JP7272636B2 - 精密測定装置及び移動型精密計測ロボット - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 平成３０年１０月５日長岡技術科学大学において開催されたＴｈｅ ７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧＩＧＡＫＵ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ Ｎａｇｏｙａで発表

本発明は、可搬型の精密測定装置、及び精密測定装置を備えた移動型精密計測ロボットに関する。

被測定物の表面粗さや微細表面形状などの表面性状を精密に測定する装置において、可搬型のものが知られている。例えば特許文献１に示す可搬型の表面性状測定機は、スタイラスを備える触針式の測定機であり、スタイラスやスタイラスの駆動部及び計測回路などを備える駆動検出部をスタイラスが被測定物に接触するように配置して被測定物の表面性状をその場で測定するようになっている。

特開２０１３－１９５２１６号公報

上述のような可搬型の精密測定装置は、据え置き型の精密測定装置に比べて重量が小さく設計されており、様々な場所に持ち運んで測定が行えるという利便性を有する。しかしながらその一方で、重量が小さいことにより、測定時の周囲の振動やスタイラスを駆動させる駆動部などの内部の振動などの影響を受けやすく、測定精度が低下しやすいという問題を有する。また、人が入れないような狭い場所や危険な場所での表面特性の測定が必要な場合には、移動型のロボットに精密測定装置を搭載してロボットを測定場所にまで移動させてその場で測定を行うようにすることも考えられる。移動型のロボットはその機動性を考慮するとできるだけ軽量である方が好ましいが、軽量構造とすると一般にその剛性や安定性が低下することになる。そのため、搭載された精密測定装置の安定性も低下して測定精度が低下してしまう虞がある。

そこで本発明は、測定時の安定性を向上させることが可能となる可搬型の精密測定装置、及びそのような精密測定装置を備えた移動型精密計測ロボットを提供することを目的とする。

すなわち本発明は、
可搬型の精密測定装置であって、
ベース部材と、
該ベース部材に取り付けられた精密測定ユニットと、
該ベース部材に取り付けられた電磁石であって、当該精密測定装置が載置された面に磁気吸着して該精密測定ユニットを該面に対して固定するための電磁石と、
を備え、
該電磁石によって該精密測定ユニットを該面に対して固定した状態で、該精密測定ユニットで該面の特性を測定するようにされた、精密測定装置を提供する。

当該精密測定装置においては、載置された面に電磁石によって精密測定ユニットを固定することにより、精密測定ユニットの安定性を向上させることができる。そして、精密測定ユニットが面に固定された状態で該面の特性を測定するようにすることにより、精密測定ユニットが振動の影響を受けにくくなり、測定精度を向上させることが可能となる。なお、ここでの「面の特性」には、表面粗さのような表面性状に加え、長さ、幾何公差、表面テクスチャ、摩擦係数などが含まれるものとする。

また、該電磁石が該精密測定ユニットの周囲に複数配置されているようにすることができる。

さらには、該精密測定ユニットが測定用センサを有し、該電磁石の少なくとも一つが該測定用センサに隣接した位置に配置されているようにすることができる。

このような構成により、測定用センサの位置周辺での安定性を特に向上させることができ、これにより測定精度をさらに向上させることが可能となる。

また本発明は、
上述の何れかの精密測定装置を備える移動型精密計測ロボットであって、
ロボット本体と、
該ロボット本体に取り付けられた移動機構であって、該ロボット本体を当該移動機構が載置された面上で移動させるための移動機構と、
該精密測定装置を該ロボット本体に対して上下動させるための高さ調整機構であって、該精密測定装置が該面に接触する下降位置と、該精密測定装置が該面から上方に離れている上昇位置との間で、該精密測定装置を上下動させる高さ調整機構と、
を備える、移動型精密計測ロボットを提供する。

この場合、該精密測定装置を該ロボット本体に対して水平方向に移動させる水平移動機構をさらに備えるようにすることができる。

水平移動機構を備えることによって、ロボット本体を移動させることなく、精密測定装置を水平方向に移動させて測定位置を調整することが可能となる。また、精密測定装置の測定方向に垂直な方向に順次精密測定装置を移動させて測定面をラスタスキャンすることにより、測定面の三次元形状を測定するようにすることも可能となる。

さらに本発明は、
上述の移動型精密計測ロボットで該移動型精密計測ロボットが載置された面の特性を測定する方法であって、
該移動型精密計測ロボットを該移動機構で所定の測定位置に移動させるステップと、
該測定位置において該高さ調整機構で該精密測定装置を該下降位置に移動させ、該電磁石に電力を供給して該精密測定ユニットを該面に固定するステップと、
該精密測定ユニットが該面に固定されている状態で、該精密測定ユニットによって該測定位置における該面の特性を測定するステップと、
該電磁石への電力供給を停止して、該高さ調整機構で該精密測定装置を該下降位置から該上昇位置に移動させるステップと、
を含む、面の特性を測定する方法を提供する。

以下、本発明に係る移動型精密計測ロボットの実施形態を添付図面に基づき説明する。

本発明の第一の実施形態に係る移動型精密計測ロボットの斜視図である。 図１の移動型精密計測ロボットの上面図である。 図１の移動型精密計測ロボットの前面図である。 図１の移動型精密計測ロボットが備える精密測定装置の上面図である。 図４の精密測定装置の側面図である。 本発明の第二の実施形態に係る移動型精密計測ロボットの斜視図である。 図６の移動型精密計測ロボットの別の角度からの斜視図である。 図６の移動型精密計測ロボットの上面図である。 図６の移動型精密計測ロボットの前面図である。

本発明の第一の実施形態に係る移動型精密計測ロボット１は、図１乃至図３に示すように、ロボット本体１０と、ロボット本体１０の両側面に配置されたクローラ機構１２（移動機構）と、ロボット本体１０内に配置された精密測定装置１４と、精密測定装置１４をロボット本体１０に対して上下動させるための高さ調整機構１６と、を備える。ロボット本体１０には、当該移動型精密計測ロボット１を制御するための制御回路１８と、電源となるバッテリ２０が配置されている。

左右のクローラ機構１２は、それぞれ、ロボット本体１０に固定されたギヤードモータ２２と、ギヤードモータ２２に取り付けられた駆動スプロケット２４と、ロボット本体１０に回転自在に取り付けられた３つのアイドルスプロケット２６と、これら４つのスプロケット２４、２６の周りに掛け回されたクローラ２８とからなる。ギヤードモータ２２を回転させることによりクローラ２８を回転駆動させて、ロボット本体１０を移動させるようになっている。左右のクローラ機構１２の回転速度及び回転方向をそれぞれ制御することにより、当該移動型精密計測ロボット１は、前進、後退、旋回などをしながら、目的の位置にまで移動するようになっている。。

精密測定装置１４は、ベースプレート３０（ベース部材）と、ベースプレート３０に取り付けられた精密測定ユニット３２と、ベースプレート３０に取り付けられた４つの電磁石３４とを備える。本実施形態における精密測定ユニット３２は、測定回路等を内蔵する装置本体３６と、装置本体３６から突出するように配置された触針式センサ（測定用センサ）３８とを備える、触針式の測定器である。触針式センサ３８は、スタイラス４０を有し、このスタイラス４０を測定表面に接触させた状態で測定表面上を走査することにより、測定表面の表面粗さを測定するようになっている。電磁石３４は精密測定ユニット３２の周囲に配置されているが、そのうちの２つは触針式センサ３８に隣接した位置に配置されている。

高さ調整機構１６は、精密測定装置１４のベースプレート３０から上方に伸びる３つのガイドシャフト４２及び１つのボールネジ４４と、ベースプレート３０上に配置されたモータ４６とを備える。各ガイドシャフト４２は、下端部４２ａがベースプレート３０に固定され、上端部４２ｂがロボット本体１０に固定されたリニアガイド４８によって上下方向に摺動可能に保持されている。ボールネジ４４は、下端部４４ａがカップリング５０を介してモータ４６に駆動連結され、上端部４４ｂがロボット本体１０に固定されたナット５２によって保持されている。モータ４６によってボールネジ４４を回転させることにより、ボールネジ４４がナット５２に対して上下動し、これにより精密測定装置１４がロボット本体１０に対して上下に移動するようになっている。

移動型精密計測ロボット１は、無線通信機能を備えていて、無線接続した外部機器からの命令に基づいて動作するようになっている。また、精密測定装置１４で測定した結果は無線通信により外部機器に送信されるようになっている。なお、移動型精密計測ロボット１にカメラや距離センサ、ＧＳＰなどを搭載して、指定した位置に自動的に移動して計測を行うようにすることもできる。

当該移動型精密計測ロボット１による表面粗さの測定は次のようにして行われる。まず、移動型精密計測ロボット１をクローラ機構１２により所定の測定位置にまで移動させる。測定位置に到着したら、高さ調整機構１６で精密測定装置１４を下方に移動させて地面に接触した下降位置にする。次に電磁石３４に電力を供給して精密測定装置１４が載置された面に電磁石３４を磁気吸着させる。これにより、精密測定ユニット３２は載置された面に対して固定される。精密測定ユニット３２が固定されたら、精密測定ユニット３２の触針式センサ３８で測定位置における面の表面粗さを測定する。測定が完了したら、電磁石３４への電力供給を停止して、高さ調整機構１６で精密測定装置１４を地面に接した下降位置から上方に移動させ、地面から上方に離れた上昇位置とする。別の位置での表面粗さの測定を続けて行う場合には、次の測定位置にまでクローラ機構１２により移動して、同様にその測定位置での表面粗さの測定を行う。当該移動型精密計測ロボット１は、このようにして任意の測定位置にまで移動して、その場で表面粗さの測定を行うようになっている。

上述のように、精密測定装置１４は、電磁石３４による磁気吸着によって精密測定ユニット３２を測定する面に対して固定した状態で表面粗さの測定を行うようになっている。このようにして精密測定ユニット３２を固定することにより、測定中の安定性が向上し、測定精度を向上させることが可能となる。下の表1は、精密測定装置１４において、電磁石３４による磁気吸着をしていない状態（電磁石ＯＦＦ）で測定したときと、電磁石３４による磁気吸着をした状態（電磁石ＯＮ）で測定したときの表面粗さの測定結果である。定盤上の２つの測定位置（位置Ａ、位置Ｂ）において電磁石３４をＯＦＦにした状態とＯＮにした状態とでそれぞれ１０回の測定を行った。位置Ａにおいて電磁石ＯＦＦの状態で測定した場合の算術平均粗さＲａは、その平均が０．０３９μｍ、標準偏差が９．３ｎｍ、ばらつきが２８ｎｍであった。これに対して同じ位置Ａにおいて電磁石ＯＮの状態で測定した場合の算術平均粗さＲａは、その平均が０．０３３μｍ、標準偏差が２．１ｎｍ、ばらつきが７ｎｍであった。電磁石３４をＯＮにして精密測定ユニット３２を磁気吸着により固定することにより、特に標準偏差及びばらつきが小さくなっている。位置Ａにおける最大粗さＲｚ、及び二乗平均粗さＲｑについても同様に、電磁石３４をＯＮにすることによって標準偏差及びばらつきが小さくなる。これらの結果から、電磁石３４によって精密測定ユニット３２を固定することにより測定精度が向上していることが分かる。位置Ｂにおいて測定した結果からも、電磁石３４をＯＮとすることにより精密測定装置１４の測定時の安定性が向上し、その結果として測定精度が向上していることが分かる。

当該移動型精密計測ロボット１においては、表面粗さの測定時に電磁石３４によって精密測定ユニット３２を固定できるようになっているため、ロボット本体１０の剛性がそれほど高くなくロボット本体１０の安定性が低い場合でも、それに影響されることなく高い精度で測定を行うことが可能となっている。そのため、ロボット本体１０を軽量な構造として移動型精密計測ロボット１の起動性を高くしながらも、高い測定精度を確保することが可能となる。なお、当該移動型精密計測ロボット１においては４つの電磁石３４のうちの２つを精密測定ユニット３２の触針式センサ３８に隣接した位置に配置することにより、触針式センサ３８の位置周辺での安定性を特に向上させて、測定精度がより高くなるようになっている。

本発明の第二の実施形態に係る移動型精密計測ロボット１０１は、図６乃至図９に示すように、ロボット本体１１０と、ロボット本体１１０の両側面に配置されたクローラ機構１１２（移動機構）と、ロボット本体１１０内に配置された精密測定装置１１４と、精密測定装置１１４をロボット本体１１０に対して上下動させるための高さ調整機構１１６と、を備える。

移動型精密計測ロボット１０１はさらに、精密測定装置１１４を水平面方向に移動させるための水平移動機構１６０を備えている。水平移動機構１６０は、ロボット本体１１０に対して横方向に移動する横方向移動ユニット１６２と、横方向移動ユニット１６２に対して前後方向に移動する前後方向移動ユニット１６４とからなる。ロボット本体１１０は、横方向移動ユニット１６２を支持する２つのレール部材１６６Ａ，１６６Ｂを有し、これらレール部材１６６Ａ，１６６Ｂの各側面には横方向に延びるレール溝１６８Ａ，１６８Ｂが形成されている。前方側のレール部材１６６Ａの上面のレール溝１６８Ａにはタイミングベルト１７０が配置されており、タイミングベルト１７０の両端がレール部材１６６Ａの両端において固定されている。横方向移動ユニット１６２は、レール部材１７２とその両端に固定された２枚のプレート１７４Ａ，１７４Ｂとからなるフレーム１７６と、フレーム１７６の前方側のプレート１７４Ａに固定されたモータ１７８と、プレート１７４Ａに回転自在に取り付けられた４つの受動プーリ１８０とを備える。図９に示すように、４つの受動プーリ１８０のうちの２つは、ロボット本体１１０のレール部材１６６Ａの上側のレール溝１６８Ａに係合するように配置され、残りの２つはレール部材１６６Ａの下側のレール溝に係合するように配置されている。これら４つの受動プーリ１８０でレール部材１６６Ａを上下から挟み込むようになっている。フレーム１７６の後側のプレート１７４Ｂには２つの受動プーリ１８２が回転自在に取り付けられている。２つの受動プーリ１８２のうちの一方は、レール部材１６６Ｂの上側のレール溝１６８Ｂに係合するように配置され、他方はレール部材１６６Ｂの下側のレール溝に係合するように配置されている。横方向移動ユニット１６２は、これらの６つの受動プーリ１８０，１８２によりロボット本体１１０に対して横方向に円滑に移動可能となっている。タイミングベルト１７０は、２つの受動プーリ１８０の下を通って、モータ１７８の回転軸に取り付けられた駆動プーリ１８４に掛け回されている。これらタイミングベルト１７０、受動プーリ１８２、及び駆動プーリ１８４によりオメガ駆動機構を構成しており、モータ１７８を回転駆動することにより横方向移動ユニット１６２がロボット本体１１０のレール部材１６６Ａ、１６６Ｂに沿って横方向に移動するようになっている。

前後方向移動ユニット１６４は、プレート１８６と、プレート１８６に固定されたモータ１８８と、プレート１８６に回転自在に取り付けられた３つの受動プーリ１９０とを備える。３つの受動プーリ１９０のうちの２つは、横方向移動ユニット１６２のレール部材１７２の上側のレール溝１９２に係合するように配置され、残りの１つはレール部材１７２の下側のレール溝に係合するように配置されている。前後方向移動ユニット１６４は、これら３つの受動プーリ１９０でレール部材１７２を上下から挟み込むことにより、横方向移動ユニット１６２に対して前後方向に円滑に移動可能となっている。レール部材１７２には、タイミングベルト１９４が上記タイミングベルト１７０と同様にして取り付けられている。タイミングベルト１９４は、２つの受動プーリ１９０の下を通って、モータ１８８の回転軸に取り付けられた駆動プーリ１９６に掛け回されている。これらタイミングベルト１９４、受動プーリ１９０、及び駆動プーリ１９６によりオメガ駆動機構を構成しており、モータ１８８を回転駆動することにより前後方向移動ユニット１６４が横方向移動ユニット１６２のレール部材１７２に沿って前後方向に移動するようになっている。

前後方向移動ユニット１６４のプレートには、高さ調整機構１１６が取り付けられている。当該実施形態における高さ調整機構１１６は、一軸の直動機構であり、モータ１４６の駆動により精密測定装置１１４を上昇位置と下降位置との間で上下動させるようになっている。精密測定装置１１４は、第一の実施形態における精密測定装置１４と同様であり、精密測定ユニット１３２と、ベースプレート１３０と、４つの電磁石１３４とを備える。

このように、移動型精密計測ロボット１０１は、精密測定装置１１４をロボット本体１１０に対して横方向及び前後方向に移動させる水平移動機構１６０を備えている。そのため、精密測定装置１１４を水平方向に移動させて計測位置を細かく調整することが可能となる。また、水平移動機構１６０を利用して測定面をラスタスキャンすることにより、測定面の三次元形状を測定することも可能となる。

以上に本発明の実施形態について説明をしたが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。例えば、電磁石の数は配置する位置は、適宜変更可能である。また、精密測定装置の測定方式は触針式に限られず、レーザーやカメラを利用した非接触式のものなど、他の形態の測定用センサを利用した測定方式を採用することもできる。また、表面粗さの測定ではなく、適宜最適な測定用センサを適用して、微細表面形状計測、長さ計測、幾何公差計測、表面テクスチャ計測、摩擦計測などの面の他の特性の計測を行うようにしてもよい。また、精密測定装置を回転（ロール、ピッチ、ヨー）させるようにした回転移動機構をさらに備えるようにすることもできる。このような回転移動機構を備えることによって、傾斜していたり湾曲していたりする測定面に対しても適切な向きで測定用センサを位置決めすることが可能となり、より高精度な計測が可能となる。また、ロボット本体を移動させるための移動機構は、クローラ機構に代えて、車輪機構や歩行機構などの他の形態の移動機構とすることもできる。さらには、上述の精密測定装置は、移動型ロボットに搭載するのでは無く、作業者が持ち込んで直接任意の測定位置に設置するような可搬型の精密測定装置として利用することもできる。

１ 移動型精密計測ロボット
１０ ロボット本体
１２ クローラ機構
１４ 精密測定装置
１６ 高さ調整機構
１８ 制御回路
２０ バッテリ
２２ ギヤードモータ
２４ 駆動スプロケット
２６ アイドルスプロケット
２８ クローラ
３０ ベースプレート
３２ 精密測定ユニット
３４ 電磁石
３６ 装置本体
３８ 触針式センサ（測定用センサ）
４０ スタイラス
４２ ガイドシャフト
４２ａ 下端部
４２ｂ 上端部
４４ ボールネジ
４４ａ 下端部
４４ｂ 上端部
４６ モータ
４８ リニアガイド
５０ カップリング
５２ ナット
１０１ 移動型精密計測ロボット
１１０ ロボット本体
１１２ クローラ機構
１１４ 精密測定装置
１１６ 高さ調整機構
１３０ ベースプレート
１３２ 精密測定ユニット
１３４ 電磁石
１４６ モータ
１６０ 水平移動機構
１６２ 横方向移動ユニット
１６４ 前後方向移動ユニット
１６６Ａ レール部材
１６６Ｂ レール部材
１６８Ａ レール溝
１６８Ｂ レール溝
１７０ タイミングベルト
１７２ レール部材
１７４Ａ プレート
１７４Ｂ プレート
１７６ フレーム
１７８ モータ
１８０ 受動プーリ
１８２ 受動プーリ
１８４ 駆動プーリ
１８６ プレート
１８８ モータ
１９０ 受動プーリ
１９２ レール溝
１９４ タイミングベルト
１９６ 駆動プーリ

Claims (6)

1. 可搬型の精密測定装置であって、
   ベース部材と、
   該ベース部材に取り付けられた精密測定ユニットと、
   前記精密測定ユニットに対する相対的位置が固定されるように該ベース部材に取り付けられた電磁石であって、当該精密測定装置が載置された面に磁気吸着して該精密測定ユニットを該面に対して動かないように固定するための電磁石と、
   を備え、
   該電磁石によって該精密測定ユニットを該面に対して動かないように固定した状態で、該精密測定ユニットで該面の特性を測定するようにされた、精密測定装置。
2. 該電磁石が該精密測定ユニットの周囲に複数配置されている、請求項１に記載の精密測定装置。
3. 該精密測定ユニットが測定用センサを有し、該電磁石の少なくとも一つが該測定用センサに隣接した位置に配置されている、請求項２に記載の精密測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の精密測定装置を備える移動型精密計測ロボットであって、
   ロボット本体と、
   該ロボット本体に取り付けられた移動機構であって、該ロボット本体を当該移動機構が載置された面上で移動させるための移動機構と、
   該精密測定装置を該ロボット本体に対して上下動させるための高さ調整機構であって、該精密測定装置が該面に接触する下降位置と、該精密測定装置が該面から上方に離れている上昇位置との間で、該精密測定装置を上下動させる高さ調整機構と、
   を備える、移動型精密計測ロボット。
5. 該精密測定装置を該ロボット本体に対して水平方向に移動させる水平移動機構をさらに備える、請求項４に記載の移動型精密計測ロボット。
6. 請求項４又は５に記載の移動型精密計測ロボットで該移動型精密計測ロボットが載置された面の特性を測定する方法であって、
   該移動型精密計測ロボットを該移動機構で所定の測定位置に移動させるステップと、
   該測定位置において該高さ調整機構で該精密測定装置を該下降位置に移動させ、該電磁石に電力を供給して該精密測定ユニットを該面に固定するステップと、
   該精密測定ユニットが該面に固定されている状態で、該精密測定ユニットによって該測定位置における該面の特性を測定するステップと、
   該電磁石への電力供給を停止して、該高さ調整機構で該精密測定装置を該下降位置から該上昇位置に移動させるステップと、
   を含む、面の特性を測定する方法。
   

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