JPH09304003A

JPH09304003A - 接触式３次元計測方法およびそのシステム

Info

Publication number: JPH09304003A
Application number: JP12341596A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Nonaka; 洋一野中; Kenji Yokoshima; 健二横島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 1997-11-28
Anticipated expiration: 2016-05-17
Also published as: JP3421503B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本課題は、数ｍを超える大形部品または大形装
置からなる被対象物の様々な寸法または形状を、１ｍｍ
以下の高精度で計測することができる接触式３次元計測
方法およびそのシステムを提供することにある。【解決手段】本発明は、３次元の被対象物１上の異なる
領域の各々に対して複数の接触式３次元計測装置３、９
の各々により各接触式３次元計測装置３、９に対して設
定または定義される各３次元座標系で計測し、上記各接
触式３次元計測装置３、９に対して設定または定義され
る各３次元座標系の相対的な位置および姿勢を相対位置
・姿勢測定装置４３により測定し、計測制御装置２１に
より上記各３次元座標系で計測された３次元の被対象物
上の異なる領域の計測値を、上記測定された各３次元座
標系の相対的な位置および姿勢に基づいて同一３次元座
標系に変換して３次元の被対象物上の異なる領域に対し
て同一３次元座標系で計測することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業機械用大形部
品、橋梁用大形部材、船舶用大形部品などの寸法計測作
業や加工時のケガキ作業における接触式３次元計測方法
およびそのシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】被対象物に対してプローブ先端を接触さ
せて被対象物の寸法や形状を計測する接触式計測技術
は、特開平０１−２６１０９号等において知られてい
る。

【０００３】この接触式計測技術は、被計測対象物に対
してプローブ先端を接触させて得られるため、被計測対
象物の表面状態等に影響されることなく、精度よく計測
することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、プラントや橋梁
の分野では、大きさが数ｍを超える大形部品が用いら
れ、しかも高性能化が望まれ、それに従って部品の加工
精度や組み立て精度が厳しく要求されてきている。その
ため、大きさが数ｍを超える大形部品に対して、接触式
で計測しようとする試みが生じてきている。しかしなが
ら、このような大形部品に対して接触式で計測するため
には、接触３次元計測装置を大型化する必要が生じる。
もし接触式三次元計測装置を大形部品に合わせて大形化
した場合、増加した自荷重に基づいて歪が大きくなった
り、温度変動に基づく熱膨張の変動も増加して、寸法測
定精度が悪くなってしまうという課題を有することにな
る。

【０００５】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
数ｍを超える大形部品または大形装置からなる被対象物
の様々な寸法または形状を、１ｍｍ以下の高精度で計測
することができる接触式３次元計測方法およびそのシス
テム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、本発明は、３次元の被対象物に対して複数の接触式
３次元計測装置を用いて同一３次元座標系で計測するこ
とを特徴とする接触式３次元計測方法である。また本発
明は、３次元の被対象物上の異なる領域の各々に対して
複数の接触式３次元計測装置の各々により各接触式３次
元計測装置に対して設定または定義される各３次元座標
系で計測し、上記各接触式３次元計測装置に対して設定
または定義される各３次元座標系の相対的な位置および
姿勢を相対位置・姿勢測定装置により測定し、上記各３
次元座標系で計測された３次元の被対象物上の異なる領
域の計測値を、上記測定された各３次元座標系の相対的
な位置および姿勢に基づいて同一３次元座標系に変換し
て３次元の被対象物上の異なる領域に対して同一３次元
座標系で計測することを特徴とする接触式３次元計測方
法である。

【０００７】また本発明は、３次元の被対象物上の異な
る領域の各々に対して計測すべく接触式３次元計測装置
について複数の場所の間を移動させ、上記３次元の被対
象物上の異なる領域の各々に対して上記各場所に移動し
た接触式３次元計測装置により該接触式３次元計測装置
に対して設定または定義される各３次元座標系で計測
し、上記各場所に移動した接触式３次元計測装置に対し
て設定または定義される各３次元座標系の相対的な位置
および姿勢を相対位置・姿勢測定装置により測定し、上
記各３次元座標系で計測された３次元の被対象物上の異
なる領域の計測値を、上記測定された各３次元座標系の
相対的な位置および姿勢に基づいて同一３次元座標系に
変換して３次元の被対象物上の異なる領域に対して同一
３次元座標系で計測することを特徴とする接触式３次元
計測方法である。また本発明は、３次元の被対象物上の
異なる領域の各々に対して接触させて、各々設定または
定義される３次元座標系で計測する複数の接触式３次元
計測装置と、該各接触式３次元計測装置に対して設定ま
たは定義される各３次元座標系の相対的な位置および姿
勢を測定する相対位置・姿勢測定装置と、上記各接触式
３次元計測装置により各３次元座標系で計測された３次
元の被対象物上の異なる領域の計測値を、上記相対位置
・姿勢測定装置により測定された各３次元座標系の相対
的な位置および姿勢に基づいて同一３次元座標系に変換
して３次元の被対象物上の異なる領域に対して同一３次
元座標系で計測する演算処理手段とを有することを特徴
とする接触式３次元計測システムである。

【０００８】また本発明は、複数の場所の間を移動させ
る移動手段と、該移動手段によって移動させられ、３次
元の被対象物上の異なる領域の各々に対して接触させ
て、上記移動手段によって移動した各場所において設定
または定義される３次元座標系で計測する接触式３次元
計測装置と、上記移動手段によって移動した各場所にお
いて接触式３次元計測装置に対して設定または定義され
る各３次元座標系の相対的な位置および姿勢を測定する
相対位置・姿勢測定装置と、上記接触式３次元計測装置
により各３次元座標系で計測された３次元の被対象物上
の異なる領域の計測値を、上記相対位置・姿勢測定装置
により測定された各３次元座標系の相対的な位置および
姿勢に基づいて同一３次元座標系に変換して３次元の被
対象物上の異なる領域に対して同一３次元座標系で計測
する演算処理手段とを有することを特徴とする接触式３
次元計測システムである。以上説明したように、本発明
によれば、数ｍを超える大形部品や大形装置の様々な寸
法または形状を、小型の接触式３次元計測装置が持って
いる１ｍｍ以下の高精度を維持して計測することができ
る。すなわち、数ｍを超える被対象物が一つの基準点か
ら作図された場合においても、作図上の寸法を接触式で
直接精度良く計測することができる。例えば、長大な配
管の寸法計測や加工時のケガキ作業を同一の寸法座標で
行うことができる。さらに、部品の組み付け作業におけ
る組み込み位置のケガキ作業において、組み込み部の大
きさが数ｍ以上にわたる場合でも同一の寸法座標で行う
ことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明に係るプラントや橋梁など
に用いられる産業機械用大形部品、橋梁用大形部材、船
舶用大形部品などのように数ｍを超える大形部品に対し
て１ｍｍ以下の精度で寸法測定作業や加工時のケガキ作
業等を行うことができるようにした接触式計測システム
の実施の形態を図１乃至図１１を参照して説明する。図
１は、本発明に係る接触式計測装置の相対位置および姿
勢を相対位置・姿勢測定装置によって計測する接触式計
測システム構成の第１の実施の形態を示した図である。
即ち、図１には、産業機械用大形部品、橋梁用大形部
材、船舶用大形部品などのように数ｍを超える大形部品
ならなる被対象物１に対して、複数の接触式３次元計測
装置３ａ，３ｂを用いて、１ｍｍ以下の精度で寸法測定
作業や加工時のケガキ作業等を行う場合を示す。

【００１０】複数の直交型接触式３次元計測装置３ａ，
３ｂの各々は、定盤（基台）９上に直交３軸のアーム１
０ａ，１０ｂ，１０ｃの先に接触用の針２を取り付けた
ものである。そして、各アーム１０ａ，１０ｂ，１０ｃ
の軸は、駆動モータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃによってＸ
軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に変位（移動）できるように構
成され、更に位置検出装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃによ
ってアーム１０ｃの先端（針２のつけ根）の位置座標を
検出できるように構成されている。アーム１１ｃの先端
には、針２の姿勢を駆動制御する駆動モータ１３と姿勢
を検出する検出器１４が取り付けられている。針２は、
エアシリンダやばね部材等の接触圧付与手段を設置し、
その軸方向の微小変位も検出器１５により検出できるよ
うに構成している。各軸の位置検出装置１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ，１４，１５は、スリット光検出式または磁
気検出式等で構成されている。そして、計測制御装置２
１は、大形部品からなる被対象物１の設計情報（ＣＡＤ
情報）に基づいて直交型接触式３次元計測装置３ａ，３
ｂの各々の各軸の駆動モータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，
１３を駆動制御して針２を大形部品からなる被対象物１
の各部分についてその表面を所望の経路で移動させ、そ
の経路の各点における各軸の位置検出装置１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ，１４，１５で検出される位置データに基づ
いてその経路の各点の寸法を基準座標系に対して測定す
る。即ち、計測制御装置２１は、直交型接触式３次元計
測装置３ａ，３ｂの各々の基準座標系（図２に示すよう
に（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）を原点とするｘ，ｙ，ｚ座標系、
（ｘ'₀，ｙ'₀，ｚ'₀）を原点とするｘ'，ｙ'，ｚ'座標
系）に対して大形部品からなる被対象物１の各部分につ
いてその表面の形状を接触式で１ｍｍ以下の高精度で測
定する。

【００１１】ケガキ作業等の加工を行う場合には、上記
針２の代わりにケガキ針を取付け、計測制御装置２１
は、大形部品からなる被対象物１の設計情報（ＣＡＤ情
報）に基づいて直交型接触式３次元計測装置３ａ，３ｂ
の各々の各軸の駆動モータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１
３を駆動制御して針２を大形部品からなる被対象物１の
各部分についてその表面を所望の経路で移動させ、その
経路の各点における各軸の位置検出装置１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ，１４，１５で検出される位置データに基づ
いてその経路の各点の寸法を測定し、この測定される寸
法が所望の値になるように、各軸の駆動モータ１１ａ，
１１ｂ，１１ｃ，１３に対してフィードバック駆動制御
することによって実現することができる。以上説明した
ように、直交型接触式３次元計測装置３ａは、大形部品
からなる１の例えば右側の部分について約１ｍｍ以下の
精度で寸法測定作業や加工時のケガキ作業等を行い、直
交型接触式３次元計測装置３ｂは、大形部品からなる被
対象物１の例えば左側の部分について１ｍｍ以下の精度
で寸法測定作業や加工時のケガキ作業等を行う。このよ
うに、直交型接触式３次元計測装置３ａ，３ｂの各々に
より、大形部品からなる被対象物１に対して寸法測定作
業や加工時のケガキ作業等を行う部分を分けることによ
って、大形部品からなる被対象物１に合わせて接触式３
次元計測装置を製作する必要がなくなる。もし接触式３
次元計測装置を大形部品１に合わせて大形化した場合、
自荷重の増加に基づいて歪が大きくなったり、温度変動
に基づく熱膨張の変動も増加する等により寸法や形状の
測定精度が悪くなってしまう。しかし、大形部品１に対
して、複数の直交型接触式３次元計測装置３ａ，３ｂを
用いることによって、小型の直交型接触式３次元計測装
置における約１ｍｍ以下の高精度を維持して大形部品１
の広い領域に亘って様々な寸法や形状を計測することが
できる。

【００１２】ところで、接触式３次元計測装置３ａにお
ける基準座標系（図２に示すように（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）
を原点とするｘ，ｙ，ｚ座標系）と接触式３次元計測装
置３ｂにおける基準座標系（図２に示すように（ｘ'₀，
ｙ'₀，ｚ'₀）を原点とするｘ'，ｙ'，ｚ'座標系）とを
合わせる必要がある。そのために、接触式３次元計測装
置３ｂの基台９に取り付けたマークまたはミラー４４と
接触式３次元計測装置３ａの基台９に取り付けた十字線
の入った望遠鏡またはレーザ測長器４５と計測制御装置
２１とで構成される相対位置・姿勢測定装置４３を設け
るようにした。相対位置・姿勢測定装置４３としては、
測角儀であるトランシットで構成してもよい。トランシ
ットの場合には、接触式３次元計測装置３ｂの基台９に
計測制御装置２１からの指令により姿勢制御可能に設置
されたマーク４４ａと、接触式３次元計測装置３ａの基
台９に計測制御装置２１からの指令により姿勢制御可能
に設置され、計測用十字線と同じ軸上にレーザや赤外線
などの距離測定装置を有し、旋回角と仰角を回転検出器
（バーニヤやスリット光検出装置が用いられる。）によ
って計測する望遠鏡４５ａとで構成される。また、相対
位置・姿勢測定装置４３として、接触式３次元計測装置
３ｂの基台９に計測制御装置２１からの指令により姿勢
制御可能に設置された鏡４４ｂと、接触式３次元計測装
置３ａの基台９に計測制御装置２１からの指令により姿
勢制御可能に設置されたレーザ測長器４５ｂとで構成し
てもよい。以上説明したように、計測制御装置２１を含
めた相対位置・姿勢測定装置４３により、接触式３次元
計測装置３ａにおける基準座標系（（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）
を原点とするｘ，ｙ，ｚ座標系）と接触式３次元計測装
置３ｂにおける基準座標系（（ｘ'₀，ｙ'₀，ｚ'₀）を原
点とするｘ'，ｙ'，ｚ'座標系）との間の相対位置およ
び姿勢（ｌx＝ｘ'₀−ｘ₀，ｌy＝ｙ'₀−ｙ₀，ｌz＝ｚ'₀
−ｚ₀，α（Ｚ軸回りの回転角））を測定することがで
きる。

【００１３】図３は、図１に示す計測制御装置２１の具
体的構成を示す。２２はＣＰＵで、大形部品からなる被
対象物１の設計情報（ＣＡＤ情報）に基づいて直交型接
触式３次元計測装置３ａ，３ｂの各々の各軸の駆動モー
タ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１３を駆動制御すべく、イ
ンターフェース２６を介して各駆動制御回路４１ａ，４
１ｂへ出力する駆動制御信号を作成し、大形部品１の各
部分について針２の移動経路の各点において各軸の位置
検出装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１４，１５で検出さ
れてインターフェース２５を介して入力される位置デー
タに基づいてその経路の各点の寸法を基準座標系に対し
て算出したりするものである。更にＣＰＵ２２は、直交
型接触式３次元計測装置３ｂの基台９に取り付けたマー
クまたはミラー４４と直交型接触式３次元計測装置３ａ
の基台９に取り付けた十字線の入った望遠鏡またはレー
ザ測長器４５とから測定されてインターフェース３２を
介して入力される距離データ及び姿勢データに基づい
て、直交型接触式３次元計測装置３ａにおける基準座標
系と接触式３次元計測装置３ｂにおける基準座標系との
間の相対位置姿勢の算出も行う。このようにＣＰＵ２２
は、ディジタルデータに基づいて演算処理を行うもので
ある。またケガキ作業の時には、ＣＰＵ２２は、各ケガ
キ針が大形部品１の各部分について所望の軌跡をとるよ
うに、接触式３次元計測装置３ａ，３ｂの各々の各軸の
駆動モータ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１３をフィードバ
ック駆動制御すべく、インターフェース２６を介して各
駆動制御回路４１ａ，４１ｂへ出力する駆動制御信号を
作成も行う。２３は、直交型接触式３次元計測装置３
ａ，３ｂの各々に対して針の移動経路を作成するプログ
ラムや大形部品１の各部分について基準座標系に対して
寸法を算出するプログラムや直交型接触式３次元計測装
置３ａにおける基準座標系と直交型接触式３次元計測装
置３ｂにおける基準座標系との間の相対位置姿勢を算出
するプログラム等を記憶するＲＯＭである。２４は、イ
ンターフェース２５、３２を介して入力された各種のデ
ータやＣＰＵ２２で算出された各種データを一時記憶す
るＲＡＭである。３３は、大形部品からなる被対象物１
の各部分について、または大形部品１の全体について算
出されて測定された結果をインターフェース２７を介し
て出力する出力手段である。この出力手段３３として
は、プリンタや記録して出力するディスクや他の装置に
通信によって提供するネットワーク等で構成される。３
４は、インターフェース２５、３２を介して入力された
各種のデータやＣＰＵ２２で算出された各種データをイ
ンターフェース２８を介して表示するディスプレイや液
晶表示装置からなる表示手段である。即ち、表示手段３
４には、ＣＰＵ２２によって大形部品１の各部分または
全体について算出されて測定された結果や、大形部品１
の各部分について針２の移動経路の各点において各軸の
位置検出装置１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１４，１５で検
出されてインターフェース２５を介して入力される位置
データや、直交型接触式３次元計測装置３ｂの基台９に
取り付けたマークまたはミラー４４と直交型接触式３次
元計測装置３ａの基台９に取り付けた十字線の入った望
遠鏡またはレーザ測長器４５とから測定されてインター
フェース３２を介して入力される距離データ及び姿勢デ
ータや、ＣＰＵ２２によって算出される直交型接触式３
次元計測装置３ａにおける基準座標系と直交型接触式３
次元計測装置３ｂにおける基準座標系との間の相対位置
および姿勢等が表示（例えばディジタル表示）される。
この表示手段３４は、計測制御装置２１に備える必要は
なく、直交型接触式３次元計測装置３ａ，３ｂの各々の
所望の箇所に設置しても良いことは明らかである。３５
は、大形部品１の設計情報（ＣＡＤ情報）や、大形部品
１に対して寸法を測定しようとする箇所のデータや、直
交型接触式３次元計測装置３ａ，３ｂの各々に対して設
定される基準座標系のデータや、直交型接触式３次元計
測装置３ｂに対して取り付けられるマークまたはミラー
４４の位置データや、直交型接触式３次元計測装置３ａ
に対して取り付けられる十字線の入った望遠鏡またはレ
ーザ測長器４５の位置データや、大形部品１に対する針
２の接触圧等をインターフェース２９を介して入力する
入力手段である。この入力手段３５は、キーボードやマ
ウスやディスク等で構成することができる。また入力手
段３５で各種のデータを入力する際、表示手段３４に各
種のデータを入力する画面を表示させて入力しても良い
ことは明らかである。３６は各種データを記憶する外部
記憶装置で、ＲＡＭ２４で記憶できなくなった各種デー
タをインターフェース３０を介して記憶するものであ
る。即ち、外部記憶装置３６には、上記入力手段３５で
入力された各種データを記憶しておくこともできる。そ
してＣＰＵ２２が演算処理しようとするとき、外部記憶
装置３６からインターフェース３０を介して読みだして
ＲＡＭ２４に記憶させて用いる。３７は、ＣＰＵ２２と
ＲＯＭ２３とＲＡＭ２４とインターフェース２５〜３２
との間を接続するバスである。

【００１４】４１ａは、直交型接触式３次元計測装置３
ａに設けられた駆動モータ１１ａ〜１１ｃ，１３等を駆
動制御する駆動制御回路で、直交型接触式３次元計測装
置３ａに設けられた位置検出器１２ａ〜１２ｃ，１４，
１５等で検出された位置信号（変位信号）を入力してフ
ィードバック制御できるように構成している。４１ｂ
は、直交型接触式３次元計測装置３ｂに設けられた駆動
モータ１１ａ〜１１ｃ，１３等を駆動制御する駆動制御
回路で、直交型接触式３次元計測装置３ｂに設けられた
位置検出器１２ａ〜１２ｃ，１４，１５等で検出された
位置信号（変位信号）を入力してフィードバック制御で
きるように構成している。４２ａは、望遠鏡またはレー
ザ測長器４５に対するマークまたはミラー４４の姿勢を
変えるための駆動制御回路で、マークまたはミラー４４
に設置された検出器で検出される姿勢の信号を入力して
フィードバック制御できるように構成している。４２ｂ
は、望遠鏡またはレーザ測長器４５の姿勢を変えるため
の駆動制御回路で、望遠鏡またはレーザ測長器４５に設
置された回転検出器（バーニヤやスリット光検出装置が
用いられる。）で検出される姿勢の信号を入力してフィ
ードバック制御できるように構成している。以上説明し
たように、直交型接触式３次元計測装置３ｂの基台９に
取り付けたマークまたはミラー４４と直交型接触式３次
元計測装置３ａの基台９に取り付けた十字線の入った望
遠鏡またはレーザ測長器４５と計測制御装置２１とで構
成される相対位置姿勢測定装置４３を設けたことによ
り、直交型接触式３次元計測装置３ａにおける基準座標
系と直交型接触式３次元計測装置３ｂにおける基準座標
系との間の相対位置および姿勢を算出することができ、
その結果、直交型接触式３次元計測装置３ａにおける基
準座標系と直交型接触式３次元計測装置３ｂにおける基
準座標系とを合わせることができ、数ｍを超える大形部
品１に対して同じ座標系で寸法や形状を接触式により１
ｍｍ以下の精度で測定することができ、しかも数ｍを超
える大形部品１に対するケガキ等の加工について同じ座
標系で１ｍｍ以下の精度で行うことができる。

【００１５】なお、直交型接触式３次元計測装置３ａお
よび直交型接触式３次元計測装置３ｂを例えば同じ定盤
上に設置することによって、直交型接触式３次元計測装
置３ａおよび直交型接触式３次元計測装置３ｂの基準座
標系のＺ軸方向は、共に同じ鉛直方向であるものとす
る。この場合は、直交型接触式３次元計測装置３ａの基
準座標系と直交型接触式３次元計測装置３ｂの基準座標
系との間において、図２に示すようにＸ軸及びＹ軸回り
に傾きがない（β＝０°，γ＝０°）ことになる。従っ
て、直交型接触式３次元計測装置３ｂの基準座標系に対
するマークまたはミラー４４の位置及び姿勢と直交型接
触式３次元計測装置３ａの基準座標系に対する望遠鏡ま
たはレーザ測長器４５の位置及び姿勢とが検出できれ
ば、相対位置・姿勢測定装置４３によって直交型接触式
３次元計測装置３ａにおける基準座標系（（ｘ₀，ｙ₀，
ｚ₀）を原点とするｘ，ｙ，ｚ座標系）と直交型接触式
３次元計測装置３ｂにおける基準座標系（（ｘ'₀，
ｙ'₀，ｚ'₀）を原点とするｘ'，ｙ'，ｚ'座標系）との
間の相対位置および姿勢を算出することができる。即
ち、相対位置・姿勢測定装置４３によって直交型接触式
３次元計測装置３ａにおける基準座標系（（ｘ₀，ｙ₀，
ｚ₀）を原点とするｘ，ｙ，ｚ座標系）と直交型接触式
３次元計測装置３ｂにおける基準座標系（（ｘ'₀，
ｙ'₀，ｚ'₀）を原点とするｘ'，ｙ'，ｚ'座標系）との
間の相対位置（ｌx＝ｘ'₀−ｘ₀，ｌy＝ｙ'₀−ｙ₀，ｌz
＝ｚ'₀−ｚ₀）およびＺ軸回りの回転ずれ（Ｚ軸回りの
姿勢ずれ）（α）を測定して算出できれば良い。

【００１６】もし、直交型接触式３次元計測装置３ａの
基準座標系のＺ軸方向と直交型接触式３次元計測装置３
ｂの基準座標系のＺ軸方向との間において、僅かの傾き
が存在する場合には、相対位置・姿勢測定装置４３によ
って直交型接触式３次元計測装置３ａにおける基準座標
系と直交型接触式３次元計測装置３ｂにおける基準座標
系との間の相対位置（ｌx,ｌy,ｌz）およびＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸回りの回転ずれ（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りの姿勢
ずれ）（α,β,γ）を測定して算出する必要がある。こ
の場合、未知数が（β，γ）によって２つ増加するた
め、相対位置・姿勢測定装置４３として、マークまたは
ミラー４４を、直交型接触式３次元計測装置３ｂの基台
９に複数設置するか、望遠鏡またはレーザ測長器４５
を、直交型接触式３次元計測装置３ａの基台９に複数設
置する必要がある。

【００１７】要するに、相対位置・姿勢測定装置４３に
よって、大形部品１に対する共通の座標系（絶対座標
系）を、直交型接触式３次元計測装置３ａおよび３ｂに
対して設定することができればよい。一方、大形部品１
上の同一の複数個所を、直交型接触式３次元計測装置３
ａと直交型接触式３次元計測装置３ｂとで測定すること
ができれば、計測制御装置２１において、直交型接触式
３次元計測装置３ａで計測された寸法と直交型接触式３
次元計測装置３ｂで計測された寸法との誤差を算出する
ことができ、この算出された誤差を相対位置・姿勢測定
装置４３で測定された相対位置および姿勢に対して補正
することによって、相対位置・姿勢測定装置４３で測定
された相対位置および姿勢を校正（キャリブレーショ
ン）することができる。またこの場合、計測制御装置２
１は、大形部品である被対象物１上の同一の複数個所を
介して、直交型接触式３次元計測装置３ａにおける基準
座標系（（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）を原点とするｘ，ｙ，ｚ座
標系）と直交型接触式３次元計測装置３ｂにおける基準
座標系（（ｘ'₀，ｙ'₀，ｚ'₀）を原点とするｘ'，ｙ'，
ｚ'座標系）との間の相対位置および姿勢を算出するこ
とができるので、上記相対位置・姿勢測定装置４３にお
けるマークまたはミラー４４および望遠鏡またはレーザ
測長器４５をなくすこともできる。

【００１８】また既知の寸法および形状の部品を、計測
制御装置２１において、直交型接触式３次元計測装置３
ａと直交型接触式３次元計測装置３ｂとの各々で計測
し、既知の寸法および形状に対するこれら計測された寸
法および形状の誤差を、相対位置・姿勢測定装置４３で
測定された相対位置および姿勢に対して補正することに
よって、相対位置・姿勢測定装置４３で測定された相対
位置および姿勢を校正（キャリブレーション）すること
ができる。ただし、既知の寸法および形状の部品のデー
タを、入力手段３５を用いて入力してＲＡＭ２４または
外部記憶装置３６に記憶しておき、ＣＰＵ２２が既知の
寸法および形状に対する計測された寸法および形状の誤
差を算出することができる。またこの場合においても、
計測制御装置２１は、既知の寸法および形状の部品を介
して、直交型接触式３次元計測装置３ａにおける基準座
標系と直交型接触式３次元計測装置３ｂにおける基準座
標系との間の相対位置および姿勢を算出することができ
るので、上記相対位置・姿勢測定装置４３におけるマー
クまたはミラー４４および望遠鏡またはレーザ測長器４
５をなくすこともできる。

【００１９】また相対位置・姿勢測定装置４３に温度測
定装置を設置し、測定された温度に応じて測定された相
対位置を校正することによって、温度変動が生じたとし
ても、相対位置の精度を向上させることができる。以上
説明したように、相対位置・姿勢測定装置４３で測定さ
れた相対位置および姿勢を校正（キャリブレーション）
することによって、数ｍを超える大形部品１に対して、
複数の直交型接触式３次元計測装置３ａ，３ｂを用い
て、１ｍｍ以下の高精度で寸法測定作業や加工時のケガ
キ作業等を行うことができる。

【００２０】図４は、本発明に係る接触式計測装置の相
対位置姿勢を相対位置・姿勢測定装置によって計測する
接触式計測システム構成の第２の実施の形態を示す概略
構成図である。図４には、図１における直交型接触式３
次元計測装置３ａ，３ｂの代わりに多関節型接触式３次
元計測装置８ａ，８ｂを用いた場合を示す。多関節型接
触式３次元計測装置８ａ，８ｂは、人間の腕のように肩
部（旋回部）１８ａに第１アーム１８ｂおよび第２アー
ム１８ｃが直列に接続され、更に対象物に接触する針２
を保持する手首部１８ｄを備えており、各関節に駆動モ
ータ１１ａ〜１１ｄ，１３および関節角度検出装置１２
ａ〜１２ｄ，１４が配置され、針２にも変位検出器１５
を備えた計測装置である。これら多関節型接触式３次元
計測装置８ａ，８ｂの各々には、図１における直交型接
触式３次元計測装置３ａ，３ｂと同様に基準座標系（図
２に示すように（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）を原点とするｘ，
ｙ，ｚ座標系、（ｘ'₀，ｙ'₀，ｚ'₀）を原点とする
ｘ'，ｙ'，ｚ'座標系）を有している。これら多関節型
接触式３次元計測装置８ａ，８ｂは直交型接触式３次元
計測装置３ａ，３ｂと比較して、計測範囲が小さいもの
の、対象物が大形部品１である例えば自動車の室内な
ど、もぐり込み動作が必要な狭あい部においても計測や
加工等を施すことができる特徴を持つ。多関節型接触式
３次元計測装置８ａには望遠鏡（測距機能付きトランシ
ット）またはレーザ測長器４５が設置され、もう一つの
多関節型接触式３次元計測装置８ｂにはマークまたはミ
ラー４４が設置される。ところで、多関節型接触式３次
元計測装置８ａおよび多関節型接触式３次元計測装置８
ｂを例えば同じ定盤上に設置することによって、多関節
型接触式３次元計測装置８ａおよび多関節型接触式３次
元計測装置８ｂの基準座標系のＺ軸方向は、共に同じ鉛
直方向であるものとする。この場合は、多関節型接触式
３次元計測装置８ａの基準座標系と多関節型接触式３次
元計測装置８ｂの基準座標系との間において、図２に示
すようにＸ軸及びＹ軸回りに傾きがない（β＝０°，γ
＝０°）ことになる。従って、多関節型接触式３次元計
測装置８ｂの基準座標系に対するマークまたはミラー４
４の位置及び姿勢と多関節型接触式３次元計測装置８ａ
の基準座標系に対する望遠鏡またはレーザ測長器４５の
位置及び姿勢とが検出できれば、相対位置・姿勢測定装
置４３によって多関節型接触式３次元計測装置８ａにお
ける基準座標系（（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）を原点とするｘ，
ｙ，ｚ座標系）と多関節型接触式３次元計測装置８ｂに
おける基準座標系（（ｘ'₀，ｙ'₀，ｚ'₀）を原点とする
ｘ'，ｙ'，ｚ'座標系）との間の相対位置および姿勢を
算出することができる。即ち、相対位置・姿勢測定装置
４３によって多関節型接触式３次元計測装置８ａにおけ
る基準座標系（（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）を原点とするｘ，
ｙ，ｚ座標系）と多関節型接触式３次元計測装置８ｂに
おける基準座標系（（ｘ'₀，ｙ'₀，ｚ'₀）を原点とする
ｘ'，ｙ'，ｚ'座標系）との間の相対位置（ｌx＝ｘ'₀−
ｘ₀，ｌy＝ｙ'₀−ｙ₀，ｌz＝ｚ'₀−ｚ₀）およびＺ軸回
りの回転ずれ（Ｚ軸回りの姿勢ずれ）（α）を測定して
算出できれば良い。

【００２１】もし、多関節型接触式３次元計測装置８ａ
の基準座標系のＺ軸方向と多関節型接触式３次元計測装
置８ｂの基準座標系のＺ軸方向との間において、僅かの
傾きが存在する場合には、相対位置・姿勢測定装置４３
によって接触式３次元計測装置８ａにおける基準座標系
と接触式３次元計測装置８ｂにおける基準座標系との間
の相対位置（ｌx,ｌy,ｌz）およびＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回
りの回転ずれ（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りの姿勢ずれ）
（α,β,γ）を測定して算出する必要がある。この場
合、未知数が（β，γ）によって２つ増加するため、相
対位置・姿勢測定装置４３として、マークまたはミラー
４４を、接触式３次元計測装置８ｂの基台９に複数設置
するか、望遠鏡またはレーザ測長器４５を、接触式３次
元計測装置８ａの基台９に複数設置する必要がある。そ
して計測制御装置２１は、多関節型接触式３次元計測装
置８ａ，８ｂに対しても、直交型接触式３次元計測装置
３ａ，３ｂに対するのと同様に計測制御する。

【００２２】図５は、本発明に係る接触式計測装置の相
対位置姿勢を相対位置・姿勢測定装置によって計測する
接触式計測システム構成の第３の実施の形態を示す概略
構成図である。図５には、接触式三次元計測装置３ｅ，
３ｆ，３ｇ，３ｈを４個並設し、それらの間に相対位置
・姿勢測定装置４３ａ，４３ｂ，４３ｃを並設した場合
を示す。計測制御装置２１については、図１及び図４に
示すのと同様であり、図示省略する。この第３の実施の
形態は、大形部品からなる３次元の被計測対象物に対し
て計測部位（計測個所）が多数あり、かつ一つの計測部
位（計測個所）を基準にして他の複数の計測部位（計測
個所）を並列に計測したい場合に適用することができ
る。具体的には、図６に示すように大形部品からなる３
次元の被計測対象１ａの加工前のケガキ作業時の寸法計
測が考えられる。この場合、ある計測部位（計測個所）
を基準におき、かつ他の計測部位（計測個所）同士は独
立して計測しなければならない。このため、基準となる
計測部位を計測するための望遠鏡（測距機能付きトラン
シット）またはレーザ測長器４５を搭載した接触式三次
元計測装置３ｅを設置し、他の計測部位を計測するため
の計測用マークまたはミラー４４を搭載した接触式三次
元計測装置３ｆ，３ｇ，３ｈを並設し、相対位置・姿勢
測定装置４３ａ，４３ｂ，４３ｃにより接触式三次元計
測装置３ｅの基準座標系に対する接触式三次元計測装置
３ｆ，３ｇ，３ｈの各々の基準座標系の相対位置および
姿勢を計測することにより、接触式三次元計測装置３ｅ
が計測する基準となる計測部位の座標系で、他の計測部
位の各々を接触式三次元計測装置３ｆ，３ｇ，３ｈの各
々により計測することができる。

【００２３】図７は、本発明に係る接触式計測装置の相
対位置姿勢を相対位置・姿勢測定装置によって計測する
接触式計測システム構成の第４の実施の形態を示す概略
構成図である。図７には、接触式三次元計測装置３ｌ，
３ｍ，３ｎを３個直列に設置し、それらの間に相対位置
・姿勢測定装置４３ｃ，４３ｄを直列に設置した場合を
示す。計測制御装置２１については、図１及び図４に示
すのと同様であり、図示省略する。この第４の実施の形
態は、大形部品からなる３次元の被計測対象物に対して
計測部位（計測個所）が多数あり、かつ各々の計測部位
（計測個所）が連続している場合に適用することができ
る。具体的には、図８に示すように大型配管１ｂの組み
立て時の寸法計測が考えられる。この場合、ある計測部
位（計測個所）を起点にして連続的に計測する必要があ
るため、接触式三次元計測装置３ｌに望遠鏡（測距機能
付きトランシット）またはレーザ測長器４５を設置し、
接触式三次元計測装置３ｍに望遠鏡（測距機能付きトラ
ンシット）またはレーザ測長器４５および計測用マーク
またはミラー４４を設置し、接触式三次元計測装置３ｎ
に計測用マークまたはミラー４４を設置し、各接触式三
次元計測装置３ｌ，３ｍ，３ｎの相対的位置および姿勢
が連続的に計測できるような構成にすればよい。

【００２４】以上説明したように上記第３および第４の
実施の形態によれば、計測精度が約１ｍｍ以下の高精度
を確保できる小形の接触式三次元計測装置３、８を複数
設置し、数ｍを超える大形部品１に対して各接触式三次
元計測装置で計測する計測部位（計測個所）を分け、相
対位置・姿勢測定装置４３の各々により接触式三次元計
測装置３、８の各々の基準座標系の相対位置および姿勢
を計測することにより、各接触式三次元計測装置により
大形部品からなる３次元の被計測対象物１に対して設定
される共通の座標系で約１ｍｍ以下の高精度を確保して
計測作業や加工時のケガキ作業等を実現することができ
る。また、本発明に係る第５の実施の形態として、図５
に示した並列接続の第３の実施の形態と図７に示した直
列接続の第４の実施の形態とを組み合わせた構成も考え
られる。この場合、接続方法は樹状に広がりを持ち、任
意の接触式三次元計測装置３、８を基準にして、任意の
数の接触式三次元計測装置３、８を独立に計測したり、
任意の数の接触式三次元計測装置３、８を連続的に計測
したりすることができる。

【００２５】図９は、本発明に係る接触式計測装置の相
対位置姿勢を相対位置・姿勢測定装置によって計測する
接触式計測システム構成の第５の実施の形態を示す概略
構成図である。図９には、計測の座標原点を接触式三次
元計測装置３、８外にとる場合の実施の形態を示す。計
測制御装置２１については、図１及び図４に示すのと同
様であり、図示省略する。接触式三次元計測装置３ｐ，
３ｑには望遠鏡（測距機能付きトランシット）またはレ
ーザ測長器４５を設置し、接触式三次元計測装置外に計
測用マークまたはミラー４４を設置して座標原点とす
る。そして、接触式三次元計測装置３ｐ，３ｑの各々で
大形部品からなる３次元の被計測対象物上の多数の点の
寸法を計測し、相対位置・姿勢測定装置４３ｅ，４３ｆ
の各々により接触式三次元計測装置３ｐ，３ｑの座標原
点４４に対する相対的な位置姿勢を計測することによ
り、座標原点４４に対する３次元の被計測対象物１ａ上
の各計測点の計測値を得ることができる。

【００２６】図１０は、本発明に係る接触式計測装置の
相対位置姿勢を相対位置・姿勢測定装置によって計測す
る接触式計測システム構成の第６の実施の形態を示す概
略構成図である。図１０には、接触式３次元計測装置
３、８の外に非接触計測装置を設置した場合の適用例を
示す。計測制御装置２１については、図１及び図４に示
すのと同様であり、図示省略する。接触式三次元計測装
置３ｒ，３ｓには計測用マークまたはミラー４４を設置
し、接触式三次元計測装置３ｒ，３ｓ外に望遠鏡（測距
機能付きトランシット）またはレーザ測長器４５を設置
する。そして、接触式三次元計測装置３ｒ，３ｓの各々
で大形部品からなる３次元の被計測対象物上の多数の点
の寸法を計測し、望遠鏡（測距機能付きトランシット）
またはレーザ測長器４５から接触式三次元計測装置３
ｒ，３ｓの位置および姿勢を計測することにより、望遠
鏡（測距機能付きトランシット）またはレーザ測長器４
５に対する３次元の被計測対象物１ａ上の各計測点の計
測値を得ることができる。

【００２７】図１１は、本発明に係る接触式計測装置の
相対位置姿勢を相対位置・姿勢測定装置によって計測す
る接触式計測システム構成の第７の実施の形態を示す概
略構成図である。図１１には、接触式３次元計測装置と
移動装置を組み合わせた場合の適用例を示す。この第７
の実施の形態は、接触式３次元計測装置３の下に台車４
６を設置し、この台車４６により接触式３次元計測装置
３を複数の計測場所の間を任意に移動させて大形部品か
らなる３次元の被計測対象物１ａに対応できるようにし
た構成である。そして、接触式三次元計測装置３には計
測用マークまたはミラー４４を設置し、これを接触式三
次元計測装置３の外に設置された望遠鏡（測距機能付き
トランシット）またはレーザ測長器４５から計測する。

【００２８】即ち、ある計測個所において接触式三次元
計測装置３を停止固定させた状態で、接触式三次元計測
装置３により３次元の被計測対象物１ａ上のある領域の
み計測し、更に測距機能付きトランシット４５により接
触式三次元計測装置３の測距機能付きトランシット４５
に対する相対的な位置および姿勢を計測し、上記接触式
三次元計測装置３により計測された３次元の被計測対象
物１ａ上のある領域の計測値を上記計測された接触式三
次元計測装置３の相対的な位置および姿勢に基づいて計
測制御装置２１により測距機能付きトランシット４５の
座標系に変換する。次に台車４６を動かして接触式三次
元計測装置３を別の計測場所まで移動させて停止固定さ
せる。そして、この別の計測場所において接触式三次元
計測装置３により３次元の被計測対象物１ａ上の別の領
域のみ計測し、更に測距機能付きトランシット４５によ
り別の計測場所に移動した接触式三次元計測装置３の測
距機能付きトランシット４５に対する相対的な位置およ
び姿勢を計測し、上記接触式三次元計測装置３により計
測された３次元の被計測対象物１ａ上の別の領域の計測
値を上記計測された接触式三次元計測装置３の相対的な
位置および姿勢に基づいて計測制御装置２１により測距
機能付きトランシット４５の座標系に変換する。更に繰
り返すことが必要な場合は、上記計測制御を繰り返す。
以上により、１台の接触式三次元計測装置３により広い
計測範囲で、且つ同じ座標系で高精度に計測することが
可能となる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、数ｍを超える大形部品
や大形装置の様々な寸法または形状を、小型の接触式３
次元計測装置が持っている１ｍｍ以下の高精度を維持し
て計測することができる効果を奏する。また本発明によ
れば、数ｍを超える被対象物が一つの基準点から作図さ
れた場合においても、作図上の寸法を接触式で直接精度
良く計測することができる効果を奏する。例えば、長大
な配管の寸法計測や加工時のケガキ作業を同一の寸法座
標で行うことができる。さらに、部品の組み付け作業に
おける組み込み位置のケガキ作業において、組み込み部
の大きさが数ｍ以上にわたる場合でも同一の寸法座標で
行うことができる。また本発明によれば、電力機装置な
どの大型の部品の加工組み立てや、橋梁などの建築物の
加工組み立てに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る接触式計測システム構成の第１の
実施の形態を示す概略構成図である。

【図２】複数の接触式３次元計測装置の各々に設定また
は定義された基準座標系の関係を示した図である。

【図３】計測制御装置の具体的構成を示す図である。

【図４】本発明に係る接触式計測システム構成の第２の
実施の形態を示す概略構成図である。

【図５】本発明に係る接触式計測システム構成の第３の
実施の形態を示す概略構成図である。

【図６】図５に示す第３の実施の形態を部品のケガキ作
業の寸法計測に適用した場合を示す図である。

【図７】本発明に係る接触式計測システム構成の第４の
実施の形態を示す概略構成図である。

【図８】図７に示す第４の実施の形態を大型配管の組み
立て時の寸法計測に適用した場合を示す図である。

【図９】本発明に係る接触式計測システム構成の第５の
実施の形態を示す概略構成図である。

【図１０】本発明に係る接触式計測システム構成の第６
の実施の形態を示す概略構成図である。

【図１１】本発明に係る接触式計測システム構成の第８
の実施の形態を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１…被対象物、１ａ…大形部品、１ｂ…大形配管、２…
接触針（接触プローブ）３，３ａ，３ｂ，３ｅ〜３
ｈ，３ｌ〜３ｎ…直交型接触式３次元計測装置８，８ａ，８ｂ，…多関節型接触式３次元計測装置、９
…基台１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…アーム１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１３…駆動モータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１４，１５…位置検出装置又
は角度検出装置１８ａ…肩部、１８ｂ…第１アーム、１８ｃ…第２アー
ム、１８ｄ…手首部２１…計測制御装置、２２…ＣＰＵ、２３…ＲＯＭ、２
４…ＲＡＭ２５〜３２…インターフェース、３３…出力手段、３４
…表示手段３５…入力手段、３６…外部記憶装置、３７…バス４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ…駆動制御回路４３…相対位置・姿勢測定装置４４，４４ａ，４４ｂ…計測用マークまたはミラー４５，４５ａ，４５ｂ…望遠鏡（測距機能付きトランシ
ット）またはレーザ測長器、４６…台車

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元の被対象物に対して複数の接触式３
次元計測装置を用いて同一３次元座標系で計測すること
を特徴とする接触式３次元計測方法。
【請求項２】３次元の被対象物上の異なる領域の各々に
対して複数の接触式３次元計測装置の各々により各接触
式３次元計測装置に対して設定または定義される各３次
元座標系で計測し、上記各接触式３次元計測装置に対して設定または定義さ
れる各３次元座標系の相対的な位置および姿勢を相対位
置・姿勢測定装置により測定し、上記各３次元座標系で計測された３次元の被対象物上の
異なる領域の計測値を、上記測定された各３次元座標系
の相対的な位置および姿勢に基づいて同一３次元座標系
に変換して３次元の被対象物上の異なる領域に対して同
一３次元座標系で計測することを特徴とする接触式３次
元計測方法。
【請求項３】３次元の被対象物上の異なる領域の各々に
対して計測すべく接触式３次元計測装置について複数の
場所の間を移動させ、上記３次元の被対象物上の異なる領域の各々に対して上
記各場所に移動した接触式３次元計測装置により該接触
式３次元計測装置に対して設定または定義される各３次
元座標系で計測し、上記各場所に移動した接触式３次元計測装置に対して設
定または定義される各３次元座標系の相対的な位置およ
び姿勢を相対位置・姿勢測定装置により測定し、上記各３次元座標系で計測された３次元の被対象物上の
異なる領域の計測値を、上記測定された各３次元座標系
の相対的な位置および姿勢に基づいて同一３次元座標系
に変換して３次元の被対象物上の異なる領域に対して同
一３次元座標系で計測することを特徴とする接触式３次
元計測方法。
【請求項４】３次元の被対象物上の異なる領域の各々に
対して接触させて、各々設定または定義される３次元座
標系で計測する複数の接触式３次元計測装置と、該各接
触式３次元計測装置に対して設定または定義される各３
次元座標系の相対的な位置および姿勢を測定する相対位
置・姿勢測定装置と、上記各接触式３次元計測装置によ
り各３次元座標系で計測された３次元の被対象物上の異
なる領域の計測値を、上記相対位置・姿勢測定装置によ
り測定された各３次元座標系の相対的な位置および姿勢
に基づいて同一３次元座標系に変換して３次元の被対象
物上の異なる領域に対して同一３次元座標系で計測する
演算処理手段とを有することを特徴とする接触式３次元
計測システム。
【請求項５】複数の場所の間を移動させる移動手段と、
該移動手段によって移動させられ、３次元の被対象物上
の異なる領域の各々に対して接触させて、上記移動手段
によって移動した各場所において設定または定義される
３次元座標系で計測する接触式３次元計測装置と、上記
移動手段によって移動した各場所において接触式３次元
計測装置に対して設定または定義される各３次元座標系
の相対的な位置および姿勢を測定する相対位置・姿勢測
定装置と、上記接触式３次元計測装置により各３次元座
標系で計測された３次元の被対象物上の異なる領域の計
測値を、上記相対位置・姿勢測定装置により測定された
各３次元座標系の相対的な位置および姿勢に基づいて同
一３次元座標系に変換して３次元の被対象物上の異なる
領域に対して同一３次元座標系で計測する演算処理手段
とを有することを特徴とする接触式３次元計測システ
ム。