(57)【要約】【課題】移動機構部の先端に着脱可能なヘッド部を、空間内の目標位置に高精度に位置決めすることができる作業装置を提供する。【解決手段】形状測定装置（作業装置）１００は、形状センサ部１７が内蔵されたプローブ（ヘッド部）１２と、所定の空間内でプローブ１２を移動させるアーム部（移動機構部）１１に、このプローブ１２を取り付け可能な取付部１６と、空間内における所定の目標位置にプローブ１２を位置決めする空間位置決定部３０と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッド部と、
所定の空間内で前記ヘッド部を移動させる移動機構部に、前記ヘッド部を取り付け可能な取付部と、
前記空間内における所定の目標位置に前記ヘッド部を位置決めする空間位置決定部と、を有する作業装置。
【請求項２】
前記空間位置決定部は、
前記目標位置に向かって移動している前記ヘッド部を前記目標位置に導く誘導壁と、
前記ヘッド部が当接することにより、前記目標位置に前記ヘッド部を保持する突当壁と、から構成される請求項１に記載の作業装置。
【請求項３】
前記空間位置決定部は、
前記ヘッド部に設けられたマーカと、
前記空間内の所定の位置に配置され、前記マーカを走査する光学ユニットと、
前記光学ユニットにより検出された前記マーカの空間位置から前記ヘッド部の位置を測定し、当該測定値に従って前記移動機構部を作動させて前記ヘッド部の位置が前記目標位置となるように補正する制御部と、を有する請求項１に記載の作業装置。
【請求項４】
前記空間位置決定部は、
前記空間内の所定の位置に配置されたマーカと、
前記ヘッド部に設けられ、前記マーカを走査する光学ユニットと、
前記光学ユニットにより検出された前記マーカの空間位置から前記ヘッド部の位置を測定し、当該測定値に従って前記移動機構部を作動させて前記ヘッド部の位置が前記目標位置となるように補正する制御部と、を有する請求項１に記載の作業装置。
【請求項５】
前記光学ユニットは、
光源と、
前記光源からの光の放射方向を変化させて前記マーカを走査する揺動ミラーと、
前記マーカーで反射した反射光を集光する集光レンズと、
前記反射光を検出する受光部と、を有する請求項３または４に記載の作業装置。
【請求項６】
前記ヘッド部は、前記目標位置の近傍に配置された被測定物体の形状を測定する形状測定部を有する請求項１〜５いずれか一項に記載の作業装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、関節部分に角度検出器を備えるロボットアームや多関節アームなどの先端部に、角度検出器やレーザエンコーダなどの種々の非接触センサを内蔵したヘッド部を装着して、被測定物体の三次元形状を測定する形状測定装置の提案がされている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許２７６４４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このロボットアームや多関節アームのように、回転機構を組み合わせた構造では、回転機構の回転誤差や機械的なガタが原因で、ヘッド部の空間位置を正確に取得することが困難となる。そのため、例えば、ヘッド部内に形状測定部が設けられた形状測定装置の場合、被測定物体の高精度な測定ができないという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、例えばロボットアームなどの移動機構部の先端に着脱可能なヘッド部を、空間内の目標位置に高精度に位置決めすることができる空間位置決定部を備える作業装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る作業装置は、ヘッド部と、所定の空間内でヘッド部を移動させる移動機構部に、このヘッド部を取り付け可能な取付部と、空間内における所定の目標位置にヘッド部を位置決めする空間位置決定部と、を有する。
【０００７】
このような作業装置において、空間位置決定部は、目標位置に向かって移動しているヘッド部をこの目標位置に導く誘導壁と、ヘッド部が当接することにより、目標位置にヘッド部を保持する突当壁と、から構成されることが好ましい。
【０００８】
あるいはこのような作業装置において、空間位置決定部は、ヘッド部に設けられたマーカと、空間内の所定の位置に配置され、マーカを走査する光学ユニットと、この光学ユニットにより検出されたマーカの空間位置からヘッド部の位置を測定し、当該測定値に従って移動機構部を作動させてヘッド部の位置が目標位置となるように補正する制御部と、を有することが好ましい。
【０００９】
あるいはこのような作業装置において、空間位置決定部は、空間内の所定の位置に配置されたマーカと、ヘッド部に設けられ、マーカを走査する光学ユニットと、光学ユニットにより検出されたマーカの空間位置からヘッド部の位置を測定し、当該測定値に従って移動機構部を作動させてヘッド部の位置が目標位置となるように補正する制御部と、を有することが好ましい。
【００１０】
このとき、光学ユニットは、光源と、光源からの光の放射方向を変化させてマーカを走査する揺動ミラーと、マーカで反射した反射光を集光する集光レンズと、反射光を検出する受光部と、を有することが好ましい。
【００１１】
また、このような作業装置においてヘッド部は、目標位置の近傍に配置された被測定物体の形状を測定する形状測定部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る作業装置を以上のように構成すると、この作業装置のヘッド部の位置を目標位置に正確に位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】形状測定装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施形態に係る形状測定装置の主要部の構成を示す説明図である。
【図３】第２の実施形態に係る形状測定装置の主要部の構成を示す説明図である。
【図４】第３の実施形態に係る形状測定装置の主要部の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
以下、空間位置決定部を備えた作業装置の好ましい実施形態として、ヘッド部内に被測定物体の形状を測定するための形状測定部が内蔵された形状測定装置を例に、図面を参照して説明する。なお、以降の説明において、形状測定部を有するヘッド部を「プローブ」と呼ぶ。まず、図１及び図２を用いて第１の実施形態に係る形状測定装置１００の構成について説明する。この形状測定装置１００は、被測定物体１５の形状を測定する形状測定部１０と、この形状測定部１０の作動を制御するための制御部２０と、形状測定部１０が設置された空間内において、被測定物体１５を測定するための基準となる空間位置（以下、「目標位置」と呼ぶ）を決定するための空間位置決定部３０と、から構成される。なお、被測定物体１５を測定するための目標位置は、所定の原点からの位置を座標値として制御部２０に設定する構成としても良いし、トレーニングにより、アーム部１１を移動させて制御部２０に記憶させる構成としても良い。
【００１５】
形状測定部１０は、図１に示すように、複数の関節部１４を有する多関節構造の移動機構部（以下、「アーム部１１」と呼ぶ）と、このアーム部１１の先端部に、取付部１６により着脱可能に取り付けられたプローブ１２と、アーム部１１の基端部が取り付けられた基台１３と、を有して構成され、プローブ１２内には形状センサ部１７が内蔵されている。なお、アーム部１１に把持機構を設け、形状測定部１０の所定の部分を把持する機構にすれば取付部１６を設けないこともできる。このアーム部１１の作動やプローブ１２による被測定物体１５の測定は、制御部２０により制御され、また、プローブ１２から出力される被測定物体１５の測定値も、制御部２０により処理される。この形状測定装置１００は、被測定物体１５の測定の際に、制御部２０の制御によりプローブ１２が移動され、空間位置決定部３０により位置決めされた目標位置において、このプローブ１２が被測定物体１５の形状測定を行う。プローブ１２は、変位検出型のプローブや自己走査型のプローブを用いることができる。また、このプローブ１２の形状センサ部１７による被測定物体１５の測定方法は、明視野画像を取得してコンピュータ解析により形状を測定する方法や、光切断・縞投影位相シフト・ステレオ画像等による三角測量方法、若しくは、干渉法等を用いることができる。例えば、被測定物体１５にレーザ光を照射し、その反射光を受光することで被測定物体１５の形状を測定することができる。また、非接触センサ以外に例えばダイヤルゲージ等の接触式センサを用いることもできる（以降の説明においても同様である）。
【００１６】
空間位置決定部３０は、形状測定部１０のプローブ１２を、被測定物体１５を測定するための位置（上述の目標位置）に導き、この目標位置に保持するものであり、これにより、プローブ１２の空間内における位置が正確に決定されるので、プローブ１２により測定された測定値（たとえば、被測定物体１５の形状）の精度を向上させることができる。
【００１７】
この空間位置決定部３０は、被測定物体１５の目標位置方向にプローブ１２を導く誘導壁３１（本実施の形態においては、一対の誘導壁３１ａ，３１ｂから構成されている場合を示す）と、この誘導壁３１の先端部に設けられ、プローブ１２の先端部を当接させることにより、このプローブ１２を目標位置に保持する突当壁３２（本実施の形態においては、誘導壁３１ａ，３１ｂのそれぞれの先端部に設けられた一対の突当壁３２ａ，３２ｂから構成されている場合を示す）と、から構成されている。この空間位置決定部３０の一対の誘導壁３１ａ，３１ｂは、突当璧３２ａ，３２ｂ側の幅、すなわち、目標位置側の幅を狭く、且つ、プローブ１２の先端部の幅と略同一大きさにし、反対側の幅（目標位置に対してプローブ１２を近づけようとする側の幅）を広くして、ハの字状に配置した構造となっている。そのため、目標位置に向かって移動するプローブ１２を、誘導壁３１ａ，３１ｂのいずれかに接触させ、この誘導壁３１ａ，３１ｂに沿って目標位置に移動させることにより、突当璧３２方向、すなわち、目標位置に誘導し易いように構成されている。また、誘導璧３１ａ，３１ｂの目標位置側（突当壁３２ａ，３２ｂ側）の間隔を、プローブ１２の幅と略同一にすることにより、この誘導璧３１と突当璧３２とでプローブ１２を安定して保持することができる。そのため、被測定物体１５を測定する空間位置（目標位置）に正確にプローブ１２を位置させて、高精度に被測定物体１５の測定を行うことができる。
【００１８】
それでは、このような形状測定装置１００を用いて被測定物体１５の三次元形状を測定する場合の手順を説明する。まず、制御部２０の制御により、アーム部１１を駆動してプローブ１２を被測定物体１５の方向（目標位置の方向）に移動させる。すると、図２に示すように、プローブ１２が誘導璧３１ａ，３１ｂの何れかの位置に接触する。この状態でアーム部１１がプローブ１２を目標位置の方向に更に移動させると、プローブ１２は誘導璧３１ａ，３１ｂに沿って突当璧４２ａ，４２ｂの方向に移動する。最終的に、アーム部１１が目標位置にプローブ１２を移動させると、このプローブ１２の先端部が突当璧３２ａ，３２ｂに当接し、プローブ１２が目標位置に位置決めされる。この目標位置で誘導璧３１と突当璧３２とでプローブ１２を安定して保持した状態で、プローブ１２による被測定物体１５の形状測定が行われる。なお、この状態でプローブ１２を突当壁３２に押し付けるようにアーム部１１に駆動力を与えることができる。また、この状態で与圧部材によりプローブ１２を突当壁３２に押し付けるようにしてもよい。
【００１９】
この第１の実施形態に係る形状測定装置１００を以上のように構成すると、高精度なセンサや、複雑な位置決め計算、若しくは、測定値の補正をすることなく、アーム部１１によりプローブ１２を被測定物体１５の測位するための位置（目標位置）に移動させることにより、このアーム部１１に誤差があったとしても、空間位置決定部３０により、プローブ１２を目標位置に正確に位置させることができる。そのため、このプローブ１２による被測定物体１５の測定値の精度を向上させることができる。また、このような空間位置決定部３０を目標位置に配置することにより、既存の形状測定装置の測定値の精度を容易に向上させることができる。
【００２０】
なお、第１の実施形態では、空間位置決定部３０として、誘導璧３１ａ，３１ｂと突当璧３２ａ，３２ｂとから構成した場合について説明したが、例えば、四角錐状の形状としても良い。
【００２１】
（第２の実施形態）
次に、図３を用いて第２の実施形態に係る形状測定装置２００について説明する。なお、この第２の実施形態に係る形状測定装置２００の基本構成は、図１に示す第１の実施形態と同様の構成を有しており、形状測定部１０と、制御部２０と、形状測定部１０のプローブ１２の空間位置（目標位置）を決定するための空間位置決定部２３０と、を有して構成される。また、形状測定部１０の構成も、第１の実施形態と同様で、基台１３、複数の関節部１４を有する多関節構造のアーム部１１、及び、取付部１６によりアーム部１１の先端部に着脱可能なプローブ１２を有して構成される。そのため、図３には、この第２の実施形態に係る形状測定装置２００のうち、プローブ１２と空間位置決定部２３０のみの構成を示す。
【００２２】
空間位置決定部２３０は、形状測定部１０のプローブ１２の所定の位置に取り付けられた２つのマーカ２３１ａ，２３１ｂから成るマーカ２３１（本実施の形態においては、プローブ１２の背面及び側面に２つのマーカ２３１ａ，２３１ｂを設けた場合を示している）と、第１の実施形態で説明した目標位置の近傍の予め決められた位置に配置され、マーカ２３１に向けてレーザビームを照射して、反射した反射光を受光することにより、マーカ２３１の空間座標を測定する２つの光学ユニット２３２ａ，２３２ｂから成る光学ユニット２３２（本実施の形態においては、上述のマーカ２３１ａ，２３１ｂに対応して２つの光学ユニット２３２ａ，２３２ｂを設けた場合を示している）と、この光学ユニット２３２の作動の制御（空間座標の測定等）を行う制御部２３７と、から構成されている。
【００２３】
光学ユニット２３２ａ，２３２ｂは、レーザビームを射出するレーザ光源２３３ａ，２３３ｂと、このレーザビームの照射方向を変化させてマーカ２３１ａ，２３１ｂを走査する揺動ミラー（ガルバノミラー）２３４ａ，２３４ｂと、マーカ２３１ａ，２３１ｂで反射した反射光を集光する集光レンズ２３５ａ，２３５ｂと、この反射光を検出する受光部としての撮像素子２３６ａ，２３６ｂ（例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）と、を有し構成される。この光学ユニット２３２ａ，２３２ｂにおいて、制御部２３７は、揺動ミラー２３４ａ，２３４ｂの向きを制御し、レーザビームの方向を変化させて反射光を撮像素子２３６ａ，２３６ｂで検出し、その検出された値（揺動ミラー２３４ａ，２３４ｂの向き、撮像素子２３６ａ，２３６ｂ上の位置および検出強度等）から、制御部２３７が、マーカ２３１ａ，２３１ｂの空間座標を算出する。なお、マーカ２３１ａ，２３１ｂは、プローブ１２に設けられ、レーザビームの照射ターゲットとなるものであれば何れのものであっても良く、その形状も平面であっても球面であっても良い。また、プローブ１２は、取付部１６を介してアーム部１１に対して着脱が可能となっているので、マーカ２３１ａ，２３１ｂを有したプローブ１２と空間位置決定部２３０とを、既存の形状測定装置に取り付けることにより、本実施の形態に係る形状測定装置２００を簡易かつ低コストに実現することができる。
【００２４】
それでは、このような形状測定装置２００を用いた被測定物体１５の形状測定の手順を説明する。まず、制御部２０により、アーム部１１を作動させて、目標位置にプローブ１２を移動させる。次に、空間位置決定部２３０の制御部２３７は、一組の光学ユニット２３２ａ，２３２ｂによりマーカ２３１ａ，２３１ｂを走査し、撮像素子２３６ａ，２３６ｂで検出された反射光からマーカ２３１ａ，２３１ｂの空間座標を算出して、形状測定部１０におけるプローブ１２の空間位置（空間座標）や姿勢を測定し、この測定値を制御部２０に送信する。ここでマーカ２３１ａ，２３１ｂの（空間）座標としてマーカ２３１ａ，２３１ｂの中心座標を用いることができる。また、マーカ２３１ａ，２３１ｂに十字線状の内部マークを設ける場合は十字線の交点中心座標をマーカ２３１ａ，２３１ｂの（空間）座標とすることができる。そして、制御部２０は、この測定値から現在のプローブ１２の位置と、目標位置との差を検出し、アーム部１１を作動させてプローブ１２の位置を調整することにより、このプローブ１２を目標位置に正確に位置決めする。なお、アーム部１１によりプローブ１２の移動及び空間位置決定部２３０によりプローブ１２の空間座標の測定を、誤差が所定の範囲内に入るまで繰り返すことにより、このプローブ１２を目標位置に正確に位置決めするように構成しても良い。最後に、形状測定部１０の制御部２０は、このように空間位置決定部２３０によって調整された目標位置においてプローブ１２により被測定物体１５の形状に関する測定値を得る。
【００２５】
従来は、アーム部１１のガタや回転誤差などにより、形状センサ部による被測定物体１５の測定値に誤差が生じることがあったが、本実施形態では、上述のように空間位置決定部２３０によってプローブ１２の位置や姿勢を高精度に取得して目標位置に位置決めすることができるので、測定誤差をより小さくして、被測定物体１５の形状測定を、高精度に行うことができる。なお、アーム部１１及びプローブ１２の作動を制御する制御部２０と、空間位置測定部２３０の制御部２３７とは一体に構成しても良い。また、多関節アーム等は目標位置に保持する間にも多少のブレが発生する場合がある。その場合は、空間位置測定部２３０で得られる座標値を用いて測定値を補正することで、被測定物体１５の形状測定を、高精度に行うことができる。
【００２６】
（第３の実施形態）
次に、図４を用いて第３の実施形態に係る形状測定装置３００について説明する。この第３の実施形態に係る形状測定装置３００においても、図１に示す第１の実施形態と同様の構成を有しており、形状測定部１０と、制御部２０と、形状測定部１０のプローブ１２の空間位置（目標位置）を決定するための空間位置決定部３３０と、を有して構成される。また、形状測定部１０の構成も、第１の実施形態と同様で、基台１３、複数の関節部１４を有する多関節構造のアーム部１１、及び、取付部１６によりアーム部１１の先端部に着脱可能なプローブ１２を有して構成される。そのため、図４には、この第２の実施形態に係る形状測定装置３００のうち、プローブ１２と空間位置決定部３３０のみの構成を示す。
【００２７】
空間位置決定部３３０は、第２の実施形態とは反対に、目標位置の近傍の所定の位置に配置された２つのマーカ３３１ａ，３３１ｂから成るマーカ３３１（本実施の形態では、目標位置若しくはその近傍にプローブ１２が位置するときに、このプローブ１２の２つの側面のそれぞれの対向する位置に２つのマーカ３３１ａ，３３１ｂを配置した場合を示している）と、プローブ１２内に設けられ、このプローブ１２からレーザビームを照射してマーカ３３１を走査する２つの光学ユニット３３２ａ，３３２ｂから成る光学ユニット３３２（本実施の形態では、プローブ１２の２つの側面のそれぞれから外方に向けてレーザビームを照射するように取り付けられた２つの光学ユニット３３２ａ，３３２ｂを設けた場合を示している）と、この光学ユニット３３２の作動の制御（空間座標の測定等）を行う制御部３３７と、から構成されている。なお、光学ユニット３３２ａ，３３２ｂの構成は第２の実施形態と同様である。また、図４においては、制御部３３７をプローブ１２内に設けた場合を示しているが、第２の実施形態と同様に外部に設けても良いし、制御部２０と一体に設けても良い。また、マーカ３３１ａ，３３１ｂとして固定鏡（平面鏡）を用いることができる。その場合、揺動ミラーの向きで決まるレーザビームの照射角と撮像素子で検出される反射光の戻り位置から、三角測量の原理を用いてプローブ１２とマーカ３３１ａ，３３１ｂとして固定鏡（平面鏡）までの距離を正確に求め、プローブ１２の空間座標を算出すればよい。
【００２８】
この第３の実施形態に係る空間位置決定部３３０も、制御部２０によりアーム部１１の作動が制御され、目標位置若しくはその近傍にプローブ１２が位置するときに、制御部３３７により光学ユニット３３２ａ，３３２ｂを制御してマーカ３３１ａ，３３１ｂを走査し、このマーカ３３１ａ，３３１ｂの位置から、プローブ１２の空間位置や姿勢を測定する。そして、図示しない、制御部２０にこのプローブ１２の空間位置や姿勢等の測定値を送信し、制御部２０は、この測定値から現在のプローブ１２の位置と、目標位置との差を検出し、アーム部１１を作動させてプローブ１２の位置を調整することにより、このプローブ１２を目標位置に正確に位置決めする。また、第３の実施形態でも第２の実施形態と同様に、多関節アーム等は目標位置に保持する間にも多少のブレが発生する場合がある。その場合は、空間位置決定部３３０で得られる座標値を用いて測定を補正することで、被測定物体１５の形状測定を、高精度に行うことができる。
【００２９】
この第３の実施形態に係る形状測定装置３００においても、空間位置決定部３３０によってプローブ１２の位置や姿勢を高精度に取得して目標位置に位置決めすることができるので、測定誤差をより小さくして、被測定物体１５の形状測定を、高精度に行うことができる。
【符号の説明】
【００３０】
１１  アーム部（移動機構部）    １２  プローブ（ヘッド部）
２０  制御部    ３０，２３０，３３０  空間位置決定部
３１  誘導壁    ３２  突当壁
２３１ａ，２３１ｂ，３３１ａ，３３１ｂ  マーカ
２３２ａ，２３２ｂ，３３２ａ，３３２ｂ  光学ユニット
２３３ａ，２３３ｂ  レーザ光源    ２３４ａ，２３４ｂ  揺動ミラー
２３５ａ，２３５ｂ  集光レンズ    ２３６ａ，２３６ｂ  撮像素子（受光部）
１００，２００，３００  形状測定装置（作業装置）
【図１】
2010169634.tif 000003
【図２】
2010169634.tif 000004
【図３】
2010169634.tif 000005
【図４】
2010169634.tif 000006