(57)【要約】  【課題】稜線のような連続的な線を測定するのに好適なプローブとそのプローブを用いた三次元座標測定装置を提供する。  【解決手段】球状のプローブ本体１０を、その球面１４の中心Ｇを通る中心線を交線として角度θ（＝１２０度）で交差する半円状の二つの切欠面をもって切り欠いて略三分の二の球状のものとする。半円状の二つの切欠面について各切欠面を二分する位置を基準稜線１１ａ，１１ｂとしてこの基準稜線１１ａ，１１ｂから遠ざかる方向に向かって下り勾配となる傾斜平面１２ａ〜１２ｄとする。プローブ本体１０は軸部９周りに回転可能であり、基準稜線１１ａ，１１ｂ同士のなす交点をパネル部品の輪郭であるエッジ部に当てた上でそれに倣うように手動にて移動させながら測定する。  【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状のプローブ本体を、その球の中心を通る中心線を交線として所定の角度で交差する半円状の二つの切欠面をもって切り欠いた略三分の二の球状のものとするとともに、
半円状の二つの切欠面について各切欠面を二分する位置を基準稜線としてこの基準稜線から遠ざかる方向に向かって下り勾配となる傾斜平面としたことを特徴とする三次元座標測定用プローブ。
【請求項２】
プローブ本体が球の中心線の延長線上に位置する軸部を回転中心としてホルダに回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元座標測定用プローブ。
【請求項３】
上記軸部は半円状の切欠面を二分しているいずれか一方の基準稜線の延長線上に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の三次元座標測定用プローブ。
【請求項４】
多関節型ロボットの形態をなすとともに各関節部に回転センサを備えた手動式の三次元測定機を母機として、その三次元測定機のアーム先端に請求項１に記載の三次元座標測定用プローブが着脱可能に装着されていることを特徴とする三次元座標測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は三次元座標測定に用いられるプローブとそのプローブを用いた三次元座標測定装置に関し、特に薄板状のパネル部品についてその輪郭であるパネルエッジ部の三次元座標を測定するのに好適なプローブとそのプローブを用いた三次元座標測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の三次元座標測定装置に関するものとして特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１に記載の技術では、多関節型の産業用ロボットの形態に類似した多自由度（無限自由度）を持つ多関節型の三次元測定機を母体としてそのアーム先端に感圧式のプローブ（接触子）を装着し、アームの自由度を使って手動にてプローブを測定対象物に接触させ、接触させた瞬間の信号を取り込むようになっている。そして、この時のプローブの位置すなわちＸ，Ｙ，Ｚ方向の三次元位置は、各関節に設けた回転センサの回転角位置に基づいて逆行列計算により求めることができる。なお、上記プローブとしては、測定対象物の形状や作業者の使い勝手に合わせて、例えば球形、平底形、先細り形、針形等のものから任意に選択して使用することが可能となっている。
【特許文献１】特開平８−２６１７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の技術では、母体となる三次元測定機の動作範囲自由度が高い故に測定者は任意の位置に自由にプローブを動かすことができる反面、例えば角や稜線等のように点で接触させる必要がある測定点の場合、球状や針状のプローブを正確に当てることが困難で、測定精度の向上に限界がある。
【０００４】
また、角や稜線を正確に測定するためには、それらの角や稜線を形成する面上の点を数箇所測定した上で計算によって必要とする角や稜線の三次元位置を算出することになるため、測定ポイントが多く測定時間が長くなるとともに、計算のためのソフトウェアが必要となり、コストアップが余儀なくされる。
【０００５】
その上、稜線のような連続的な線を測定する場合でも稜線を構成する一点一点を測定することを前提としていて、稜線に沿ってプローブを連続的に移動させることができないため、稜線の測定のために莫大な測定時間が必要となるほか、一度測定した測定点を再度測定してしまったり、あるいは測定すべき測定点を飛ばしてしまったりして測定ピッチが一定せず、稜線のような連続的な線を測定する場合にもその測定精度の向上に限界がある。
【０００６】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、特に稜線のような連続的な線を測定するのに好適なプローブを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、三次元座標測定装置のプローブの構造として、球状のプローブ本体を、その球の中心を通る中心線を交線として所定の角度で交差する半円状の二つの切欠面をもって切り欠いた略三分の二の球状のものとするとともに、半円状の二つの切欠面について各切欠面を二分する位置を基準稜線としてこの基準稜線から遠ざかる方向に向かって下り勾配となる傾斜平面としたことを特徴とする。
【０００８】
この場合、請求項２に記載のように、プローブ本体が球の中心線の延長線上に位置する軸部を回転中心としてホルダに回転可能に支持されていることが望ましく、より望ましくは、請求項３に記載のように、上記軸部は半円状の切欠面を二分しているいずれか一方の基準稜線の延長線上に設定されているものとする。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、三次元座標測定装置そのものの発明であって、多関節型ロボットの形態をなすとともに各関節部に回転センサを備えた手動式の三次元測定機を母機として、その三次元測定機のアーム先端に請求項１に記載の三次元座標測定用プローブが着脱可能に装着されていることを特徴とする。
【００１０】
したがって、請求項１に記載の発明では、そのプローブを請求項４に記載のように手動式の三次元測定機のアーム先端に着脱可能に装着して使用するものとする。この場合、先に述べたように半円状の二つの切欠面同士のなす角度が１２０度であって、しかも二つの切欠面はその切欠面を二分する位置を基準稜線としてこの基準稜線から遠ざかる方向に向かって下り勾配となる傾斜平面となっていることから、各切欠面ともに基準稜線を有していて、それらの双方の基準稜線同士がプローブの基本形状である球の中心で交差していることになる。
【００１１】
それ故に、稜線のような連続的な線を測定する場合には、測定者がプローブのうち基準稜線同士のなすコーナー部を測定対象となる稜線に当てがうだけで簡単に点接触させることができるから、その点接触部の三次元座標を直接的に且つ瞬時に測定することが可能となる。
【００１２】
そして、例えばプローブを測定すべき稜線に当てがったならば、その稜線に沿っていわゆる倣い測定の形態でプローブを連続的に移動させる一方、測定用ソフトの併用により、予め設定した測定ピッチ分だけプローブを移動したならば、その都度その測定ポイントの三次元座標値の自動取り込みを行うようにする。もしくは、例えばプローブの近傍に取り込み指示のための押釦スイッチを設けておき、測定者による押釦スイッチの押圧操作のタイミングでその都度その測定ポイントの三次元座標値を取り込むようにする。
【００１３】
また、必要に応じてプローブ本体の球面を使用すれば、従来から広く使用されているいわゆる球状のプローブとして稜線以外の三次元測定にも対応することができる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１，４に記載の発明によれば、例えば三次元形状のパネル部品の輪郭であるエッジ部を測定する場合、すなわち稜線のような連続的な線を測定する場合に、測定者がプローブのうち基準稜線同士のなすコーナー部を測定対象となる稜線に当てがうだけで簡単に点接触させることができるから、その点接触部の三次元座標を直接的に且つ瞬時に測定することが可能となり、測定時間の大幅な短縮化とともに測定精度も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明に係る三次元座標測定用プローブを含む三次元座標測定装置の概略構成を示す図である。
【００１６】
同図に示すように、三次元座標測定装置は多関節型ロボット（多関節型マニプレータ）の形態をなす手動式の三次元測定機１を母機として形成されていて、その母機として機能する三次元測定機１のアーム２の先端にはプローブ３が着脱可能に装着されているとともに、三次元測定機１の各関節部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにはその関節部４ａ〜４ｄをもって回転運動する各アームの回転位置を検出するための図示外の回転センサが内蔵されている。また、三次元測定機１にはパーソナルコンピュータをもって構成されたデータ処理装置５がコントローラ６を介して接続されていて、そのデータ処理装置５には測定データの自動記録モードおよびマニュアル記録モードのいずれにも対応可能な測定用のソフトウェアが予め組み込まれている。そして、後述するようにプローブ３を当接させた測定ポイントの測定データが、各回転センサの現在位置データで特定されるＸ，Ｙ，Ｚ方向の三次元の座標値としてデータ処理装置５に取り込まれることになる。
【００１７】
なお、プローブ３には、上記マニュアル記録モードのデータ記録に際してそのデータ記録の指示を与える押釦スイッチ７が付設されている。
【００１８】
図２は上記プローブ３の詳細を示しており、このプローブ３は、三次元測定機１のアーム２に直接的且つ着脱可能に装着される円筒状のホルダ８と、このホルダ８に対し軸部９を介して回転可能に装着される変形球状のプローブ本体１０とから構成されている。なお、ホルダ８と軸部９との間には図示しない高精度ベアリング等の精密回転機構が介装されていて、軸部９の軸線を回転中心としてプローブ本体１０が滑らかに回転できるように考慮されている。
【００１９】
プローブ本体１０は、図２のほか図３，４に示すように、真球状のプローブ本体１０を、その球の中心を通る中心線を交線として所定角度、この例では約１２０度の開先角度（内角）θで交差する半円状の二つの切欠面をもって切り欠くことにより、実質的に略三分の二の中実球状のものとして形成してある。そして、半円状の二つの切欠面について各切欠面を二分する位置を凸状の基準稜線１１ａ，１１ｂとしてこの基準稜線１１ａ，１１ｂから遠ざかる方向に向かって下り勾配となる傾斜平面１２ａ〜１２ｄとしてあり、その結果としてプローブ本体１０は球面１４以外の部分に四分円状の四つの傾斜平面１２ａ〜１２ｄとそれら四分円状の四つの傾斜平面１２ａ〜１２ｄに区切っている凸状の稜線１１ａ，１１ｂと凹状の稜線１３ａ，１３ｂとを備えていることになる。なお、凸状の二つの基準稜線１１ａ，１１ｂはいずれも球面１４の中心Ｇを通る中心線と一致しているとともに、それら凸状の稜線１１ａ，１１ｂと凹状の１３ａ，１３ｂとの交点は球面１４の中心Ｇと一致している。
【００２０】
このようにプローブ本体１０が球状を基本としつつも特殊形状であるがために、図３，４に示すように薄板からなるパネル部品Ｐの輪郭である上面側のエッジ部Ｅを測定する際には、凸状の基準稜線１１ａ，１１ｂ同士のなすコーナー部でパネル部品Ｐのエッジ部Ｅを受容するようにプローブ本体１０をエッジ部Ｅに当てがえば、球面１４の中心Ｇにて両者を点接触させることが可能となっている。言い換えれば、上記基準稜線１１ａ，１１ｂと稜線１２ａ，１２ｂとのなす交点はプローブ本体１０の球面１４の中心Ｇにほかならず、しかも球面１４の直径が既知であるから、凸状の基準稜線１１ａ，１１ｂ同士のなす交点にパネル部品Ｐのエッジ部Ｅを当てた状態で、その状態を保ちつつプローブ本体１０とパネル部品Ｐとを相対移動させ、それに併せて球面１４の中心座標値を連続的もしくは所定間隔ごとに取り込むことにより、上記エッジ部Ｅの三次元形状を計測して特定することができる。
【００２１】
ここで、変形球状のプローブ本体１０と軸部９とは予め一体に形成されているものであるが、軸部９の軸心は一方の基準稜線１１ａと同一軸線上に位置するように、すなわち一方の基準稜線１１ａの延長線上に軸部９の軸心が位置するように設定されている。なお、プローブ本体１０の開先角度θは、エッジ部Ｅが９０度であることから９０度以上あればよいが、エッジ部Ｅを球面１４の中心Ｇに迅速に当接させるように作業性を考慮して約１２０度とした。
【００２２】
このように構成された三次元座標測定装置によれば、例えば図５に示すように薄板状のパネル部品Ｐの輪郭であるパネル周縁のエッジ部Ｅの三次元形状を測定するにあたっては、図６に示すように測定点のピッチ（隣接する測定点同士のピッチ）Ｐを任意の値として入力して設定するとともに（図６のステップＳ１）、データ記録モードとして自動記録モードおよびマニュアル記録モードのうちのいずれかを選択した上で（ステップＳ２）、測定者がエッジ部Ｅに当てたプローブ３をそのエッジ部Ｅに沿っていわゆる倣い方式にて手動で動かしながら計測を行う（ステップＳ３，Ｓ８）。
【００２３】
なお、この場合のプローブ本体１０とエッジ部Ｅとの当て方は図３，４に示したとおりであって、その時点における現在のプローブ本体１０の球面１４の中心Ｇの座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の各座標値）が三次元測定機１の各関節部４ａ〜４ｄ（図１参照）に設けた回転センサの現在位置データに基づきリアルタイムで算出される。この現在のプローブ本体１０の球面１４の中心Ｇの座標値は該当するエッジ部Ｅの三次元座標値を示していることにほかならず、その三次元座標値が常時図１のデータ処理装置５に取り込まれれている。
【００２４】
上記の自動記録モードとは、原則としてプローブ３に付設された押釦スイッチ７の操作の有無にかかわらずデータ処理装置５に取り込まれたデータを時系列で全て記録可能なモードではあるものの、上記のように予め測定点のピッチＰを予め設定しておくことで、その測定点のピッチＰ分だけプローブ３が移動する毎にその時点での現在のエッジ部Ｅの三次元座標値すなわち現在のプローブ本体１０の球面１４の中心Ｇの座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の各座標値）が保存（記録）される（ステップＳ６，Ｓ７）。ただし、特定の測定点である最終取り込み位置から次の測定点である次の取り込み位置までの間のデータは一旦は取り込んだとしても保存されない。すなわち、図６のステップＳ４に示すように、直前のデータ取り込み位置からの現在位置までの距離Ｌを常時把握していて、Ｌ＝Ｐであることを条件にその時点での現在位置データが保存される。したがって、この自動記録モードでの保存データは図５に示すように常に等ピッチでの点列データとなる。ただし、上記の測定ピッチＰの値を小さく設定することで、当然のことながら点列データのスパンを密にすることは可能である。
【００２５】
一方、マニュアル記録モードでは、測定者がプローブ３を移動しながらそのプローブ３を付設されている押釦スイッチ７を押圧操作した時にのみ（図６のステップＳ９）、その時点での現在位置データが保存される（ステップＳ１０，Ｓ７）。つまり、このマニュアル記録モードでは、図５のような点列データのスパンを測定者の意志で大きくしたり小さくしながら計測することが可能となる。これは、比較的形状変化の少ない部分では点列データのスパンを大きくする一方、比較的形状変化の大きい部分では点列データのスパンを小さくすることによって、極端な点列データ数の増加を招くことなく、比較的形状変化の大きい部分ではより緻密に且つ正確に計測することが可能となる。
【００２６】
このように本実施の形態によれば、稜線のごとき連続的な線の三次元座標値をきわめて容易に且つ正確に測定することができる。もちろん、必要に応じてプローブ本体１０の球面１４を使用して稜線以外の三次元形状を測定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る三次元座標測定用プローブを含む三次元座標測定装置の概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示す三次元座標測定用プローブの要部拡大斜視図。
【図３】図２に示した三次元座標測定用プローブでの測定状態を示す斜視図。
【図４】（Ａ）は図３のａ方向矢視図、（ｂ）は同じく図３のｂ方向矢視図。
【図５】図２に示した三次元座標測定用プローブでの測定状態とそれによって得られた点列データとの関係を示す説明図。
【図６】図１に示した三次元座標測定装置での測定処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００２８】
１…三次元座標測定装置
２…アーム
３…プローブ
４ａ〜４ｄ…関節部
５…データ処理装置
７…押釦スイッチ
８…ホルダ
９…軸部
１０…プローブ本体
１１ａ，１１ｂ…基準稜線
１２ａ〜１２ｄ…傾斜平面
１３ａ，１３ｂ…稜線
１４…球面
Ｇ…球面の中心
【図１】
2005147673.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005147673.tif 000006
【図５】
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【図６】
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