JPH0835833A - 多関節型三次元計測機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多関節型三次元計測機の使用時に於ける計測
作業の負担を低減し、レベル出し作業の時間短縮できる
ようにする。 【構成】 先端に接触子２８を備えた多関節アーム機構
１４により三次元移動を可能としているが、この多関節
アーム機構１４を搭載したベース１０に旋回可能に支柱
３０を立設し、この支柱３０に伸縮可能な水平アーム３
２を取り付ける。水平アーム３２の先端部にはバランサ
３４を取り付けておき、このバランサ３４を介して前記
接触子２８もしくはこれを備えたアーム機構１４を吊り
下げ保持するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は三次元空間内に置かれた
物体の形状や位置を計測する多関節型の三次元計測機に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、三次元空間内に置かれた物体の形
状や位置を計測するために、測定対象物の特定点の三次
元的な位置を求めるようにした多関節型三次元計測機が
知られている。この種の多関節型の三次元計測機は、一
般にアーム同志を２自由度を有する関節機構により接続
し、関節の回転軸に回転量を測定する角度検出機を取り
付け、最大３関節、６自由度を有する多関節計測アーム
機構を構成している。そして、計測アーム機構の先端に
球状および円錐状の接触子を取り付けておき、前記接触
子を接触させた箇所の三次元位置、または、計測アーム
機構の先端にレーザ変位計を取り付け、前記レーザ変位
計が差し示す箇所の三次元位置を、各アーム長と関節に
取り付けた角度検出器の値から計算して求めるように構
成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この種の計
測機により計測する作業では、計測作業者が、計測アー
ム機構の先端を保持した状態で、アーム重量を支えてい
るため、低い位置にある計測点の計測作業が計測アーム
重量を支えながら腰を曲げての苦汁作業となる問題があ
った。また、計測アーム機構の各関節は自由に動くた
め、作業者が計測アーム機構から手を離した途端に計測
アーム先端が自重により垂れ下がり、接触子やレーザ変
位計等の計測子が地面や測定機ベース等に衝突する危険
が有り、取り扱いに注意が必要であった。

【０００４】更に、多関節型三次元計測機は、計測アー
ム機構の長さによって計測範囲が限定されるため、それ
以上の範囲を計測するには計測機の移動が必要となり、
移動の度に計測機のレベル出し作業を行わなければなら
ない。このレベル出し作業は計測機ベースに互いに直交
する方向に取り付けた２個の水準器を作業者が観察しな
がら、計測機ベース高さ調整用脚の高さを手作業にて調
整しているため、時間のかかる作業となっていた。

【０００５】本発明の目的は計測作業への負担を低減
し、レベル出し作業の時間短縮できる多関節型三次元計
測機を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る多関節型の三次元計測機は、ベースに
多関節アーム機構を介して三次元移動可能に計測子を取
り付け、当該計測子による指示点の三次元位置を出力す
る三次元計測機において、前記ベースに旋回可能に支柱
を立設し、この支柱には伸縮可能な水平アームを取り付
けし、この水平アームの先端部にはバランサを取り付け
るとともに、このバランサを介して前記計測子もしくは
これを備えたアームを吊り下げ保持するように構成し
た。

【０００７】また、上記構成に加え、レベル出し作業の
時間短縮のため、計測ベース面上に互いに直交する軸上
に２個の傾斜計を設置し、計測機ベースにジャッキなど
の昇降機構を設け、計測機が傾斜計の測定範囲以上に傾
いた状態で設置された際に、傾斜計の出力信号の符号の
みを参照し、計測機の傾きを検知し、ジャッキなどの昇
降機を動作させ測定機の傾き量を高精度に検出し、計測
した三次元座標値を補正するように構成することができ
る。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、作業者に代わって計測アー
ム機構をワイヤ等の吊り下げ手段を介して吊り下げる
が、これはバランサを介して支えるため、計測作業者の
負担を低減することができる。吊り下げ手段としてワイ
ヤを用いた場合、バランサから引出されるワイヤは鉛直
に上下動することが前提であり、許容角度以上に斜めに
ワイヤを傾けると動作しなくなるおそれがある。このた
めに、任意の方向に移動する計測アーム機構の位置移動
に追従してバランサが移動し、これから引出されている
ワイヤ等の連結手段が常に鉛直状態に保たれるようでき
ればよい。そこで、計測アーム機構上方にて水平方向に
伸縮する水平アームの先端にバランサを固定することに
より、バランサは計測アーム機構先端の前後の動きに追
従することができる。また、この伸縮式水平アームは回
転案内機構を設けた鉛直支柱に取り付けて水平旋回可能
となっているため、計測アーム機構先端の左右の動きに
追従することができる。この際、ベースに立設した支柱
は計測機ベースから鉛直に立ち上がる計測アーム機構主
軸に対してその側面部に一体的に取り付けるようにする
ことができる。このようにすれば計測アーム機構の主軸
回転案内機構を利用することができ、特別に回転機構を
必要とすることがない。支柱は主軸回りに回転するがこ
れは水平アームの伸縮により吸収することができる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係る多関節型三次元計測機
の具体的実施例を図面を参照して詳細に説明する。

【００１０】図１は実施例に係る多関節型三次元計測機
の側面構成図である。図示のように、この多関節型三次
元計測機は、台車を兼用したベース１０を有し、このベ
ース１０上にアーム主軸１２を立設しており、このアー
ム主軸１２に対して多関節アーム機構１４を取り付けて
いる。この多関節アーム機構１４は、図示のように、ア
ーム主軸１２の上端部に基端を回転および揺動ができる
よう２自由度を有する関節１６により接続された第１ア
ーム１８を備えている。また、この第１アーム１６の先
端部に同様に２自由度を有する関節２０により第２アー
ム２２の基端部を接続している。そして、更に第２アー
ム２２の先端部に２自由度を持つ関節２４を介して接続
される計測子アーム２６を取り付けているのである。し
たがって、多関節計測アーム機構１４は最大３関節、６
自由度を有する構造となっている。また、各関節１６、
２０、２４の回転軸には回転量を測定する角度検出機を
取り付け、アーム屈曲角度を検出できるようにしてい
る。

【００１１】前記計測子アーム２６の先端には、球状お
よび円錐状の接触子２８を取り付けておき、前記接触子
２８を接触させた箇所の三次元位置を、各アーム長と関
節に取り付けた角度検出器の値から計算して求めるよう
に構成されている。前記接触子２８に代え、計測アーム
２６の先端にレーザ変位計を取り付け、前記レーザ変位
計が差し示す箇所の三次元位置を、各アーム長と関節に
取り付けた角度検出器の値から計算して求めるように構
成することもできる。

【００１２】このような基本的構成に加えて、本実施例
に係る多関節型三次元計測機では、前記接触子２８もし
くはこれを取り付けているアーム機構を重量バランスさ
せながら吊り下げ支持するように構成している。すなわ
ち、前記アーム主軸１２の側面部分であって、特に多関
節アーム機構１４を旋回させる軸部に対して、アーム機
構１４の作動と干渉しないように、一体的に取り付けら
れた支柱３０を備えている。これにより支柱３０はアー
ム機構１４の回転に伴って主軸１２を中心として旋回さ
れるようになっている。

【００１３】旋回支柱３０はアーム主軸１２の高さより
充分に高く設定されており、その上端部分には水平アー
ム３２を取り付けている。水平アーム３２は支柱３０の
軸芯回りに回転できるように図示しない回転機構を介し
て取り付けられており、支柱３０を中心として水平旋回
可能となっている。また、この水平アーム３２はテレス
コピック構造とされ、先端アーム部分３２ａが内蔵され
たガイドにより軽快に伸縮できるようにしている。ガイ
ドはコロ機構やスライダ機構によって形成することがで
きる。そして、この先端アーム３２ａの突端にはバラン
サ３４を取り付け、このバランサ３４を介して多関節ア
ーム機構１４の接触子２８側の特に第２アーム２２を吊
り下げ支持するように構成している。

【００１４】まず、第２アーム２２の吊り下げ手段は、
実施例ではワイヤにより形成しており、前記バランサ３
４から繰り出され先端にプーリ３６を取り付けた繰り出
しワイヤ３８と、前記第２アーム２２の先端および基端
部の２点に締結される支持ワイヤ４０とから構成され、
支持ワイヤ４０を前記プーリ３６に巻き付けることで吊
り下げるようにしている。これにより第２アーム２２が
傾斜しても、傾斜による支持ワイヤ４０の動きはプーリ
３６により吸収され、繰り出しワイヤ３８側に影響を与
えることはなくなる。

【００１５】また、ワイヤ３８、４０により吊り下げら
れているアーム機構１４の自重はバランサ３４に伝えら
れるが、バランサ３４はこれに加わるアーム機構１４の
重量と同等な反対方向の吊り上げバランス力を加え、こ
れによりアーム機構１４の特に計測子アーム２６および
先端接触子２８を無負荷状態で三次元移動できるように
している。このようなバランサ３４は公知のものを使用
すればよい。例えば、スプリング力で繰り出しワイヤ３
８の巻きリールを巻き上げ方向に回転するように付勢し
ておき、吊り下げ力に応じて巻き上げスプリング力が調
整できるように構成されたもの等を用いればよい。

【００１６】更に、この実施例では、前記ベース１０の
水平レベル出しを簡便に行えるように次のように構成し
ている。レベル出しのために、傾斜計４２を計測機ベー
ス１０の研削してある表面上に互いに直交する軸に沿っ
て２個設置している。一方、昇降機構として３個のジャ
ッキ４４を計測機ベース１０に内蔵し、下面から突出さ
せることでベース１０の水平調整ができるように配置し
ている。また、このようなジャッキ４４を駆動するパル
スモータ４６が設けられ、各ジャッキ４４を任意の高さ
に駆動調整できるようにしている。レベル調整のために
図示しない制御手段が設けられ、これは前記２個の傾斜
計４２（４２ｘ、４２ｙ）からの傾斜信号を入力し、各
傾斜計の検出傾斜角度にしたがって、各軸回りに回転さ
せるようにパルスモータ４６への駆動信号を出力するも
のとなっている。

【００１７】この具体的なレベル出し制御方法を図２を
参照して説明する。最初２軸の傾斜計４２の出力電圧を
読取り（ステップ１００）、この出力値が測定範囲内に
あるか否かが判定され（ステップ１０２）、測定範囲外
である場合には出力電圧の符号から傾き方向を検出し
（ステップ１０４）、下がっている側のジャッキ４４を
一定量上昇させ（ステップ１０６）、最初のステップ１
００に戻る。すなわち、傾斜量が測定範囲を越えている
場合には、一律に一定量だけ低い側のジャッキを上昇さ
せることで迅速に傾斜を修正するようにしているのであ
る。ステップ１０２で傾斜計の出力が測定範囲内である
場合には、角度演算処理を行い（ステップ１０８）、こ
の演算結果を目標角度と比較してレベル出し目標角度以
内であるかどうかが判定される（ステップ１１０）。範
囲から外れている場合には偏差を求めると同時に偏差に
応じたジャッキ駆動量を算出する（ステップ１１２）。
この算出値に応じて下降している側のジャッキ４４を駆
動させ（ステップ１１４）、再度２軸の傾斜計４２の出
力電圧を読取って（ステップ１１６）、角度演算処理ス
テップ１０８に戻るループを繰り返し、レベルが目標許
容値に達して処理を終了するのである。この結果、水平
レベル出し処理はきわめて迅速に行われることになる。

【００１８】このように構成された多関節型三次元計測
機の作用は次のようになる。まず、実施例では、多関節
型三次元計測機として計測精度±０．３ｍｍの計測機を
使用した。アーム機構１４の第２アーム２２は２点支持
ワイヤ４０を介してバランサ３４により支えられる。ア
ーム自重はワイヤ３８を介してバランサ３４が支えるた
め、作業者はアーム自重を意識することなく接触子２８
を任意の位置に移動できる。また、作業者がアームから
手を離しても、アームはバランサ３４によってその時の
高さに保たれる。バランサ３４はアーム機構１４の上方
に位置する水平方向に伸縮するアーム３２の先端に固定
され、この伸縮式アーム３２は回転案内機構を設けた鉛
直支柱３０に取り付けられているため、アーム機構１４
が任意の方向に移動してもバランサ３４の繰り出しワイ
ヤ３８は常に鉛直状態に保たれる。

【００１９】なお、上記したアーム主軸１２と鉛直支柱
３０、および鉛直支柱３０と伸縮式水平アーム３２とは
ボルトにより締結することで、運搬輸送の際には分解可
能となっている。

【００２０】また、傾斜計４２の値による三次元座標値
の補正方法を以下に説明する。２個の傾斜計４２ｘ、４
２ｙを設置した直交軸を便宜上それぞれＸ軸、Ｙ軸とす
ると、計測機はＸ軸方向と平行に設置した傾斜計４２ｘ
が示す角度ωだけＹ軸を中心に回転移動し、更に、Ｙ軸
方向と平行に設置した傾斜計４２ｙが示す角度φだけＸ
軸を中心に回転移動した状態にあると考えられる。前記
回転移動を受けて傾いた状態にある計測機で計測した三
次元座標値は、前記回転移動の逆回転移動を施す。すな
わち、Ｘ軸中心に−φだけ回転移動を施した後、Ｙ軸中
心に−ωだけ回転移動を施すことで、水平に設置された
計測機によって測定された三次元座標値と同等になる。
そこで、制御手段では、傾斜計４２の出力信号の符号の
みを参照し、計測機の傾き方向を検知し、ジャッキ４４
などの昇降機をパルスモータ４６によって動作させ、ベ
ース１０の水平度を傾斜計測定範囲内まで調整するよう
にしている。そして、このようにしてベース１０の水平
度を調整した状態で、傾斜計４２の出力値から多関節型
三次元計測機の傾きを検知し、計測した三次元座標値を
補正するようにすればよい。本方法による効果を確認す
るため、レベル定盤上を計測し、傾斜計の値により補正
した座標値のばらつきを調べたところ±０．３ｍｍ以内
となり、計測機の計測精度に変化が無いことを確認し
た。

【００２１】なお、８度傾けた床面に計測機を設置し、
レベル出し作業を実際に行ったところ、従来からの手作
業によるレベル出し作業には５分要したが、本実施例に
よる方法では１分でレベル出しが終了した。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、ベースに多関節アーム
機構を介して三次元移動可能に計測子を取り付け、当該
計測子による指示点の三次元位置を出力する三次元計測
機において、前記ベースに旋回可能に支柱を立設し、こ
の支柱には伸縮可能な水平アームを取り付けし、この水
平アームの先端部にはバランサを取り付けるとともに、
このバランサを介して前記計測子もしくはこれを備えた
アームを吊り下げ保持した構成としたので、計測作業者
はアーム自重を支えること無く計測可能となり、レベル
出し作業においては、作業時間短縮が図れるという優れ
た効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る多関節型三次元計測機の側面図で
ある。

【図２】自動レベル出し処理のフローチャートである。

【符号の説明】

１０ 計測機ベース １２ アーム主軸 １４ 多関節アーム機構 １６、２０、２４ ２自由度関節 １８ 第１アーム ２２ 第２アーム ２４ 計測子アーム ２８ 接触子 ３０ 支柱 ３２ 水平アーム ３４ バランサ ３６ プーリ ３８ 繰り出しワイヤ ４０ 支持ワイヤ ４２ 傾斜計 ４４ ジャッキ ４６ パルスモータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベースに多関節アーム機構を介して三次
   元移動可能に計測子を取り付け、当該計測子による指示
   点の三次元位置を出力する三次元計測機において、前記
   ベースに旋回可能に支柱を立設し、この支柱には伸縮可
   能な水平アームを取り付けし、この水平アームの先端部
   にはバランサを取り付けるとともに、このバランサを介
   して前記計測子もしくはこれを備えたアームを吊り下げ
   保持してなることを特徴とする多関節型三次元計測機。