JP6285146B2

JP6285146B2 - アーム型三次元測定機及びアーム型三次元測定機を支持する基部の傾斜補正方法

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Publication number: JP6285146B2
Application number: JP2013224756A
Authority: JP
Inventors: 後藤　智徳; 智徳後藤
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: CN104567773A; DE102014221849A1; CN104567773B; US20150113820A1; US9631915B2; JP2015087186A

Description

本発明は、アーム型三次元測定機及びアーム型三次元測定機を支持する基部の傾斜補正方法に係り、特に、ワークの測定中に多関節アーム機構の姿勢が変化して多関節アーム機構を支持する基部が傾斜しても、計測を中断させることなくワークを高精度に計測可能なアーム型三次元測定機及びアーム型三次元測定機を支持する基部の傾斜補正方法に関する。

従来、特許文献１に示すような手動操作のアーム型三次元測定機が用いられている。このアーム型三次元測定機は、先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有している。また、このアーム型三次元測定機は、傾斜計を備えている。このため、このようなアーム型三次元測定機においては、傾斜計の出力に基づきアーム型三次元測定機の傾斜状態を検出することでアーム型三次元測定機が正しく設置されていない場合、あるいは、設置場所が安定していない場合等を評価することが可能とされている。

ＷＯ２０１１／０９０９００Ａ１号公報

アーム型三次元測定機はその扱いやすさから、簡易的に設置されることが多い。即ち、アーム型三次元測定機は必ずしも安定した状態で設置されるとは限らず、その際には、多関節アーム機構の姿勢の変化で測定時にその重心位置が頻繁に変化し、多関節アーム機構を支持する基部が頻繁に傾斜するおそれがある。その際にはその傾斜でプローブの位置に誤差を生じるおそれがでてくる。

これに対し、特許文献１のアーム型三次元測定機においては、アーム型三次元測定機の傾斜状態を検出し、傾斜して安定していないと判断した際には、測定を中断する構成となっている。即ち、特許文献１のアーム型三次元測定機では、傾斜して安定していない際には、高精度に測定を行うどころか測定そのものを継続することさえできない。

本発明は、前記の問題点を解決するべくなされたもので、ワークの測定中に多関節アーム機構の姿勢が変化して多関節アーム機構を支持する基部が傾斜しても、計測を中断させることなくワークを高精度に計測可能なアーム型三次元測定機及びアーム型三次元測定機を支持する基部の傾斜補正方法を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有するアーム型三次元測定機であって、前記多関節アーム機構を支持する基部に、該基部の鉛直方向からの傾斜量を検出する傾斜計と、該基部の平行移動量を検出する変位計と、を備え、前記処理部が、前記基部を基準とする前記プローブの位置を演算し、前記傾斜計及び前記変位計からの出力に基づき前記基部を基準とする前記プローブの位置を逐次補正する、あるいは該プローブの位置の全てを演算後にまとめて補正することにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記基部を基準とする前記プローブの位置の時系列的な補正を、前記鉛直方向を基準とする重力座標系と前記基部を基準とする基部座標系との間の前記傾斜量から求められる座標変換行列で行うようにしたものである。

本願の請求項３に係る発明は、前記基部を三脚台で支持するようにしたものである。

本願の請求項４に係る発明は、先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有するアーム型三次元測定機を支持する基部の傾斜補正方法であって、前記基部を基準とする前記プローブの位置を演算する工程と、前記基部の鉛直方向からの傾斜量と該基部の平行移動量とに基づき前記基部を基準とする前記プローブの位置を逐次補正する、あるいは該プローブの位置の全てを演算後にまとめて補正する工程と、を含むようにしたものである。

本発明によれば、ワークの測定中に多関節アーム機構の姿勢が変化して多関節アーム機構を支持する基部が傾斜しても、計測を中断させることなくワークが高精度に計測可能となる。

本発明の実施形態に係るアーム型三次元測定機の一例を示す模式図図１の構成ブロックの一例を示す模式図アーム型三次元測定機を支持する基部の傾斜した状態の一例を示す模式図処理部で行う処理手順の一例を示すフローチャート

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

本発明に係る実施形態について、図１から図４を用いて説明する。

最初に、本実施形態に係るアーム型三次元測定機１００の構成を説明する。

アーム型三次元測定機１００は、図１に示す如く、多関節アーム機構１０４と、処理部１２２と、を有する。なお、本実施形態では図示されていないが、アーム型三次元測定機１００には処理装置や表示装置や入力装置が接続されていてもよい。また、アーム型三次元測定機１００で図示せぬワークＷの三次元形状を測定する際には、作業者は、プローブヘッド１０６（図１）を直接掴んで操作する。即ち、作業者は、ワークＷに対してプローブ１０２を自由な方向から近づけることができ、自由な角度で接触させることが可能である。

前記多関節アーム機構１０４は、図１に示す如く、先端にプローブ１０２を備えている。多関節アーム機構１０４は、そのプローブ１０２を保持するプローブヘッド１０６と、プローブヘッド１０６を保持する第１関節１０８と、第１関節１０８を支持する第１アーム１１０と、第１アーム１１０を支持する第２関節１１２と、第２関節１１２を支持する第２アーム１１４と、第２アーム１１４を支持する第３関節１１６と、第３関節１１６を支持する支柱１１８と、を備える。そして、第１関節１０８、第２関節１１２、第３関節１１６はそれぞれ、互いに直交する軸方向で回転可能とされている。つまり、第１関節１０８にはエンコーダ１０８Ａ、１０８Ｂ、第２関節１１２にはエンコーダ１１２Ａ、１１２Ｂ、第３関節１１６にはエンコーダ１１６Ａ、１１６Ｂが内蔵されている。エンコーダ１０８Ａ、１０８Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１６Ａ、１１６Ｂはそれぞれ、回転角度が検出可能なロータリー型とされている（図１で示される実線両矢印がそれぞれの回転方向を示す）。つまり、本実施形態の多関節アーム機構１０４の軸（回転軸）は、６軸とされている（これに限定されず、多関節アーム機構１０４の軸は７軸などであってもよい）。支柱１１８は、図示せぬワークＷの置かれる作業台等に直接的に配置される基部１２０に垂直に立設されている（図１の破線は三脚台１３０を示しており、三脚台１３０を介して多関節アーム機構１０４が作業台等に配置されている）。つまり、基部１２０は、多関節アーム機構１０４を支持している。プローブ１０２は、その先端（プローブ先端）１０２Ａがボールとされた接触式のボールプローブである。

前記処理部１２２は、図１に示す如く、傾斜計１２４と共に基部１２０に備えられている（これに限らず、処理部１２２は、アーム型三次元測定機１００の外部に設けられていてもよい）。処理部１２２は、図２に示す如く、演算部１２２Ａと記憶部１２２Ｂとを有する。つまり、処理部１２２は、演算部１２２Ａで演算した結果を記憶部１２２Ｂに記憶したり、記憶部１２２Ｂに記憶されたデータを読み出して演算部１２２Ａで演算したりすることができる。処理部１２２は、エンコーダ１０８Ａ、１０８Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１６Ａ、１１６Ｂ及び傾斜計１２４に接続されている。ここで、プローブ１０２、多関節アーム機構１０４並びに基部１２０の長さ及び位置関係は予め明確にされている。そして、プローブ１０２のプローブ先端１０２Ａのボールの形状が明確とされていることから、このボールの中心座標値に対してボールの半径分のオフセット処理を行うことで、ボールとワークＷとの接触位置を正確に計測することが可能である。つまり、処理部１２２では、第１〜第３関節１０８、１１２、１１６に内蔵されたエンコーダ１０８Ａ、１０８Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１６Ａ、１１６Ｂの出力に基づき（基部１２０を基準とする）プローブ１０２（のプローブ先端１０２Ａ）の位置が正確に演算される。このとき、プローブ先端１０２Ａの位置を示す行列Ｍは、各回転軸における座標変換行列Ｍ_k ^k+1（ｋ＝ｂａｓｅ、１〜６、ｅｎｄ）を用いると、アーム型三次元測定機１００が６軸の多関節アーム機構１０４であることから、式（１）のように表現される。

なお、符号Ｍ_base ¹はベース面に決めた座標系の基準となる基部１２０と、１番目の回転軸となるエンコーダ１１６Ｂの回転軸との間の座標変換行列、符号Ｍ₆ ^endは多関節アーム機構１０４の６軸目となるエンコーダ１０８Ａの回転軸とプローブ先端１０２Ａとの間の座標変換行列、をそれぞれ示している。

なお、傾斜計１２４は、図３に示す如く、鉛直方向（Ｚ方向）を基準としたＸＹＺ座標系（重力座標系）と基部１２０を基準とするＸ’Ｙ’Ｚ’座標系（基部座標系＝ベース面に決めた座標系）とが一致しているときには、基部１２０が傾斜していない状態（実線で描かれたアーム型三次元測定機１００の状態）となるので、例えば信号を出力しない。もし、ＸＹＺ座標系とＸ’Ｙ’Ｚ’座標系とが一致していないときには、基部１２０が傾斜している状態（破線で描かれたアーム型三次元測定機１００の状態）となるので、傾斜計１２４は例えばその傾斜量に応じた信号を出力する。即ち、傾斜計１２４は基部１２０の鉛直方向からの傾斜量（２軸方向）を検出するようにされている。このため、処理部１２２は、基部１２０を基準とするプローブ先端１０２Ａの位置を正確に演算して、その結果を傾斜計１２４からの出力に基づき時系列的に補正することで、ベース面に決めた座標系の基準となる基部１２０が傾斜した状態となってもプローブ先端１０２Ａの位置を正確に求めることができる（なお、時系列的に補正するとは、演算されたプローブ先端１０２Ａの位置を逐次補正してもよいし、傾斜計１２４からの出力を順次記憶しておき、プローブ先端１０２Ａの位置を全て演算後に、まとめて補正してもよい）。ここで、基部１２０の傾斜を表す座標変換行列を符号Ｍ_gravity ^baseで表すと、補正されたプローブ先端１０２Ａの位置を示す行列Ｍtrueは、各回転軸における座標変換行列Ｍ_k ^k+1（ｋ＝ｂａｓｅ、１〜６、ｅｎｄ）を用いると、式（２）のように表現される。

処理部１２２は、プローブ１０２の位置が変更となるたびに、プローブ１０２の位置を時系列的に演算する。あるいは、一定周期で、プローブ１０２の位置を時系列的に演算する。

次に、本実施形態のアーム型三次元測定機１００における処理部１２２で行う処理手順の一例を、図４を用いて以下に説明する。

最初に、ワークＷにおける所定位置の座標をプローブ先端１０２Ａで計測し、基部１２０を基準とするプローブ１０２の位置の演算を行う（ステップＳ２）。即ち、各エンコーダ１０８Ａ、１０８Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１６Ａ、１１６Ｂの出力に基づき、式（１）を用いてプローブ１０２の位置の演算を演算部１２２Ａで行い、その結果を記憶部１２２Ｂに一時的に記憶する。

次に、基部１２０の傾斜の有無を判断する（ステップＳ４）。具体的には、傾斜計１２４の出力の有無を演算部１２２Ａで判断する。この傾斜計１２４の出力は、各エンコーダ１０８Ａ、１０８Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１６Ａ、１１６Ｂの出力がなされたときに同時に行うことが可能とされている。傾斜計１２４の出力がない場合には（ステップＳ４でＮｏ）、求められた基部１２０を基準とするプローブ１０２の位置を処理部１２２からそのまま出力する（ステップＳ１０）。

傾斜計１２４の出力がある場合には（ステップＳ４でＹｅｓ）、傾斜計１２４の出力に基づき基部１２０の傾斜量を演算部１２２Ａで演算する（ステップＳ６）。そして、符号Ｍ_gravity ^baseを求める。そして、プローブ１０２の位置の補正演算を行う（ステップＳ８）。具体的には、記憶部１２２Ｂから基部１２０を基準とするプローブ１０２の位置を読み出し、符号Ｍ_gravity ^baseの値を用いて、式（２）で示されるプローブ１０２の位置を求める。即ち、処理部１２２は、傾斜計１２４からの出力に基づき、基部１２０を基準とするプローブ１０２の位置を時系列的に補正している。そして、そのプローブ１０２の位置を処理部１２２から出力する（ステップＳ１０）。

このように本実施形態においては、多関節アーム機構１０４を支持する基部１２０に、基部１２０の鉛直方向からの傾斜量を検出する傾斜計１２４を備えている。そして、処理部１２２は、傾斜計１２４からの出力に基づき、鉛直方向を基準とする重力座標系のプローブ１０２の位置に時系列的に補正している。即ち、計測中に基部１２０が傾斜しても、基部１２０の傾斜の状態とは関係なく、プローブ１０２の位置の演算が継続される。

そして、基部１２０が傾斜していれば、プローブ１０２の位置は傾斜計１２４からの出力に基づき鉛直方向を基準とする重力座標系へ補正演算がなされるので、プローブ１０２の位置の補正を正確に且つ迅速に行うことができる。具体的には、まずＸ’Ｙ’Ｚ’座標系で基部１２０を基準とするプローブ１０２の位置を演算している。そして、傾斜計１２４の出力である傾斜量からＸＹＺ座標系とＸ’Ｙ’Ｚ’座標系との間の座標変換行列Ｍ_gravity ^baseを求め、その座標変換行列Ｍ_gravity ^baseにより基部１２０を基準とするプローブ１０２の位置の時系列的な補正をして鉛直方向を基準とするＸＹＺ座標系におけるプローブ１０２の位置を演算している。これによって、基部１２０を基準とするプローブ１０２の位置を、多関節アーム機構１０４の姿勢によって変わりうる基部１２０の傾斜量でリアルタイムに補正することができ、高精度な計測を行うことができる。

なお、上記実施形態においては、基部１２０の傾斜だけに着目したが、アーム型三次元測定機１００は、多関節アーム機構１０４の姿勢や作業者からの外力の影響によって基部１２０が傾斜するだけなく、変位（平行移動）を伴う場合も生じる。しかし、計測精度に与える影響は、一般的には傾斜による変化の方が大きいことと、必要に応じて基部１２０を固定すれば変位は小さいこと、などから本実施形態では変位の影響については考慮していない。もちろん、傾斜計１２４以外に、変位計を基部１２０に設けて、傾斜と共に変位も検出してもよい。その場合には、プローブ１０２の位置をより高精度に補正することが可能になる。

即ち、本実施形態においては、ワークＷの測定中に多関節アーム機構１０４の姿勢が変化して多関節アーム機構１０４を支持する基部１２０が傾斜しても、計測を中断させることなくワークＷを高精度に計測することが可能となる。

本発明について上記実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、図１で示す如く、プローブ１０２がボールプローブとされていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、プローブ１０２がタッチ信号プローブなどの接触式プローブであってもよい。あるいは、プローブ１０２がラインレーザ等を用いた非接触式プローブなどであってもよい。

また、上記実施形態においては、基部１２０が直接作業台等に配置されることを想定しているが、図１の基部１２０が図１の破線で示す如く三脚台１３０で支持されていてもよい。その際には、作業台に３つの脚の先端部分だけの領域を設けるだけで、３つの脚の間の空間の状態に影響なくアーム型三次元測定機１００を配置することが可能となる。

また、上記実施形態においては、傾斜計１２４の出力の有無で基部１２０の傾斜の有無を判断していたが、本発明はこれに限定されず、傾斜計１２４の出力状態の変化等で基部１２０の傾斜の有無を判断してもよい。

本発明は、先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有するアーム型三次元測定機に広く適用することができる。

１００…アーム型三次元測定機
１０２…プローブ
１０２Ａ…プローブ先端
１０４…多関節アーム機構
１０６…プローブヘッド
１０８、１１２、１１６…関節
１０８Ａ、１０８Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１６Ａ、１１６Ｂ…エンコーダ
１１０、１１４…アーム
１１８…支柱
１２０…基部
１２２…処理部
１２２Ａ…演算部
１２２Ｂ…記憶部
１２４…傾斜計
１３０…三脚台

Claims

先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有するアーム型三次元測定機であって、
前記多関節アーム機構を支持する基部に、該基部の鉛直方向からの傾斜量を検出する傾斜計と、該基部の平行移動量を検出する変位計と、を備え、
前記処理部は、前記基部を基準とする前記プローブの位置を演算し、前記傾斜計及び前記変位計からの出力に基づき前記基部を基準とする前記プローブの位置を逐次補正する、あるいは該プローブの位置の全てを演算後にまとめて補正することを特徴とするアーム型三次元測定機。
前記基部を基準とする前記プローブの位置の時系列的な補正は、前記鉛直方向を基準とする重力座標系と前記基部を基準とする基部座標系との間の前記傾斜量から求められる座標変換行列でなされることを特徴とする請求項１に記載のアーム型三次元測定機。
前記基部は三脚台で支持されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアーム型三次元測定機。
先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有するアーム型三次元測定機を支持する基部の傾斜補正方法であって、
前記基部を基準とする前記プローブの位置を演算する工程と、
前記基部の鉛直方向からの傾斜量と該基部の平行移動量とに基づき前記基部を基準とする前記プローブの位置を逐次補正する、あるいは該プローブの位置の全てを演算後にまとめて補正する工程と、
を含むことを特徴とするアーム型三次元測定機を支持する基部の傾斜補正方法。