JPS63135811A - 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、Ｘ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＋　
ｙｔＺ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Ｏの位置を読み取ることもあ
る。

Ｃ６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１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、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限らず、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図に示すクレー々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１０２に設けられたプロー
ブ１０３と、プローブ１０３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１０
４と、プローブ１０３の姿勢および初期当接位置を検出
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
を演算する傾き演算手段１０６と、演算された傾きと検
出された姿勢とに基づいてプローブ１０３が被測定面に
垂直となる目標姿勢を演算する目標姿勢演算手段１０７
と、プローブ１０３を被測定面から離間させて空間で目
標姿勢に姿勢変換せしめるとともに、検出された初期当
接位置へプローブ１０３を導くように駆動手段１０２を
駆動制御する駆動制御手段１０８とを有する。

８０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
。検出された力から被測定面に対するプローブ１０３の
傾き角度を傾き演算手段１０６が演算する。また、姿勢
検出手段１０５によりプローブ１０３の姿勢および初期
当接位置が検出される。このような傾きと姿勢とに基づ
いて、プローブ１０３が被測定面に対して垂直となる目
標姿勢が演算手段１０７で演算される。駆動制御手段１
０８は、プローブ１０３をいったん被測定面から離間さ
せて空間でプローブ１０３が目標姿勢となるように駆動
手段１０２を駆動せしめ、その後初期当接位置へプロー
ブ１０３を導くように駆動手段１０２を駆動せしめる。

この結果、プローブ１０３は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５０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４１５６（モータＭ
３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５９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５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Ｘ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と連結され、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ＦＸｙ　ＦＹ＋　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θ□〜θ５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Ｆｘｙ　ＦＹ＊　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□〜ｉ５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
Ｄ□、Ｄ２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ＲＡＭ９ｈ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、ＣＰＵ９（ｌ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９ｊ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ｒ！ａｍ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１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Ｍ　ｌ　−Ｍ　５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，Ｃ
ＰＵ９ｄが姿勢検出手段を、ＣＰＵ９ｄが傾き演算手段
および目標姿勢演算手段を、ＣＰＵ９ｄおよびサーボド
ライバ９ｊ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。

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の出力にょり各関節の角
度θ、〜θ５を検出する。ステップＳ２では、これらの
角度０１〜θ５、および第２図に示したロボット５０の
各部の長さΩ、〜Ω、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、Ω１は、ベース５１の取付点すなわちロボッ
ト座Ｓ原点０．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５
６との間の距離、ａ、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、Ｑ４は、第３のアーム回
転機構５８から第３のアーム５９に沿ってプローブ２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０１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　＝（Ｏｘｔ　Ｏｙｅ　Ｏｚ）　＝ｆ　１　（θ、〜
θｓ−Ｌ〜Ｌ）により求められる。この位置ベクトルＰ
がプローブ１の初期当接位置を示す。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（ｆｙｇｙｈ）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Ｄｘｙ、　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、θＹＹｖ　θｙｚおよびθｚｘ。

θｚｙ、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０例えば方向余弦ベクトルｈは、
第７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
ＦＸｙ　ＦＹｓ　Ｆｚを読み込む、そして、ステップＳ
４において、これら３つの軸力Ｆ　ｘ　ｔ　Ｆ　ｙ　ｅ
　Ｆ　ｚから被測定面に対するプローブ１の傾き（姿勢
角度ξ、φ）を演算する。

第８図（ａ）、（ｂ）は５プロ一ブ球部１ｂを被測定面
２に当接させた場合の各軸力ＦＸ＊ＦＹｔＦＺを説明す
る図である。

実ＮｆＡＪ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
Ｆの方向とプローブｚ軸とは一致せず、抗力Ｆの分力と
して各軸力ＦＸｐ　ＦＹ＋　ＦＺが検出される。また、
プローブｚ軸が一点鎖線■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Ｆの方
向とプローブｚ軸とが一致する。このことから、実＆９
＝　Ｊ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Ｓ５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Ｓ６に進む。

ステップＳ６では、ステップＳ４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、 （ｆｓｒ　ｇｓｔ　ｈｓ）　＝ｆｚ　（ξ、ψ（ｆ　ｒ
　ｇ　ｙ　ｈ）　）で求める。

次にステップＳ７に進み、プローブ１が被測定面２から
離間した位置でステップＳ６の目標姿勢となる目標位置
ベクトルＰｇを次式から求める。

なお、ｋは、もとの位置からの移動量を示す常数である
。

そしてステップＳ８において、目標姿勢を示す目標方向
余弦（ｆｓｒ　ｇ！３＊　ｈｓ）と、目標位置ベクトル
ｐｓとにより、各関節の目標角度θ″Ｓ□〜θ′ｓ５を
。

ＣＯ’　ｓ工〜θ′Ｓ、） ”ｆｓ　（Ｐｓ＊　　（ｆｓｒ　ｇｓｔ　ｈｓ）　ｌ　
ｆｌｌｓ　Ｑｚ＊　Ｑ３ｔ　Ｌ）で求める。この目標角
度θ’　８１〜θ’　ａｓとなるようステップＳ９にお
いてモータ駆動指令１１□〜ｉＩ、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、第６図（ｂ）に示すとおり、破
線工１で示す姿勢から破線工２で示す姿勢を経て実線Ｊ
１で示す姿勢とする。この姿勢のプローブｚ軸は被測定
面と垂直である。

次にステップＳ１０に進み、ステップＳ２で求めたプロ
ーブ球部１ｂの中心Ｏの初期位置ベクトルＰと、ステッ
プＳ６で求めた目標方向余弦（ｆ　ｓ　ｒ　ｇ　ｓ　＋
　ｈ　ｓ　）とに基づいて、プローブ１が初期当接位置
で被測定面２と接触し、かつ垂直となる各関節の目標角
度θＳ工〜θＳ、を、（θｓ１〜θｓｓ） で求める。そして、ステップＳｌｌにおいて、各関節が
θｓ１〜θｓ５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ｚ
軸を被測定面２に対して垂直に当接すべく姿勢制御する
。この結果、第６図（Ｑ）に示すように、破線Ｉ３の姿
勢から実線Ｊ２の姿勢となり、プローブ２軸は被測定面
２に対して垂直に当接する。

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１球部１ｂのｘ、ｙ、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９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６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信スキャナ装置の自動
化が可能となる。そして。

この発明では特に次のような効果がある。

第１０図（ａ）に示すように、被測定面２に対してプロ
ーブＺ軸が傾き角ξで当接している場合、ξ＝０とする
ためプローブ球部１ｂの中心０を回転中心としてプロー
ブ１を被測定面２に当接したまま第１０図（ｂ）の姿勢
となるよう姿勢変換すると、プローブ１には、その抗力
Ｒと摩擦係数μとによる摩擦力Ｒμが作用する。プロー
ブ１およびその支持手段であるアーム等は完全剛体では
ないからその摩擦力Ｒμによってたわみ、プローブＺ軸
を被測定面２に対して垂直に姿勢変換した後も、そのた
ｂみと釣り合いをとるため摩擦力Ｒμに相当する力が力
検出手段で検出される。このため、プローブ１にはＲμ
なる抗力が作用することになり、プローブＺ軸が抗力Ｒ
μの作用方向と一致するよう更に姿勢変換が行なわれ、
プローブｚ軸と被測定面２とが垂直にならない。

そこで本発明では、プローブを被測定面から離間した状
態で姿勢変換してプローブＺ軸を被測定面に対して垂直
となし、その後でプローブを初期位置に当接させるよう
にしたので、上述した姿勢変換に伴なう摩擦力が作用せ
ず、被測定面に対してプローブを精度よく垂直に保持で
きる。

なお、本発明を三次元形状測定機に適用すれば誤差のな
い形状測定が可能となる。

【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（ａ）
〜（ｃ）がプローブの姿勢変換を説明する図、第７図が
方向余弦を説明する図、第８図（ａ）、（ｂ）が軸力セ
ンサで検出する軸力の説明図、第９図は３自由度で測定
可能な形状例を示す斜視図である。 第１０図（ａ）、（ｂ）は発明の詳細な説明する図であ
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および初期当接位置を検出する姿勢
   検出手段と、 前記力検出手段で検出した力に基づいて前記プローブの
   被測定面に対する傾きを演算する傾き演算手段と、 演算された傾きと前記検出された姿勢とに基づいて前記
   プローブが被測定面に垂直となる目標姿勢を演算する目
   標姿勢演算手段と、 前記プローブを被測定面から離間させて空間で前記目標
   姿勢に姿勢変換せしめるとともに、前記検出された初期
   当接位置へプローブを導くように前記駆動手段を駆動制
   御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。