JPS63135807A - プロ−ブ姿勢制御装置 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、三次元形状測定機のプローブや超音波探傷ス
キャナ装置の超音波プローブ等の姿勢を制御する装置に
関する。

Ｂ、従来の技術 三次元形状測定機を示す第１１図および第１２図により
従来技術を説明する。

プローブ１はＸ軸、ｙ軸およびＺ軸方向に移動可能に保
持され、同一の姿勢のまま手動または自動にてプローブ
１の先端を被測定面２に接触させ、そのときの）Ｃ＋’
／ｅＺの各位置を読み取る。一般にプローブ１は第１２
図に示すように、軸部１ａとその先端の球部１ｂとを有
し、被測定面２に接触させたとき球部１ｂの先端Ｐの位
置を測定値として測定機本体が読みとる。以上の操作を
複数位置で繰り返し行ない、被測定面２の形状を測定す
る。なお、球部１ｂの中心Ｑの位置を読み取ることもあ
る。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 しかし、被測定面２が第１２図に示すように水　　、平
面ＨＰに対してα度傾斜している場合、プローブ１の球
部１ｂは接触点Ｑにて被測定面２と接触する。このため
、接触点Ｑの位置と測定位置Ｐとの間に、δＸ、δ２だ
けずれが生じ誤差となる。

従来は、その傾斜面の近傍で何点かを測定しそれらの点
を補間して傾斜角度αを求め、この角度αに基づいてず
れδＸ、δ２を求め測定値を補正している。この場合、
補正演算が必要であり、これをコンピュータで行なって
も実時間計測とはならず、形状測定の自動化に障害とな
る。なお、以上は二次元にて説明したが三次元において
もずれδｙが含まれるだけで本質的に同様な補正が必要
である。

この種のプローブ１はＸ軸、ｙ軸、Ｚ軸に移動できても
その姿勢は一定である。このため被測定面２の傾き角度
αが９０度以上になるとプローブ１の先端球部１ｂを被
測定面２に接触できない。

この場合１人力にて被測定物の姿勢を変える等して測定
を行なう必要があり、自動化に障害となる。

以上の如き問題点は、三次元形状測定機に函らず、超音
波プローブを有する超音波探傷自動スキャナ装置等、プ
ローブを被測定面に当接させて測定等を行なう各種の装
置にも同様にあてはまる。

本発明の目的は、プローブの姿勢を制御して上述の問題
点を解決したプローブ姿勢制御装置を提供することにあ
る。

Ｄ１問題点を解決するための手段 第１図に示すクレーム対応図に基づいて本発明を説明す
ると、この発明に係るプローブ姿勢制御装置は、多自由
度を有する例えばアーム等から成る支持手段１０１と、
これら支持手段１０１を駆動する例えばＤＣモータ等の
駆動手段１０２と、支持手段１０１に設けられたプロー
ブ１０３と、このプローブ１０３を被測定面に当接させ
たときにプローブ１０３に作用する力を検出する力検出
手段１０４と、プローブの姿勢を検出する姿勢検出手段
１０５と、力検出手段１０４で検出した力に含まれるプ
ローブ１０３の自重分を検出された姿勢に基づき求めて
検出した力を補正し、この補正結果に基づいてプローブ
１０３の被測定面に対する傾きを演算して、プローブ１
０３が被測定面に垂直に当接するよう駆動手段１０２を
駆動する駆動制御手段１０６とを有する。

Ｅ０作用 プローブ１０３が被測定面に当接すると、力検出手段１
０４により、プローブ１０３が受ける抗力が検出される
。この抗力は、プローブ１０３の自重分を含んでいるの
で次のように補正する。姿勢検出手段１０５でプローブ
１０３の姿勢を検出する。これに基づき駆動制御手段１
０６は、既知のプローブ自重から各軸方向の分力を求め
検出された力を補正し、この補正結果に基づいてプロー
ブ１０３の被測定面に対する傾きを演算する。そしてこ
の傾きに基づいて駆動制御手段１０６は、プローブ１０
３が被測定面と垂直となるよう駆動手段１０２を制御す
る。これにより支持手段１０１が駆動されてプローブ１
０３が被測定面に対して垂直となる。

Ｆ、実施例 第２図〜第９図により本発明の一実施例を説明する。

第２図はプローブ姿勢制御装置の概略全体構成を示し、
５自由度を有するロボット５ｏの先端に軸力センサ３を
介して従来と同様のプローブ１を設けたものであり、ロ
ボット５０の各関節はＪＩＳで定められたシンボルによ
り示している。

ロボット５０は、回転機構５２（モータＭ１を含む）に
よりベース５１に対して旋回可能である。

回転機構５２には回転軸５３が接続され、その先端に接
続された回転機構５４（モータＭ２を含む）により第１
のアーム５５が旋回可能であり。

第１のアーム５５の先端に接続された第２のアーム回転
機構５６（モータＭ３を含む）により第２のアーム５７
が旋回可能であり、第２のアーム５７の先端に接続され
た第３のアーム回転機構５８（モータＭ４を含む）によ
り第３のアーム５９が旋回可能である。第３のアーム５
９の先端には手首回転機構６０（モータＭ５を含む）を
介して手首６１が回転可能に設けられている。手首６１
の先端には例えば第３図に示す多軸力センサ３が設けら
れ、この多軸力センサ３にプローブ１が取付けられてい
る。多軸力センサ３は、プローブ１を被測定面に当接さ
せたときにプローブ１に作用するｙ軸、ｙ軸、ｚ軸の各
軸力を検出するものである。

すなわち、第３図において、多軸力センサ３は。

第１のリング４と、これと対向する第２のリング５と、
両リング４，５を連結する３本のたわみ梁６と、たわみ
梁６の内面に設けられた引っ張り・圧縮力検出ゲージ７
と、たわみ梁６の外面に設けられた剪断力検出ゲージ８
とから構成されている。

そして、第１のリング４が手首６１に連結され、第２の
リング５がプローブ１と連結さ九、プローブ１に作用す
る力に応じてたわみ梁６がたわむと各ゲージから歪量に
応じた信号が得られ、各軸力Ｆｘ、Ｆｙｅ　Ｆｚが知れ
る。

再び第２図において、各関節の回転機構にはその回転角
を検出する回転角センサ例えばロータリーエンコーダＲ
１〜Ｒ５が設けられ、検出された回転角０１〜θ、が制
御装置９に入力される。また、軸力センサ３で検出され
た軸力Ｆ×、　ＦＹｅ　ＦＺも駆動制御装置９に入力さ
れる。制御装置９は、後述の演算に基づいてプローブ１
が被測定面に垂直になるように各回転機構のモータＭ１
〜Ｍ５に駆動信号ｉ□〜ｉ、を供給する。なお、第２図
においては、第３のアーム回転機構５８に関する信号線
Ｄ１．Ｄ、と軸力センサ３の信号線り、のみを制御装置
９と接続して示し、他の接続は省略している。

制御装置９は、第４図に示すとおり、軸力センサ３から
の信号入力部として、軸力センサ３からのアナログ信号
を入力しその電圧レベルや零点を調整するインタフェー
ス９ａと、入力アナログ信号を選択的に出力するマルチ
プレクサ９ｂと、マルチプレクサ９ｂからのアナログ信
号をデジタル信号に変換してＣＰＵ９ｄに入力するＡ／
Ｄ変換器９ｃとを有する。また、ロータリーエンコーダ
Ｒ１〜Ｒ５からの信号入力部として、ロータリーエンコ
ーダＲ１〜Ｒ５からのシリアルパルス信号を計数してパ
ラレル角度信号に変換するカウンタ回路９ｅと、このカ
ウンタ回路９ｅからの信号が入力されＣＰＵ９ｄに出力
する入力用インタフェース９ｆとを有する。更に、信号
制御部として、処理手順を予め格納したＲＯＭ９　ｇと
、各種の数値、データ等が一時的に記憶されるＲＡＭ９
ｈと、処理手順に従い各機器を制御するとともに、入力
された信号に基づいて各種演算を行ないその時の関節角
度と比較して関節速度指令信号を出力するＣＰＵ９ｄと
を有する。更にまた、出力部として。

ＣＰＵ９ｄから出力されるデジタル関節速度指令信号を
アナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器９１と、関節速度
指令信号とロータリーエンコーダＲ１〜Ｒ５からの回転
角信号から算出した関節速度とが一致するようにモータ
Ｍ１〜Ｍ５を制御するサーボドライバ９ｊとを有する。

なお、以上の実施例の構成において、ベース５１、アー
ム５３，５５，５７，５９および手首６１が支持手段を
、モータＭ１〜Ｍ５が駆動手段を、軸力センサ３が力検
出手段を、ロータリーエンコーダＲ１〜Ｒ５と駆動制御
装置９とが姿勢検出手段を、駆動制御装置９が駆動制御
手段をそれぞれ構成する。

次に第５図を参照してプローブの姿勢制御について説明
する。

今、プローブ１が被測定面に接触した状態とする。ステ
ップＳ１において、ロータリーエンコーダＲ１〜Ｒ５か
らのパルス信号を計数するカウンタ回路９ｅの出力によ
り各関節の角度θ、〜θ。

を検出する。ステップＳ２では、これらの角度θ、〜θ
９．および第２図に示したロボット５ｏの各部の長さＱ
、〜Ｑ、に基づいてプローブ１の球部１ｂの中心点０の
位置および姿勢を演算する。なお、第２図において、Ｑ
ｌは、ベース５１の取付点すなわちロボット座ａｌｙＫ
点Ｏ工から第１のアーム回転機構５４までの距離、Ｑ２
は、第１および第２のアーム回転機構５４と５６との間
の距離、Ｑ、は、第２および第３のアーム回転機構５６
と５８との間の距離、Ｑ、は、第３のアーム回転機構５
８から第３のアーム５９に沿ってプローブＺ軸心に達す
るまでの距離、Ｑ５は、プローブ球部１ｂの中心０から
手首６１に沿って第３のアーム５９の軸心に達するまで
の距離である。

ここで、プローブ１の位置はロボット座標の原点０□か
らプローブ球部１ｂの中心０までの位置ベクトルＰとし
て。

Ｐ＝　（Ｏｘ、○Ｌ　Ｏｚ）　＝Ｌ　（Ｏ□〜θｓ、Ｌ
〜Ｑｓ）により求められる。また、プローブ１の姿勢は
。

ロボット座標系に対する軸力センサ３の座標系の傾きと
して方向余弦ベクトル（ｆ＋ｇ、ｈ）を演算することに
より求められる。

方向余弦ベクトルｆを、 とし、プローブＸ軸がロボット座標系のＸ軸となす角度
をθＸＸ、　ｙ軸となす角度をθｘｙ、ｚ軸となす角度
をθｘｚとすると、この方向余弦ベクトルｆは、 と表わせる。同様に、プローブｙ軸、Ｚ軸がロボット座
標系のＸ軸、ｙ軸、Ｚ軸とそれぞれなす角度を、それぞ
れθｙｘ、θｙｙ、Ｏｙｚおよびθｚｘ。

θＺＹｐ　　θｚｚとすると、方向余弦ベクトルｇ＋ｈ
は。

それぞれ。

と表わすことができる。例えば方向余弦ベクトルｈは、
第６図に示すように、ロボット座標系のＸ軸、ｙ軸、Ｚ
軸に対して軸力センサ３の座標系の各軸がｘ’　、ｙ’
　、ｚ’に位置したとき、２′軸方向の単位ベクトルと
なる方向余弦ベクトルｈのＸ軸、ｙ軸、Ｚ軸への投影が
、それぞれｈｘ、　ｈｙ。

ｈｚとなる。

このようにしてプローブ１の位置および姿勢が演算され
るとステップＳ３に進み、軸力センサ３から３つの軸力
Ｆｘ、ＦＹｔ　Ｆｚを読み込む。

第７図は、プローブ球部１ｂを被測定面２に当接させた
場合にプローブ１に作用する抗力Ｒとその各分力ＲＸｙ
　Ｒｙ　（Ｒｚは省略）、プローブ自重Ｗとその各分力
ｗｘｔ　Ｗｚ　（ＷＹは省略）、および軸力Ｆｘｔ　Ｆ
Ｙ　（ＦＺは省略）およびその合力Ｆを示している。図
かられかるように、軸力ＦＸｔＦＹｔ　Ｆｚは、 Ｆ　ｘ　＝　Ｒｘ　＋　Ｗ　ｘ ＦＹ＝ＲＹ＋ＷＹ Ｆｚ＝Ｒｚ＋Ｗｚ を検出していることになる。したがって、抗力Ｒの各分
力ＲＸｙ　ＲＹｙ　ＲＺを、 ＲＸ＝ＦＸ−ＷＸ ＲＹ＝ＦＹ−ＷＹ　　　　　　　　　　　・・・（１）
Ｒｚ＝Ｆｚ−Ｗｚ で求め、これらをプローブ自重分を補正した軸力として
傾き演算に供する。

すなわち、ステップＳ４において、ステップＳ２で求め
た方向余弦ベクトル（ｆｔ　ｇｔ　ｈ）と、既知のプロ
ーブ自重Ｗとから、軸力センサｘ’　、ｙ’　、ｚ’軸
方向の成分Ｗｘ、ＷＹ、ＷＺを、 ｗｘ＝ｆｘ−ｗ Ｗｙ”ｇｘｌＷ ＷＺ＝ｈＸ−Ｗ として求め、上記（１）式により補正後の軸力ＲＸｔ　
ＲＹｙ　Ｒ２を求める。

そして、ステップＳ５において、このようにして求めら
れた補正後の軸力Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒ２から被測定面に対す
るプローブ１の傾き（姿勢角度ξ。

ψ）を演算する。

第８図（ａ）、（ｂ）は、プローブ球部１ｂを被測定面
２に当接させた場合の各軸力ＲＸ＋　ＲＹ＋ＲＺを説明
する図である。

実線Ｊで示すように、プローブ１の２軸が被測定面２に
対して傾いている場合、プローブ１に作用する抗力Ｒの
方向とプローブＺ軸とは一致せず、抗力Ｒの分力として
各軸力Ｒｘ、ＲＹｓ　ＲＺが検出される。また、プロー
ブＺ軸が一点鎖線工で示すように被測定面２に対して垂
直の場合には、プローブ１に作用する抗力Ｒの方向とプ
ローブＺ軸とが一致する。このことから、実線シで示す
プローブ１の姿勢に対する一点鎖線工で示すプローブ１
の姿勢角度ξおよびψは。

で求められる。

次いでステップＳ６に進み、被測定面２の法線とプロー
ブＺ軸との傾き角ξが零か否か（プローブＺ軸が被測定
面に対して垂直か否か）を判定する。ξ＝０ならば終了
し、ξ≠０ならばステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、ステップＳ５で求めた姿勢角度ξ、
ψを用いて、プローブＺ軸が被測定面２に対して垂直に
なるような目標姿勢を目標方向余弦（ｆｓｔ　ｇｓｔ　
ｈｓ）として。

（ｇｓｔ　ｇｓｙ　ｈｓ）　＝ｆ３　（ξ、ψ（ｆ、　
ｇｅ　ｈ）　）で求める。

次にステップＳ８に進み、この目標方向余弦（ｇｓｔ　
ｇｓｙ　ｈｓ）と、ステップＳ２で求めたプローブ球部
１ｂの中心○の位置ベクトルＰとに基づいて、プローブ
Ｚ軸が被測定面２に対して垂直となる各関節の目標角度
θｓ１〜θｓ５を、（θｓ工〜θｓｓ）　＝ｆ４　（（
ｆｓｗ　ｇｓｔ　ｈｓ）　ｔ　Ｐ）で求める。そして、
ステップＳ９において、各関節がθ３１〜θＳ、となる
ようモータ駆動指令ｉ工〜ｉ、をＤ／Ａ変換器９１から
サーボドライブ９ｊに供給し、これにより各モータＭ１
〜Ｍ５を駆動してプローブ２軸を被測定面２に対して垂
直に姿勢制御する。なお、この際、プローブ球部１ｂの
中心点○をロボットの運動中心とし、第９図に示すよう
に、プローブ１が被測定面２上の接触点Ｑで被測定面２
と接触したまま、一点鎖線の姿勢工から実線Ｊの姿勢に
プローブ１を姿勢制御する。

このようなプローブの姿勢制御装置を三次元形状測定機
に用い、プローブ球部１ｂの２軸を被測定面２と垂直に
姿勢制御して球部１ｂの点Ｐが被測定面２と接した状態
で、球部１ｂのＸｓ）’＋Ｚ軸の各位置を測定すれば、
従来のような補間演算をすることなく実時間にて誤差の
ない形状寸法の測定が可能となり、連続した寸法測定が
行なえるから測定の自動化に寄与する。また、被測定面
２の傾斜角αが９０度以上あってもプローブ１を被測定
面２と垂直に当接可能であり、人力により被測定物の位
置をずらす必要がなく、測定の自動化に寄与する。

また、超音波探傷スキャナ装置にこの発明を適用すれば
、超音波プローブを被検査面に対して常時垂直に保持で
き検査精度が向上するのに加えて、被検査面が複雑な形
をしていても自動運転が可能となる。

なお、以上説明したロボット５０は５自由度を有してい
るが、被測定面の形状が限定されて予め既知であれば、
特に５自由度も必要ない。例えば、第１０図に示すよう
に、ｘ−ｚ断面がｙ軸に沿って全て同一である立体であ
れば３自由度のロボットにて本発明を構成可能である。

また、駆動手段もモータに限定されず、更に、軸力セン
サは、他のタイプのものでもよく、更にまた。プローブ
の形状も実施例に限定されない。

Ｇ１発明の効果 本発明によれば、被測定面に対して垂直となるようにプ
ローブの姿勢を制御できるので、この種のプローブを備
えた三次元形状測定機や超音波探傷スキャナ装置の自動
化が可能となる。そして。

この発明では特にプローブ自重も考慮して被測定面に対
するプローブの姿勢を求めているので、より一層精度よ
くプローブを被測定面に対して垂直に制御できる利点が
ある。なお、本発明を三次元形状測定機に用いれば誤差
のない測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はクレーム対応図である。 第２図〜第９図は本発明の一実施例を示すもので、第２
図が全体概略構成図、第３図が軸力センサを示す斜視図
、第４図が制御装置を示すブロック図、第５図がプロー
ブ姿勢制御の手順を示すフローチャート、第６図が方向
余弦を説明する図、第７図はプローブの自重、抗力、軸
力をそれぞれ説明する図、第８図（ａ）、（ｂ）が軸力
センサで検出する軸力の説明図、第９図がプローブの姿
勢制御を説明する図である。 第１０図は３自由度で測定可能な形状例を示す斜視図で
ある。 第１１図および第１２図は従来例を示すもので、第１１
図が従来の三次元形状測定機の一例を示す斜視図、第１
２図がプローブの詳細拡大図である。 １ニブローブ　　　　　２：被測定面 ３：軸力センサ　　　　９：制御装置 Ｒ１〜Ｒ５：ロータリーエンコーダ Ｍ１〜Ｍ５：モータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 多自由度を有する支持手段と、 この支持手段を駆動する駆動手段と、 前記支持手段に設けられたプローブと、 このプローブを被測定面に当接したときに当該プローブ
   に作用する力を検出する力検出手段と、 前記プローブの姿勢を検出する姿勢検出手段と、 前記力検出手段で検出した力に含まれる前記プローブの
   自重分を前記検出された姿勢に基づき求めて検出した力
   を補正し、この補正結果に基づいて前記プローブの被測
   定面に対する傾きを演算して、前記プローブが被測定面
   に垂直に当接するよう前記駆動手段を駆動する駆動制御
   手段とを具備することを特徴とするプローブ姿勢制御装
   置。