまま先端部１５３を動かし、先端部１５
３を対象物体が押す力Ｆｏの物体表面２５に垂直な方向
の成分Ｆｎおよび力Ｆｏの物体表面２５に沿った方向の
成分Ｆｖを計測することにより、接触部の表面動摩擦係
数εを得ることができる。

【００３０】さらに、従来の接触型３次元デジタイザで
は、リンク機構（基部３７、関節３９〜４３およびアー
ム４５〜４９、図４参照）の重量や、基部３７および関
節３９，４１の摩擦により操作時に疲労が伴うが、実施
の形態による３次元デジタイザでは、基部３および関節
５，７のモータの駆動により、操作者が感じる重量や摩
擦を軽減させることができ、疲れにくい操作環境を実現
できる。さらに、従来の接触型３次元デジタイザのよう
な視覚的な形状だけでなく、触感を含んだ情報を保存す
ることができるため、医療分野や博物学分野などでの展
開が期待できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の請求項１に記載の３次元形状計
測装置では、対象物体が第３のアームを押す第２の力が
一定になるようにトルク発生手段を制御する。このた
め、対象物体が柔軟であっても、正確な形状計測が可能
となる。さらに、基部、第１の関節および第２の関節
は、それぞれ、トルク発生手段を含むため、操作者が感
じる重量や摩擦を軽減できる。

【００３２】本発明の請求項２の３次元形状計測装置で
は、対象物体の形状だけでなく、弾性係数、つまり、剛
性情報をも得ることができる。

【００３３】本発明の請求項３の３次元形状計測装置で
は、対象物体の形状だけでなく、動摩擦係数をも得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による接触型３次元デジタ
イザの全体構成を示す概略ブロック図である。

【図２】図１の接触型３次元デジタイザの動作を説明す
るための図である。

【図３】図１の接触型３次元デジタイザの他の動作を説
明するための図である。

【図４】従来の接触型３次元デジタイザの全体構成を示
す概略ブロック図である。

【符号の説明】

１，３５コンピュータ３，３７基部５〜９，３９〜４３関節１１〜１５，４５〜４９，１３１，１３３，１５１ア
ーム１７，１９力センサ２１，５１スイッチ２３操作者２５物体表面２７物体内部２９表面層３１線形ばね３３ダンパー１５３先端部ａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３軸Ｌ押し込み距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−217933（ＪＰ，Ａ) 特開平６−3138（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 5/00 - 5/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のアームと第２のアームと、形状計測時に、対象物体に接触させる第３のアームと、位置が固定され、１自由度を有する基部と、前記基部と、前記第１のアームとの間に設けられ、１自
由度を有する第１の関節と、前記第１のアームと、前記第２のアームとの間に設けら
れ、１自由度を有する第２の関節と、前記第２のアームと、前記第３のアームとの間に設けら
れ、３以下の自由度を有する第３の関節と、前記基部、前記第１の関節および前記第２の関節を制御
する制御手段とを備え、前記第２のアームは、１個の力センサを含み、前記第３のアームは、１個の力センサを含み、前記基部、前記第１の関節および前記第２の関節は、そ
れぞれ、トルクを発生するトルク発生手段を含み、前記基部、前記第１の関節、前記第２の関節および前記
第３の関節は、それぞれ、角度を計測する角度センサを
含み、前記２個の力センサは、操作者が前記第３のアームを前
記対象物体に押し付ける第１の力および前記対象物が前
記第３のアームを押す第２の力を計測し、前記制御手段は、前記２個のセンサからの情報に従っ
て、前記第２の力が一定になるように前記トルク発生手
段を制御するとともに、前記角度センサからの情報をも
とに、前記対象物体の空間座標を計算する、３次元形状
計測装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記角度センサからの
情報をもとに、前記第３のアームを前記対象物体に押し
付けたときの押し込み距離を求め、この押し込み距離
と、前記力センサによって計測された前記第２の力とを
用いて、弾性係数を計算する、請求項１に記載の３次元
形状計測装置。
【請求項３】前記制御手段は、前記力センサによって
計測された前記第２の力において、前記対象物体の表面
に垂直な方向の成分と、前記対象物体の表面に沿った方
向の成分とを用いて、動摩擦係数を計算する、請求項１
に記載の３次元形状計測装置。