JPS62218808A - 三次元計測ロボットの計測精度補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ）産業上の利用分野 本発明は、例えば、自動車の部品や車体等の立体形状を
計測する三次元計測ロボット　（三次元測定装置）の精
度補正方法に関し、詳しくは、直交３軸の片持型の計測
機機構のアームに、先端に接触子を有する回転２軸及び
曲折２軸の多関節アームを設けた三次元計測ロボツ）Ｋ
於ける精度補正方法に関する。

口）従来の技術 従来から、三次元（立体形状）の計測には、直交３軸の
問屋あるいは片持型の三次元測定装置が使用されている
。この２つのタイプの測定装置の特長としては、前者は
上から下方向への測定を基本とし、後者は横方向からの
測定を基本とするものであり、前者に比較してより計測
可能な範囲が広く有効性は大きいが、いずれにしても複
雑形状の計測には不向きであった。

そこで、近時、片持型の直交３軸の測定機のアームに回
転２軸及び曲折２軸の多関節アームを設け、この多関節
アームの先端に接触子を設けて複雑形状の計測を可能に
する三次元計測ロボットが実現しつつある。

ハ）発明が解決しようとする問題点 しかし、上記の改良された三次元計測ロボットでは、多
関節のアームを備えるため、可動部分が多くあり、必然
的にその分だけ大きな計測誤差を生じる虞れがあり、適
当な補正手段を講じなければ、とても高精度での実用化
はできないと匹う問題があった。そして、従来、この適
当な補正手段はなく、このため、多関節アームを備える
改良された三次元計測ロボットは実用化これないままで
あった。

本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、
改良された三次元計測ロボットに於て、その構造的なも
のから発生する計測誤差を補正し計測精度を向上させる
方法を提供することを目的とする。

二）問題点を解決するための手段 上記の目的を達成するため、まずＫｌの発明の三次元計
測ロボットの精度補正方法は、直交３軸の計測機機構の
アームに、第１回転軸と第１曲折軸と第２回転軸と８ｇ
２曲折軸とが順に連結された多関節アームを設け、該多
関節アームの第２曲折軸の先端に接触子を備える三次元
計測ロボットに於て、上記多関節アームの基本姿勢で、
定位置に置いた基準となる球体の表面に１上記接触子を
接触させる手法で該球体の基準中心座標を求め、この求
め虎中心座標値を基準値と定め、以下、上記第２回転軸
及び第２曲折軸を一定の姿勢に保持しつつ、上記第１回
転軸及び第１曲折軸の回転角度及び曲折角度を変化させ
て上記球体全便った手法により、各姿勢で該球体の中心
座標値を求めるとともに、該値と上記基準中心座標との
差を補正値として求めて該補正値を上記回転角度及び曲
折角度を変数とするマトリックス上に記憶づせた第１の
補正マトリックスを作成し、同様に、上記第１回転軸及
び第１曲折軸を一定の姿勢に保持しつつ、上記第２回転
軸及び第２曲折軸の回転角度及び曲折角度を変化ζせて
上記球体を使った手法により、各姿勢で該球体の中心座
標値を求めるとともに、該値と上記基準中心座標との差
を補正値として求めて該補正値を上記第２回転軸及び第
２曲折軸の回転角度及び曲折角度を変数とするマトリッ
クス上に記憶させた第２の補正マトリックスを作成し、
しかる後に、三次元計測ロボットに測定対象物の測定点
及び該測定点に至る経路をティーチングし、このティー
チングに基いて測定点の自動計測を行って測定値を求め
るとともに、該測定値を求めるにあたっての多関節アー
ムの姿勢に応じて上記第１及び第２の補正マトリックス
からそ４ぞれ近似＠正 的に補正値を検索し、かつ、これら２つの餠鐙値を合成
してこの合成補正値だけ上記測定値を補正するものであ
る。

また、第２の発明の係る三次元計測ロボットの精度補正
方法は、直交３軸の計測機機構のアーム忙、第１回転軸
と第１曲折軸と第２回転軸と第２曲折軸とが順に連結さ
れた多関節アームを設け、該多関節アームの第２曲折軸
の先端に接触子を備える三次元計測ロボットに於て、上
記多関節アームの基本姿勢で、定位置に置いた基準とな
る球体の表面に、上記接触子を接触させる手法で該球体
の基準中心座標を求め、この求めた中心座標値を基準値
と定め、以下、上記第２回転軸及びＭ２曲折軸を一定の
姿勢に保持しつつ、上記！１回転軸及び第１曲折軸の回
転角度及び曲折角度を変化させて上記球体を使った手法
により、各姿勢で該球体の中心座標値を求めるとともに
、該値と上記基準中心座標との差を補正値として求めて
該補正値を上記回転角度及び曲折角度を変数とするマト
リックス上に記憶ζせた第１の補正マ）　ＩＪソックス
作成し、同様に、上記第１回転軸及び第１曲折軸を一定
の姿勢に保持しつつ、上記第２回転軸及び第２曲折軸の
回転角度及び曲折角度を変化させて上記球体を使った手
法により、各姿勢で該球体の中心座標値を求めるととも
に、該値と上記基準中心座標との差を補正値として求め
て該補正値を上記第２回転軸及び第２曲折軸の回転角度
及び曲折角度を変数とするマトリックス上に記憶させた
第２の補正マ）　ＩＪソックス作成し、制御装置に、三
次元計測ロボットを制御するために、測定点における多
関節アームの姿勢及びそれに至る経路のデータを入力し
、測定点での多関節アームの姿勢に応じて上記第１及び
第２の補正マトリックスからけ上記データを補正し、こ
の補正さｎたデータを使用して上記測定点を自動計測し
て測定値を得るものである。

ホ）作　　用 第１の発明は、ティーチングプレイバック方式によって
三次元計測ロボットを作動させるものである。以下、そ
の作用を述べると、多関節アームの基本姿勢に対する各
姿勢時の補正値を基準となる球体の中心座標を求める手
法から求めて第１及び第２の補正マトリックスを作成し
、これを記憶装置に記憶しておく、そして、三次元計測
ロボットに被測定対象の測定点及び該測定点に至る経路
をティーチングし、このティーチングに基いて測定点の
自動計測を行い測定値を求めるとともに、記憶しである
第１及び！２の補正マトリックスを使って測定値を補正
してやれば高精度での計測が可能になる。

次に％第２の発明は、データベース方式によって三次元
計測ロボットヲ作動させるものであり、第１の発明と同
様に、予め第１及び第２の補正マトリックスを作成して
記憶装置に記憶してお（、しかして、制御装置に、被測
定対象の測定点における多関節アームの姿勢及びそれに
至る経路等のデータを入力するとともに、このデータを
記憶しておいた第１及び第２の補正マトリックスを使っ
て補正し、この補正はねたデータを使用して自動計測を
行うことにより、高精度での計測が可能になる。

このように、本発明では、測定誤差の増幅され易り多関
節型アームを備える三次元計測機であっても、予め多関
節アームの可動範囲全網羅して各姿勢での補正値を記憶
しておき、ティーチングプレイパック方式では実際の測
定値に％また、データベース方式では制御装置への入力
データに、それぞれ上記記憶された特定の補正値金力き
出すとともにこの補正値分だけ補正処理するものであり
、これにより、高精度での計測が可能になるものである
。

へ）実施例 以下、本発明の実施例を図面につ込て説明する。

まず最初に、第１図及び第２図は、本発明に係る改良こ
れた三次元計測ロボットヲ図示するものであり、ｌは計
測装置、２はレール（溝の場合もある）、３Ｆｉこのレ
ール２上に沿って（を軸方向に）に移動するベース、４
はベース３上に垂直に立てられたコラム、５はコラム４
に沿って（プ軸方向）に移動するヘッド、６はレール２
及びコラム４に対して直角で水平方向（（軸方向）に設
けられ、かつ、ヘッド５中をこの軸方向に摺動するアー
ムである。ここまでの構成は、従来からあるものと同じ
であり、従来のものはこのアーム６の先端に接触子を備
えるものであつ九。

本発明忙係る三次元計測ロボットの計測装置１は、直交
３軸の片持型の基本構成に加えてそのアーム６の先端に
さらに多関節型のアーム７を備え、この多関節型アーム
７の先端に接触子全役けるものである。すなわち、多関
節型アーム７に於て、８はアーム軸６に対して同軸で回
動可能な第１回転軸、９はこの第１回転軸８の先端に軸
支して第１回転軸８の中心軸に対して直交する一平面上
を回動可能な８ｇ１曲折軸、１０はこの第１曲折軸９に
対して同軸で回転可能な第２回転軸、１１は第２回転軸
１０の先端に軸支して第２回転軸１０の中心軸に対して
直交する一平面上七回動可能な第２曲折軸、１２は第２
曲折軸１１の先端に設けた接触子である。

なお、多関節型アーム７各部は必ずしも３６０゜の範囲
で回転可能なわけではない。！１回転軸８、第１曲折軸
９、第２回転軸１０及び第２回転軸１１の角度をそれぞ
れ　θ１．θ１．θ３．θ、　で示せば、−９０１≦θ
目≦９０°　、−１９０”≦θ、≦１０”、−９０°≦
θ、≦９０’、　　　−１００”≦θ番　≦　１００゜
（ただし、第１図及び第２図に示す状態を原点、すなわ
ち、基準位置としたとき。）である。

また、１３け三次元計測ロボットを制御するためのコン
ピュータからなる制御装置である。

なお、第１図に於て、１４は測定対象物を載置する定盤
、１５は真円の球体１６を備える基準治具を示す。

本発明の特徴は、多関節アーム７の関節部各部の可動範
囲で各姿勢時の誤差時（これを補正値とする。）′ｊｋ
予め記憶しておき、計測時にこれら補正値を利用して測
定値を補正するものである。このため、本発明では補正
マ）　ＩＪッスと称するものを作成する。

この補正マトリックスは第１及び第２の２つが存在し、
Ｉ！１の補正マトリックスＩ／ｉ第１回転軸８及び第１
曲折軸９に対応し、第２の補正マトリックスは第２回転
軸１０及び第２曲折軸１１に対応するものである。以下
、説明する。

まず、補正マトリックスを作成するにあたって、多関節
アーム７の原点（基準）姿勢を定める。この基準姿勢は
、できるだけ多関節アーム７の構造からして計測誤差の
出Ｋ〈い姿勢とすることが好ましく、例えば、第１図及
び第２図に図示する姿勢がこれに該当ずぶ。この場合、
θ、＝θ、＝θ。

＝θ４；０°　である。

なお、基準姿勢は、必ずしもこれに限定するものではな
く−１他の任意な姿勢としてもよい。

そして、この基準姿勢において、定盤１４上の定位置に
載置した基準治具１５の真円の球体１６の表面に多関節
アーム７の先端に設けた接触子１２を接触させてこの球
体１６の中心座標を求める。

球体１６の中心座ａｔ求めるには球面上の４点の座標か
ら容易に求まる。下記０式は４点（ｘＩｔｕｇ　　＋Ｚ
Ｉ　）ｔ　　（Ｚ＊　　、ｌｉｍ　　＋ｇ２）ｌ　　（
２Ｍ痰 ＋−ｙａ　　ｈｉｍ）＋　　（Ｚ４　１Ｙ４　　＋　ｚ
４）を通る＄の方程式の行列式を用いた一般解である。

この行列式を展開し、さらに変形すると、下記■式とな
る。

（：ｒニーａ）”　＋　（ｙ−６ｆ　＋　Ｃｚ−ｃ）”
　＝　Ｒ”　−・・・、、・、、■ここで、α１６１”
は球の中心座標値（α、ｂ、Ｃ）であり、Ｒは球の半径
で一定である。

したがって、球体１６の球面上の４点に接触子１２を当
接させれば、これらの４点の座標値が読みとられ、これ
ら４点の座標値から球体１６の中心座標及び半径が容易
に計算で求まる。ここでは球体１６の中心座標値が必要
であり、半径値は必ずしも必要なものではな込が、この
演算により求める半径値は、球体１６の中心座標を求め
るに当っての球体１６の表面４点の計測が正しく行われ
たかどうかの検定に用いることができる。すなわ・ち、
実際には、球体１６の半径Ｒは既知のものであるため、
演算で求めた半径値の既知の半径値に対する誤差値が一
定許容範囲内にあるときは一連の球体１６の計測が正し
いと判定し、そうでないときは計測が不適当であったと
判定して再度、計測をやり直すようにする。

なお、球体１６の中心座標値だけを求めるには、球体１
６表面の少くとも３点を計測すればよく、そのようにし
てもよい。

このようにして、多関節アーム７の基準姿勢で球体１６
の中心座標（ｚｏ。、ｙｏ。＋　　ｇｏ。）を求める。

そして、基本姿勢で計測した中心座標を基準とし、その
ときの誤差をＯと見なして、（０，０、Ｏ）なる誤差値
（補正値）を決める。

以下、同様にして多関節アーム７の各姿勢で球体１６の
中心座標及び誤差値を求めるが、その場合、第１回転軸
８及び第１曲折軸９とを１組とし、第２回転軸ｌＯ及び
第２曲針軸１１′ｔ−１組とする。

すなわち、まず、第２回転軸ｌＯ及び第２曲近軸１１を
θ１；θ４；０　（あるｈは一定）に保持して第１回転
軸８や第１曲折軸９あるいは両者を任意の角度にして上
記基本姿勢のときと同様に球体１６の中心座標を求める
。例えば、θ譜＝α１　。

θ！＝β１のとき中心座標が（Ｚｏｔ　ｅ　’ｇｏｓ　
ｓ　ｇｏ虐）となる。そして、さらに、この中心座標と
基準となる中心座標から誤差値（ΔＺＯ１＋Δハ１．Δ
Ｚ６＋　）を求め、その異符号値を補正値とする。ここ
で、Δｚ０１　”　ＺＯＩ　−ｚＱＱ　＃　　ΔＶｏ１
＝Ｖｏｚ　　’Ｊ１０ｏ　　ｒΔｚｏｔ＝ｚｏ１−ｚｏ
ｏ　　である。

なお、この球面座標の計測にあたっては、多関節アーム
７を所定の姿勢に保持して４点を計測するが、その場合
、直交３軸の各軸を適当に調整することで、容品に計測
可能である。

このようにして、θ盲　と０２を、小角度ピッチα０　
、β０で、その全範囲にわたって上記の計測を行い、補
正値を求める処理を制御装置１３のコタ ンピューＸで行い、その結果！図示しない記憶装置く記
憶される。

第３図はこれらの一連の作業によって作成ばれ、記憶装
置に記憶される第１の補正マ）　ＩＪソックス模式的に
示すものである。

！３図図示のよう釦、θ１とθ宜を変数とするマ）　＋
７ツクス上に補正値が記憶されている。

次に、同様にして、θ、−〇、±０（あるいは一定）に
してθ１．０番を適宜な小角度ピッチｒ１１　　、δ０
で変えることにより、第４図に模式的に図示する第２の
補正マトリックスを作成する。

このようにして２つの補正マトリックスを作成しておく
。

なお、補正マ）　ＩＪラックス補正値は必ずしも異符号
値にしなくともよい。

三次元計測ロボットの自動計測には、ティーチングプレ
イパック方式とデータベース方式とがある。

そこで、まず、補正マトリックスを用いたティーチング
プレイバッグ方式の自動計測を説明する。

この方法では、計測ロボットに、測定対象物の測定点及
び経路をティーチングした後に、自動計測を行う。この
自動計測で得られる測定値は誤差を含んだままの値であ
る。

計測ロボットの多関節部の姿勢が決定された時点で各関
節（Ｃ１、θ！　、Ｃ１、Ｃ４）の角度データが制御装
置に入力される。これにより、制御装置＃ｉ第１及び第
２の補正マトリックス中より、その姿勢に最も近似する
姿勢、すなわち、近似姿勢の補正値データを抽出する。

ただし、本システムでは抽出方法を二部検索としている
。

この方法を用いて、２つの補正マ）　ＩＪラックスθ茸
　、θ、とθ８．θ番より作られる第１及び第２のマ）
　ＩＪラックスの検索を行い、それぞれの補正値データ
を得た上で、こｔｉを合成する。ただし、第２の補正マ
トリックスから得られる補正値データは第１の補正マト
リックスとは座標系が違うため、単に加えて合成するこ
とができず、一旦、座標系を統一した上で合成する。例
えば、第１の補正マトリックスから得られる補正値デー
タを（ΔＺ　ｏｎ　、Δｙｏｎ、Δｚａｎ）　　とし、
第２の補正マトリックスから得られる補正値データを（
ΔＺＯｎ’、Δｙｏｔｔ’、Δｇｏｎ’）とすると、こ
の第２の補正マトリックスから得られるデータを、座標
変換して（Δｚ’ｏｎ’、Δ３／’　Ｃ１ｒＬ’　　、
　ΔＺ’　Ｏｎ’　）とした上で合成するものであり、
合成された補正値データは（Δｚ　ｏｎ’　＋Δ２Ｙ’
　ｏｎ’　、　Δｙ　ｏｎ’　＋Δｙ’ｏｎ’　、Δｔ
　ｏｎ’　＋Δｚ’　ｏｎ’　）　　となる。

そして、合成された補正値データは、対応する測定値（
Ｚ　ｎ　　＊　Ｖ　Ｒ’　ｚｎ　）に加えられ、測定値
は補正されることになり、この補正された測定値が出力
される。

次に、データベース方式の場合について説明すると、こ
の方式でも基本的にはティーチングプレイバッグ方式と
同じである。すなわち、データベース方式でも予め第１
及び第２の補正マ）　ＩＪラックス作成しておき、多関
節アームの測定点での姿勢及び経路のデータを、計測ロ
ボットの制御装置にデータベースによる入力を行い、こ
のデータから第１及び第２の補正マトリックス中よりそ
れぞれ補正値データの検索を行い、さらにこれらを合成
してそれに基いて対応する上記データを補正し、しかる
後に自動計測を行い測定値を得るものである。

正手順を表わすフローチャートである。

ト）発明の効果 以上述べたように、本発明の方法では、構造上、複数の
関節部金有することで計測誤差の生じ易い多関節アーム
を備える三次元計測ロボットに於て、計測誤差を補正し
て高精度での計測が可能になり、複雑形状の測定対象の
計測も実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は三次元計測ロボットの説明図、第２図は多関節
アームの説明図、第３図Ｉ／′ｉ第１の補正マトリック
スの模式的な説明図、第４図は第２の補正マトリックス
の模式的な説明図、第５図は補正マトリックスの作成手
順を表わすフローチャート、第６図はティーチングプレ
イパック方式による自動計測及び補正手順を表わすフロ
ーチャート、第７図はデータベース方式による自動計測
及び補正手順を表わすフローチャートである。 特許出願人　　東京貿易株式会社 代理人　弁上　１三）、′、・、１ −゛−′、−１ 第４歯 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）直交３軸の計測機機構のアームに、第１回転軸と
   第１曲折軸と第２回転軸と第２曲折軸とが順に連結され
   た多関節アームを設け、該多関節アームの第２曲折軸の
   先端に接触子を備える三次元計測ロボットに於て、上記
   多関節アームの基本姿勢で、定位置に置いた基準となる
   球体の表面に、上記接触子を接触させる手法で該球体の
   基準中心座標を求め、この求めた中心座標値を基準値と
   定め、以下、上記第２回転軸及び第２曲折軸を一定の姿
   勢に保持しつつ、上記第１回転軸及び第１曲折軸の回転
   角度及び曲折角度を変化させて上記球体を使つた手法に
   より、各姿勢で該球体の中心座標値を求めるとともに、
   該値と上記基準中心座標との差を補正値として求めて該
   補正値を上記回転角度及び曲折角度を変数とするマトリ
   ックス上に記憶させた第１の補正マトリックスを作成し
   、同様に、上記第１回転軸及び第１曲折軸を一定の姿勢
   に保持しつつ、上記第２回転軸及び第２曲折軸の回転角
   度及び曲折角度を変化させて上記球体を使つた手法によ
   り、各姿勢で該球体の中心座標値を求めるとともに、該
   値と上記基準中心座標との差を補正値として求めて該補
   正値を上記第２回転軸及び第２曲折軸の回転角度及び曲
   折角度を変数とするマトリックス上に記憶させた第２の
   補正マトリックスを作成し、しかる後に、三次元計測ロ
   ボットに測定対象物の測定点及び該測定点に至る経路を
   テイーチングし、このテイーチングに基いて測定点の自
   動計測を行つて測定値を求めるとともに、該測定値を求
   めるにあたつての多関節アームの姿勢に応じて上記第１
   及び第２の補正マトリックスからそれぞれ近似的に補正
   値を検索し、かつ、これら２つの補正値を合成してこの
   合成補正値だけ上記測定値を補正することを特徴とする
   三次元計測ロボットの精度補正方法。
2. （２）直交３軸の計測機機構のアームに、第１回転軸と
   第１曲折軸と第２回転軸と第２曲折軸とが順に連結され
   た多関節アームを設け、該多関節アームの第２曲折軸の
   先端に接触子を備える三次元計測ロボットに於て、上記
   多関節アームの基本姿勢で、定位置に置いた基準となる
   球体の表面に、上記接触子を接触させる手法で該球体の
   基準中心座標を求め、この求めた中心座標値を基準値と
   定め、以下、上記第２回転軸及び第２曲折軸を一定の姿
   勢に保持しつつ、上記第１回転軸及び第１曲折軸の回転
   角度及び曲折角度を変化させて上記球体を使つた手法に
   より、各姿勢で該球体の中心座標値を求めるとともに、
   該値と上記基準中心座標との差を補正値として求めて該
   補正値を上記回転角度及び曲折角度を変数とするマトリ
   ックス上に記憶させた第１の補正マトリックスを作成し
   、同様に、上記第１回転軸及び第１曲折軸を一定の姿勢
   に保持しつつ、上記第２回転軸及び第２曲折軸の回転角
   度及び曲折角度を変化させて上記球体を使つた手法によ
   り、各姿勢で該球体の中心座標値を求めるとともに、該
   値と上記基準中心座標との差を補正値として求めて該補
   正値を上記第２回転軸及び第２曲折軸の回転角度及び曲
   折角度を変数とするマトリックス上に記憶させた第２の
   補正マトリックスを作成し、制御装置に、三次元計測ロ
   ボットを制御するために、測定対象物の測定点における
   多関節アームの姿勢及びそれに至る経路のデータを入力
   し、測定点での多関節アームの姿勢に応じて上記第１及
   び第２の補正マトリックスからそれぞれ近似的に補正値
   を検索し、かつ、これら２つの補正値を合成してこの合
   成された補正値だけ上記データを補正し、この補正され
   たデータを使用して上記測定点を自動計測して測定値を
   得ることを特徴とする三次元計測ロボットの精度補正方
   法。