JP4754298B2 - Three-dimensional coordinate determination method, inking method and positioning method using laser light - Google Patents
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Description
本発明は、レーザー光を用いる三次元座標決定方法およびそれを用いた墨出し方法および位置決め方法に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional coordinate determination method using laser light, a marking method and a positioning method using the same .
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。 In the past, ink marking was generally performed using a surveying instrument to scrub the floor or walls manually. However, this method applies ink to the floor or the like according to the operator of the surveying instrument and its instructions. It was a work that required a minimum of two workers with an injured person.
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。 By the way, in recent years, a surveying instrument using a laser beam has been developed, and if this surveying instrument is used, the operation and scribing of the surveying instrument can be performed by one worker. For example, in a surveying instrument that uses red laser light, if the surface of the survey object is irradiated with red laser light, a red laser spot will be displayed. You can make inking.
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。 In other words, the rotary laser level generally known for laser surveying instruments uses the fact that a horizontal plane can be formed in space by rotating and irradiating laser light in the horizontal direction. When the rotational speed of the laser spot is increased, a horizontal line is left as an afterimage of light. Therefore, the afterimage of the light remaining horizontally is visually recognized as an inking line.
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。 Also, without rotating the laser surveying instrument, a vertical cylindrical lens [(cylindrical lens): the incident light is changed in the width direction (curvature direction) of the lens, and the length direction is changed. By passing the laser light through a lens that forms a linear beam without any other means, it is possible to spread the sport light in a fan shape and obtain a light-out line of light in a state of being irradiated on the wall.
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。 A surveying instrument called a total station can measure the three-dimensional coordinates from the distance and direction to the target object by combining a conventional transit and a light wave rangefinder. It is also possible to position the target prism at an arbitrary coordinate in the space by obtaining a three-dimensional coordinate from a total station that can automatically track the.
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。 The prior art is generally performed by those skilled in the art, and is not related to a known literature invention.
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。 Some conventional surveying and marking methods can use laser light to obtain three-dimensional coordinates, but laser light cannot be seen as a light line from the side in space. Because the presence of light can be recognized as spot light only after irradiating an object, laser light can be seen only when it is irradiated to an object such as a floor or a wall. The coordinate point could not be visually recognized as a laser beam.
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。 However, in the state where fine particles such as dust and mist are floating in the space, the laser light is scattered one after another by hitting the fine particles on the optical path, and thus the laser optical path can be recognized as a light line in the space. It is not practical to float such fine particles in the work space.
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。 The most convenient and effective method for making it possible to visually recognize the optical path of a laser beam that is normally invisible is dedicated glasses. However, at present, there is no actual method for viewing laser light in space from a free angle like a wire frame image. There is also a method of virtual display using a laser light detection sensor as an easy method instead of this method, and this is not a method in which laser light can be directly visually recognized.
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決定方法および墨出し方法および位置決め方法を提供することにある。 The present invention eliminates the inconveniences of the conventional example, and makes it possible to easily and directly view the optical path of laser light in a space that is not normally visible without causing fine particles to float in the work space. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional coordinate determination method, an inking method, and a positioning method using a laser beam that can easily obtain an original coordinate or an inking position, or that facilitate positioning of an object to be measured.
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を決定することを要旨とするものである。 According to the first aspect of the present invention, an optical path visualization module in which a substance that scatters or develops light is enclosed is arranged, and an intersection of optical paths of laser light irradiated from two directions is formed in the optical path visualization module. The gist is to determine the three-dimensional coordinates of the space by arranging an arm with the reference point as the reference point and the tip as the measurement coordinate point with respect to the reference point, and specifying the tip three-dimensionally. .
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位置を決定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。 According to the first aspect of the present invention, the presence of the optical path visualization module makes it possible to visually recognize the laser light as a light line from the side, and the optical path of the laser light irradiated from two directions in the optical path visualization module. Can be formed. This intersection can be visually recognized, and the three-dimensional coordinates in the space are found. In addition to this, the tip of the optical path visualization module is set as a reference point, and an arm whose tip is a measurement coordinate point or marking position is arranged with respect to the reference point. Therefore, it is possible to determine an arbitrary three-dimensional coordinate position existing in the space. That is, it can be marked on the space.
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。
The gist of the present invention described in
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。 According to the second aspect of the present invention, the arm is a telescopic pole fixed to the optical path visualization module housing, so that the intersection of the optical paths in the optical path visualization module is used as a reference point, and relative coordinates with respect to that point are used. It becomes easier to specify the tip of the pole three-dimensionally.
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。
The gist of the present invention described in
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。 According to the third aspect of the present invention, it is possible to specify the direction of the tip three-dimensionally by attaching a triaxial angle inclinometer.
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。
The gist of the present invention described in
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。 According to the fourth aspect of the present invention, a multi-indirect arm used in a three-dimensional digitizer or the like is applied to a serial link mechanism (for example, a welding robot) of a polar coordinate system, and has flexibility and redundancy. Can be used.
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。
The gist of the present invention described in
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る。 According to the fifth aspect of the present invention, the center point that is the spherical center position of the optical path visualization module is held fixed by the gimbal mechanism. Therefore, if this center point is the basic coordinate, it is easy and reliable from here. Arbitrary three-dimensional coordinates can be obtained.
請求項6記載の本発明は、レーザー光を用いる墨出し方法として、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の三次元座標決定方法を用い、算出される三次元座標値を所定の値に合致させて、所定の三次元墨出位置を得ることを要旨とするものである。
The present invention according to
請求項6記載の本発明によれば、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、空間内での墨出しが容易に行える。According to the sixth aspect of the present invention, the three-dimensional coordinates in the space can be easily obtained, and the construction position of the building material in the space and the marking in the space can be easily performed.
請求項7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。 In the seventh aspect of the present invention, an optical path visualization module in which a substance that scatters or develops light is encapsulated is attached to an object to be measured, and the intersection of the optical paths of laser light irradiated from two directions to the optical path visualization module is determined. The gist is to form.
請求項7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。 According to the seventh aspect of the present invention, for example, when an optical path visualization module is attached to a building material to be positioned as an object to be measured, positioning in the space can be easily performed when the building material is built.
請求項8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。
The gist of the present invention described in
請求項8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。
According to the present invention of
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決定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。 As described above, the three-dimensional coordinate determination or marking method and positioning method using the laser beam according to the present invention can visually recognize the optical path of the laser beam in a space that is not normally visible without floating fine particles in the work space. Therefore, multiple people can see from various angles at the same time and it is reliable. By using this method, 3D coordinates in space can be easily obtained, and building materials are built in space. This makes it easy to survey the position and 3D position in space.
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決定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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing a first embodiment of a three-dimensional coordinate determination or marking method using laser light according to the present invention. The present invention produces and uses an optical
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。
The optical
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。
The optical
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。
In this case, in order to obtain more remarkable visibility, it is preferable to use a fluorescent material that reacts with the
かかる光路可視化モジュール1を空間での三次元座標決定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。
When such an optical
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。
The
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。
In the illustrated example, the
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。
In order to calculate the three-dimensional coordinates or the marking position using the optical
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。 If the calculated three-dimensional coordinate value matches a predetermined value, a predetermined three-dimensional inking position can be obtained.
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。
In the above embodiment, the
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。 FIGS. 2 and 3 show the second embodiment. In the same manner as the first embodiment, a three-dimensional reference black coordinate is confirmed, and an arbitrary three-dimensional coordinate obtained relatively from this coordinate is obtained. There is a gimbal mechanism.
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。
The optical
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。
An
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。
In the figure,
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。
In order to calculate the three-dimensional coordinates using this optical
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。
Three-dimensional reference black (X, Y, Z coordinates) coordinates are calculated from the coordinate value of the center point 12. Even if the
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。
Therefore, assuming that the center point 12 is a three-dimensional basic coordinate, the length of the
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。
As another embodiment, a case will be described in which such an optical
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。
The optical paths of the
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。
If the
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。
Although illustration is omitted, when the optical
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。 It is also possible to use laser light as a surface using a cylindrical lens.
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
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