(57)【要約】レーザを利用したトラッキングユニットは、ターゲットと通信してターゲットに関する位置情報を取得する。具体的には、ターゲットを計測対象点に配置する。次に、ターゲットのピッチ移動、ヨー移動およびロール移動、ならびにトラッキングユニットを基準としたターゲットの球座標を取得する。例えば、ターゲットは、遠隔制御ロボットなどの可動装置に組み込まれた能動素子であってもよい。
2006510873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多次元計測システムであって、
レーザ光を発射すると共に球座標を使用してトラッキングを実行するトラッキングユニットと、
前記トラッキングユニットと通信しており、ピッチ移動、ヨー移動およびロール移動をすることができるターゲットと、
前記トラッキングユニットと前記ターゲットとの間の距離を決定する距離決定モジュールと、
前記球座標、前記ピッチ移動、前記ヨー移動および前記ロール移動、ならびに前記距離に基づいて、前記トラッキングユニットを基準とした前記ターゲットに関する位置情報を出力する出力モジュールと、を備えたシステム。
【請求項２】
前記ターゲットに関する前記位置情報を出力する出力装置をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ロール移動は、前記レーザ光の水平偏向成分と前記レーザ光の垂直偏光成分との少なくとも１つの比較に基づいて行われる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記レーザ光の前記水平偏向成分を検出する第１光検出器と、前記レーザ光の前記垂直偏光成分を検出する第２光検出器とをさらに備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１光検出器からの出力と前記第２光検出器からの出力とを受取るロール決定回路をさらに備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ターゲットのロール移動を計測するように構成された電子水準測定装置をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ターゲットは前記トラッキングユニットに対して移動可能なアクティブなターゲットである、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ターゲットは、フィードバック制御、較正、工作機械制御、部品の組み立て、構造物の組み立て、および寸法検査の少なくとも１つに使用されるものであり、物体に固定可能に取り付けられた遠隔ユニットに組み込まれている、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記遠隔ユニットはロボットである請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ロボットは駆動システムと、前記ロボットを表面に付着可能とする１つ以上の牽引装置と、を備える請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記牽引装置は吸着カップ型装置である請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ロボットは正圧の空気圧系を備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
真空系をさらに備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ターゲットについての前記位置情報の少なくとも１つに基づいて機能を実行できるようにする１つ以上の付属部品をさらに備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
多次元計測システムと組合わせて用いられる遠隔ユニットであって、
前記多次元計測システムの前記トラッキングユニットと通信しており、ピッチ移動、ヨー移動およびロール移動をすることができるようにされているターゲットと、
前記ターゲットに結合された、プローブ先端部、プローブステム、およびプローブベースを有しているプローブアセンブリであり、前記プローブ先端部は、前記トラッキングユニットと前記ターゲットとの間の照準線上でない位置に到達するように構成されているものと、を備えている遠隔ユニット。
【請求項１６】
前記プローブアセンブリに結合された１つ以上のエンコーダをさらに備える、請求項１５に記載の遠隔ユニット。
【請求項１７】
前記エンコーダのうちの少なくとも１つは、前記プローブベースを基準とした前記プローブ先端部の第１の角度位置を決定するように構成されている、請求項１６に記載の遠隔ユニット。
【請求項１８】
前記エンコーダのうちの少なくとも１つは、前記プローブベースを基準とした前記プローブ先端部の第２の角度位置を決定するように構成されている、請求項１７に記載の遠隔ユニット。
【請求項１９】
前記エンコーダのうちの少なくとも１つは、前記プローブベースを基準とした前記プローブ先端部の軸位置を決定するように構成されている、請求項１６に記載の遠隔ユニット。
【請求項２０】
前記プローブ先端部が接触する位置についての計測を１つ以上実行させるように構成されたトリガをさらに備える、請求項１６に記載の遠隔ユニット。
【請求項２１】
前記プローブ先端部と関連付けられたタッチセンサをさらに備え、前記タッチセンサが位置に接触すると、該位置に関する１つ以上の計測が行われる、請求項１６に記載の遠隔ユニット。
【請求項２２】
多次元計測システムと関連付けられたターゲットであって、
頂点を有するレトロリフレクタであり、前記頂点は前記レトロリフレクタに入射するレーザビーム光の少なくとも一部を前記レトロリフレクタから出射させるように構成されているものと、
前記頂点を通って前記レトロリフレクタから出射する前記レーザビーム光の少なくとも一部を検出するように構成されたレーザ光センサと、を備えるターゲット。
【請求項２３】
前記ターゲットは、光学式測定センサに結合されるように構成されている、請求項２２に記載のターゲット。
【請求項２４】
前記レトロリフレクタは、中空なレトロリフレクタである、請求項２２に記載のターゲット。
【請求項２５】
前記レトロリフレクタは、前記頂点に開口を有し、前記開口は前記レーザビーム光の少なくとも一部を前記レトロリフレクタから出射させるように構成されている、請求項２４に記載のターゲット。
【請求項２６】
前記レトロリフレクタは、前記頂点を形成する３枚の鏡を備えている、請求項２４に記載のターゲット。
【請求項２７】
前記レトロリフレクタは、中実なレトロリフレクタである、請求項２２に記載のターゲット。
【請求項２８】
前記頂点は、前記レーザビーム光の少なくとも一部を前記レトロリフレクタから出射させるように研磨された小平坦面を有している、請求項２７に記載のターゲット。
【請求項２９】
前記レーザ光センサは、光検出器である、請求項２２に記載のターゲット。
【請求項３０】
前記レーザ光センサは電荷結合デバイスアレイセンサである、請求項２２に記載のターゲット。
【請求項３１】
前記レーザ光センサは、前記ターゲットの前記ピッチ移動、前記ヨー移動の少なくとも一方を検出できるようになっている、請求項２２に記載のターゲット。
【請求項３２】
物体の位置を計測するための方法であって、
レーザ光を発射するトラッキングユニットの球座標をモニタするステップと、
前記トラッキングユニットと通信しているターゲットのロール移動、ヨー移動およびピッチ移動をモニタするステップと、
前記トラッキングユニットと前記ターゲットとの間の距離を決定するステップと、
前記球座標、前記ピッチ移動、前記ヨー移動および前記ロール移動、ならびに前記距離に基づいて前記トラッキングユニットを基準とした前記ターゲットに関する位置情報を出力するステップと、を有する方法。
【請求項３３】
前記ロール移動は、前記トラッキングユニットから射出された前記レーザ光の水平偏向成分と、前記レーザ光の垂直偏光成分との少なくとも１つの比較に基づくものとされる、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
ロール決定回路が、前記レーザ光の前記水平偏向成分と前記レーザ光の前記垂直偏光成分との前記比較を実行する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記ターゲットは、前記トラッキングユニットに対して移動可能なアクティブターゲットである、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記ターゲットは、フィードバック制御、較正、工作機械制御、部品の組み立て、構造物の組み立て、および寸法検査の少なくとも１つに使用されるものであり、物体に固定可能に取り付けられた遠隔ユニットに組み込まれている、請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
前記遠隔ユニットは駆動システムと、前記遠隔ユニットを表面に付着可能とする１つ以上の牽引装置と、を備えている、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記牽引装置は、真空系と組合わせて用いられる吸着カップ型装置である、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記遠隔ユニットは、遠隔制御される、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
少なくとも前記ターゲットの位置情報に基づいて、付属装置により何らかの機能を実行させるステップをさらに有する、請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記ロボットは、正圧の空気圧系を備えている、請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
物体の位置を計測するためのシステムであって、
レーザ光を発射するトラッキングユニットの球座標をモニタする手段と、
前記トラッキングユニットと通信しているターゲットのロール移動、ヨー移動およびピッチ移動をモニタする手段と、
前記トラッキングユニットと前記ターゲットとの間の距離を決定する手段と、
前記球座標、前記ピッチ移動、前記ヨー移動および前記ロール移動、ならびに前記距離に基づいて、前記トラッキングユニットを基準とした前記ターゲットに関する位置情報を出力する手段と、を有するシステム。
【請求項４３】
前記ロール移動は、前記レーザ光の水平偏向成分と前記レーザ光の垂直偏光成分との少なくとも１つの比較に基づくものとされる、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
ロール決定回路が、前記レーザ光の前記水平偏向成分と前記レーザ光の前記垂直偏光成分との前記比較を実行する、請求項４３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００２年８月２６日に出願の米国仮出願第６０／４０５，７１２号ならびに２００３年８月２５日に出願の米国出願第 号に対する利益を主張し、これらを参照によりその全てをここに援用する。
【０００２】
本発明は、一般に計測システムに関する。より詳細には、本発明のシステムおよび方法は、多次元レーザトラッキングシステムを対象としている。
【背景技術】
【０００３】
高精度計測システムは、多様な用途を有する。例えば、ロボット工学では、ロボットの正確な位置と姿勢を正確に定める必要があることが多い。高い精度を得るために、ロボットの位置計測システムを使用することができる。この種のシステムは、通常、レーザビーム干渉計を使用して、ロボットのエンドエフェクタの位置および／または姿勢を特定している。このようなシステムはロボットのエンドエフェクタの位置および姿勢をリアルタイムでモニタする一方で、計測データを高精度かつ高速に提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、３軸および五５のレーザトラッキングシステムは本出願人による米国特許第４，７１４，３３９号に記載され、５軸／６軸レーザ計測システムは、本出願人の米国特許第６，０４９，３７７号に記載されており、これらはいずれも参照によりその全てをここに援用する。さらに、２００３年５月６日に出願された本出願人の米国特許出願第６０／３７７，５９６号「９次元レーザトラッキングのシステムおよび方法」も、本発明の説明を補足するために参照によりその全てをここに援用する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、トラッキングユニット、ターゲット、距離決定モジュール、および出力モジュールを備えた多次元計測システムを提供する。前記トラッキングユニットは、レーザ光を出射すると共に、球座標を使用してトラッキングを実行する。前記ターゲットは前記トラッキングユニットと通信している。前記ターゲットは、ピッチ移動、ヨー移動およびロール移動をすることができる。前記距離決定モジュールは、前記トラッキングユニットと前記ターゲットとの間の距離を決定する。前記出力モジュールは、前記球座標、前記ピッチ移動、前記ヨー移動および前記ロール移動、ならびに前記距離に基づいて前記トラッキングユニットを基準とした前記ターゲットに関する位置情報を出力する。
【０００６】
好ましくは、前記システムは、前記ターゲットに関する前記位置情報を出力する出力装置をさらに備える。好ましくは、前記ロール移動は、前記レーザ光の水平偏光成分と前記レーザ光の垂直偏光成分との比較のうちの少なくとも１つに基づく。好ましくは、前記システムは、前記レーザ光の前記水平偏光成分を検出する第１光検出器と、前記レーザ光の前記垂直偏光成分を検出する第２光検出器とをさらに備える。好ましくは、前記システムは、前記第１光検出器の出力と前記第２光検出器の出力とを受け取るロール決定回路をさらに備える。別の実施形態では、前記システムは、電子水準測定装置を使用して前記ターゲットの前記ロール移動を計測する。
【０００７】
好ましくは、前記ターゲットは前記トラッキングユニットに対して移動可能なアクティブターゲットである。好ましくは、前記ターゲットは、フィードバック制御、較正、工作機械制御、部品の組み立て、構造物の組み立て、および寸法の検査の少なくとも一つに使用されるものであり、物体に固定可能に取り付けられた遠隔ユニットに組み込まれている。好ましくは、前記遠隔ユニットはロボットである。好ましくは、前記ロボットは駆動システムと、前記ロボットを表面に付着可能とする１つ以上の牽引装置とを備える。好ましくは、前記牽引装置は吸着カップ型装置である。別の方法として、正圧の空気圧系により、前記遠隔ユニットを表面に移動可能な状態で付着させることもできる。好ましくは、前記システムは真空系をさらに備える。好ましくは、前記システムは、少なくとも前記ターゲットの前記位置情報に基づいて何らかの機能を実行できるようにする１つ以上の付属部品をさらに備える。
【０００８】
本発明の別の態様は、多次元計測システムと関連付けられた遠隔ユニットを提供する。前記遠隔ユニットは、ターゲットと、前記ターゲットに結合されたプローブアセンブリとを備える。前記ターゲットは、前記多次元計測システムの前記トラッキングユニットと通信している。前記ターゲットは、ピッチ移動、ヨー移動およびロール移動をすることができる。前記プローブアセンブリは、プローブ先端部、プローブステム、およびプローブベースを有する。前記プローブ先端部は、前記トラッキングユニットと前記ターゲットとを結ぶ照準線にかからない位置に到達するようになっている。
【０００９】
好ましくは、前記遠隔ユニットは、前記プローブアセンブリに結合された１つ以上のエンコーダをさらに備える。好ましくは、前記エンコーダのうちの少なくとも１つは、前記プローブベースを基準とした前記プローブ先端部の第１の角度位置を決定するように構成されている。好ましくは、前記エンコーダのうちの少なくとも１つは、前記プローブベースを基準とした前記プローブ先端部の第２の角度位置を決定するように構成されている。好ましくは、前記エンコーダのうちの少なくとも１つは、前記プローブベースを基準とした前記プローブ先端部の軸位置を決定するように構成されている。
【００１０】
好ましくは、前記遠隔ユニットは、前記プローブ先端部が接触する位置に関する計測を１つ以上実行するように構成されたトリガをさらに備える。或いは、前記遠隔ユニットは前記プローブ先端部と関連付けられたタッチセンサをさらに備えてもよい。前記タッチセンサがその位置に接触すると、その位置に関する１つ以上の計測が行われる。
【００１１】
別の態様において、本発明は、多次元計測システムと関連付けられたターゲットに関する。前記ターゲットは、レトロリフレクタおよびレーザ光センサを備える。レトロリフレクタは、頂点を有する。前記頂点は前記レトロリフレクタに入射するレーザビーム光の少なくとも一部を前記レトロリフレクタから出射させるように構成されている。前記レーザ光センサは、前記頂点を通って前記レトロリフレクタから出射する前記レーザビーム光の少なくとも一部を検出するように構成されている。好ましくは、前記ターゲットは光学式測定センサに結合されるように構成されている。
【００１２】
前記レトロリフレクタは、好ましくは中空なレトロリフレクタである。前記レトロリフレクタは前記頂点に開口を有する。前記開口は前記レーザビーム光の少なくとも一部を前記レトロリフレクタから出射させるように構成されている。好ましくは、前記レトロリフレクタは前記頂点を形成している３枚の鏡を備える。
【００１３】
また、前記レトロリフレクタは中実なレトロリフレクタであってもよい。前記頂点は、前記レーザビーム光の少なくとも一部を前記レトロリフレクタから出射させるように研磨された小平坦面を有する。
【００１４】
前記レーザ光センサは、光検出器であってもよい。また、前記レーザ光センサは、電荷結合デバイスアレイセンサであってもよい。好ましくは、前記レーザ光センサは、前記ターゲットの前記ピッチ移動および前記ヨー移動の少なくとも一方を検出するように動作可能である。
【００１５】
本発明の別の態様は、物体の位置を計測するための方法を提供する。前記方法の代表的なステップは、（１）レーザ光を発射するトラッキングユニットの球座標をモニタするステップと、（２）前記トラッキングユニットと通信しているターゲットのロール移動、ヨー移動およびピッチ移動をモニタするステップと、（３）前記トラッキングユニットと前記ターゲットとの間の距離を決定するステップと、（４）前記球座標、前記ピッチ移動、前記ヨー移動および前記ロール移動、ならびに前記距離に基づいて前記トラッキングユニットを基準とした前記ターゲットに関する位置情報を出力するステップと、を有する。上記方法が前述の順序どおりに必ずしも実行されなくてもよい点に留意されたい。
【００１６】
好ましくは、前記ロール移動は、前記トラッキングユニットから発射された前記レーザ光の水平偏向成分と前記レーザ光の垂直偏光成分との少なくとも１つの比較に基づく。好ましくは、ロール決定回路は、前記レーザ光の水平偏光成分と前記レーザ光の垂直偏光成分との前記比較を実行する。
【００１７】
別の態様においては、本発明は、物体の位置を計測するためのシステムであって、（１）レーザ光を発射するトラッキングユニットの球座標をモニタする手段と、（２）前記トラッキングユニットと通信しているターゲットのロール移動、ヨー移動およびピッチ移動をモニタする手段と、（３）前記トラッキングユニットと前記ターゲットとの間の距離を決定する手段と、（４）前記球座標、前記ピッチ移動、前記ヨー移動および前記ロール移動、ならびに前記距離に基づいて前記トラッキングユニットを基準とした前記ターゲットに関する位置情報を出力する手段と、を有するシステムである。
【００１８】
つまり、本発明の代表的な実施形態によれば、本発明の態様は、多次元計測システムに関する。
【００１９】
本発明の付加的な態様は、偏光レーザからの計測に基づいてターゲットのロール移動を決定することに関する。
【００２０】
さらに、本発明の態様は、トラッキングユニットと併用されるアクティブターゲットの設計および使用に関する。
【００２１】
さらに、本発明の態様は、トリガまたはタッチセンサに結合された遠隔ユニットにターゲットを使用することに関する。
【００２２】
本発明の他の態様は、アクティブターゲット技術を組み込んだ遠隔制御ロボットに関する。
【００２３】
本発明の他の態様は、多次元計測システムのターゲットに使用されているレトロリフレクタに関する。
【００２４】
本発明の他の態様は、プローブ先端部のベクトルを較正するための方法に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明のシステムおよび方法は、トラッキングユニットとターゲットとを併用することで、多次元レーザトラッキングを実現している。例えば、本発明の六次元（６Ｄ）システムでは、六次元とは、ターゲットのピッチ移動、ヨー移動およびロール移動と、トラッキングユニットを基準としたターゲットの球座標（すなわち２つの角度α、θ）およびラジアル距離（radial distance）とを指す。ターゲットは好ましくは、人間、ロボット、またはその他の移動体が保持することのできるアクティブターゲットである。アクティブターゲットを用いることで、ターゲットの座標は、トラッキングユニットから出る入射光に対して比較的垂直な関係を維持する。さらに、絶対距離測定（absolute distance measurement：ＡＤＭ）法を使用することにより、絶対測距（absolute ranging）が可能となる。
【００２６】
一般に、計測値に基づいたピッチおよびヨーは、ターゲットに設けられたエンコーダで取得される。ロールの計測値は、例えば、後述する偏光または電子水準測定技術（polarization or an electronic level technique）に基づいたものである場合がある。絶対距離測定すなわちＡＤＭは、例えば、反復飛行時間（repetitive time of flight：ＲＴＯＦ）パルス、パルスレーザ、位相／輝度変調等を使用して実施することができる。補足的な説明は、本出願人による米国特許出願第６０／３７７，５９６号に記載されており、参照によりその全てをここに援用する。
【００２７】
具体的にいうと、ＲＴＯＦを利用したシステムは、ＰＩＮ光検出器などの光検出器、レーザ増幅器、レーザダイオード、および周波数カウンタを備える。ターゲットに向けて第１のレーザパルスが発射される。光検出器は、反射パルスを検出すると、レーザ増幅器を作動させると共に、レーザダイオードに第２のパルスを発射させ、周波数カウンタがこれらのパルスを検出する。しかし、この論理が逆転していても同様に正しく機能することは理解されよう。このとき、トラッキングユニットからターゲットへの距離（Ｄ）は、下記式によって計算することができる。
【数１】
2006510873.tif 000003
ここで、ｆ＝ｆ０ならＤ＝０。
Ｃは光速、ｆ０は基準周波数、ｆはパルスの周波数
【００２８】
本発明のシステムおよび方法は、多様な用途を有する。本発明のシステムおよび方法によって、物体を様々な多自由度（例えば六自由度）でモニタリングすることが可能となる。例えば、本発明のシステムおよび方法は、構造物の組み立て、リアルタイムの位置合わせおよびフィードバック制御、工作機械の較正、ロボットの位置制御、位置のトラッキング、フライス盤制御、較正、部品の組み立て、寸法検査等に用いることができる。
【００２９】
さらに、本発明のシステムおよび方法は、六次元トラッキングシステムを使用しており、ロボット技術の利用に供することができる。例えば、この六次元レーザトラッキングシステムは、例えば各種サイズの物体を計測（scaling）することができ、これによって、例えば物体の高精度の計測を行ったり、その物体の特定の位置でさまざまな機能を実行したり、この両者を行うことができるロボットに組み込むことができる。
【００３０】
図１は、本発明の代表的な多次元計測システムを示す模式図である。レーザトラッキングシステム１０は、トラッキングユニット１００とターゲット１５０を備える。トラッキングユニット１００は、ターゲット１５０に当たる１以上のレーザ１１０を発生させて、ターゲット１５０に関する六次元の計測値を求める。六次元の計測値は出力装置２００に出力される。より詳細には、図１に示す六次元とは、ターゲット１５０のピッチ移動、ヨー移動およびロール移動と、トラッキングユニット１００を基準としたターゲット１５０の球座標（後にデカルト座標に変換される）と、ターゲット１５０とトラッキングユニット１００との間のラジアル距離（radial distance）とを指す。
【００３１】
上で参照した本出願人の以前の特許ならびに特許出願に記載したように、ピッチ、ヨー、および球座標の計測はさまざまな技術に基いたものであり得る。例えば、ピッチおよびヨーの計測は、１つ以上のロータリーエンコーダに基づいて行うことができる。例えば、距離の計測は、パルスレーザ、ＲＴＯＦパルス、レーザビームの位相および／または輝度変調などに基づいて行うことができる。これら各種のシステムは、ターゲット１５０の絶対測距を提供することができる。ターゲット１５０は好ましくはアクティブターゲットである。具体的にいうと、絶対距離測定（ＡＤＭ）法を使用して、概算の初期距離を求め、次に干渉計を利用した方法を用いて初期距離の計測の精度を上げることができる。ＡＤＭ法を使用しない場合、計測を２回行う必要があり、逆三角測量を実施して距離を計算しなければならないため、ＡＤＭ法が好ましい。
【００３２】
トラッキングユニット１００とターゲット１５０とは、例えばモータ駆動のユニットでもよく、それにより、トラッキングユニット１００とターゲット１５０の一部が、トラッキングユニットから発射される入射レーザビーム１１０に対して垂直な姿勢を維持することができるようになる。トラッキングユニット１００は、レーザ光源である。このため、後述するように、ターゲット１５０は、１台以上の光検出器からの位置信号を使用するロータリーエンコーダとモータとを併用して、入射レーザビーム１１０に対して垂直な状態を維持することができるようになる。例えば、ターゲット１５０は、ジンバル型マウント、ステッピングモータ、サーボモータなどの対応する位置モータ、および／またはエンコーダを使用して、トラッキングユニット１００を「トラッキング」する。六次元トラッキングシステム１０は、入射レーザ１１０に対するターゲット１５０の関係に基づいて、ターゲット１５０の姿勢を求めることができる。また、ターゲット１５０は、例えばコーナーキューブなどの手持形装置の受動素子であってもよく、この場合、使用者がターゲット１５０とトラッキングユニット１００との間の視線を維持する役目を担う。
【００３３】
好ましくは、絶対距離測定および干渉計の電子部品をトラッキングユニット１００のジンバル部分に組み込むことによって、トラッキングユニット１００を小型化することができる。これにはさまざまな利点があり、その例に、軽量化、小型化、外部接続部の簡略化、トラッキングの高速化などが挙げられる。
【００３４】
出力装置２００は、有線ないし無線のリンク５を介してトラッキングユニット１００およびターゲット１５０の１つ以上に接続されており、ターゲット１５０に関する位置情報を出力する。例えば、出力装置２００は、コンピュータ、位置制御装置用のフィードバック入力、ディスプレイ、誘導装置などであり得る。一般に、出力装置２００は、ターゲット１５０に関する位置情報を出力することができればどのような装置でもよい。
【００３５】
さらに、１以上のレーザ１１０を、ターゲット１５０に関する位置情報をトラッキングユニット１００に伝達するために用いることができる。例えば、初期距離を求めたのち、絶対距離測定用のレーザをデータ通信に使用し、干渉計ベースのレーザをラジアル距離計測に使用することができる。また、ターゲット１５０とトラッキングユニット１００とが常時通信できるようにするため、専用のレーザをシステム１０に搭載してもよい。
【００３６】
図２は、本発明のロール計測システムを示す概略図である。より詳細には、このシステムは、トラッキングユニット１００に存在するレーザ光源（図示せず）、偏光レーザビーム２１０、偏光ビームスプリッタ２２０、第１光検出器２３０、第２光検出器２４０、およびロール決定回路２５０を備える。ロール決定回路２５０は、例えば差動増幅器であり得る。レーザ光源は、例えばレーザヘッドであり得る。図２に示すように、偏光ビームスプリッタ２２０、第１光検出器２３０、第２光検出器２４０およびロール決定回路２５０は、ターゲット１５０の構成要素である。
【００３７】
動作時に、トラッキングユニット１００は、偏光レーザビーム２１０を発射し、これが偏光ビームスプリッタ２２０に受光される。偏光ビームスプリッタ２２０は、入射光２１０を２本の光路に分割する。偏光レーザビーム２１０の第１の光路は第１光検出器２３０に向かい、第２の光路は第２光検出器２４０に向かう。偏光レーザビーム２１０が偏光ビームスプリッタ２２０に入射する際に、ビームスプリッタ２２０の特性によって、偏光レーザビーム２１０は水平偏向成分２１４と垂直偏光成分２１３とに分割される。
【００３８】
ビーム２１０の水平偏向成分２１４は偏光ビームスプリッタ２２０を通過して光検出器２４０に到達し、光検出器２４０は、ビーム２１０の水平偏向成分２１４の強度に相当する出力信号を生成する。同様に、ビーム２１０の垂直偏向成分２１３はビームスプリッタ２２０によって光検出器２３０に向かい、光検出器２３０も同様に、ビーム２１０の垂直偏向成分２１３の強度に相当する出力信号を生成する。光検出器２３０、２４０の強度の計測値は、ロール決定回路２５０の例えばポジティブ入力およびネガディブ入力にそれぞれ接続され得、ロール決定回路２５０はトラッキングユニット１００とターゲット１５０との間のロールを表す出力信号を供給する。ロール決定回路２５０は好ましくは高利得の差動増幅器である。
【００３９】
前述のように、偏光レーザビーム２１０は、トラッキングユニット１００とターゲット１５０との間の正確なロール姿勢に基づいて、２つの異なる偏光成分に分割される。４５°のロール姿勢では、光検出器２３０が受け取る強度と光検出器２４０が受け取る強度とは等しい。しかし、その位置からターゲット１５０がいずれかの方向にロール移動すると、一方の検出器が受け取る偏光レーザビーム２１０の強度がもう一方よりも大きくなる。この出力の差が、例えばロール決定回路２５０によって計測されて、ロールの示度が提供される。ロール決定回路２５０が実行するこの減算演算は、ビーム強度および／または背景光の変動などによって発生する背景ノイズおよび外部ノイズも補償するため有利である。
【００４０】
具体的にいうと、存在し得る他の信号ノイズに加えて、ビーム出力の変動が光検出器２３０および光検出器２４０によって計測され得る。この変動は、ロール決定回路２５０が行う演算で無効にすることができる。これによって、例えばシステムの感度と精度が向上する。
【００４１】
例えば、ロールを表す信号が、ソフトウェアを具備したコンピュータ（図示せず）に出力され、このソフトウェアは記録、分析を行い、ロールの計測値に基づいて次の動作を開始することができる。
【００４２】
これに代えて、他の方法を使用してロールを計測することもできる。この方法には、振子を利用した方法、導電性流体キャピラリチューブ法（conductive fluid capillary tube techniques）、液体水銀反射センサ等の電子水準測定装置（electronic levels）を用いた方法などがあるが、これらに限定されず、一般にターゲットのロールを計測できる方法であればどのようなものでも使用することができる。
【００４３】
図３は、本発明の代表的なピッチ、ヨー、ロールおよび距離の計測システムを示す概略図である。より詳細には、六次元レーザトラッキングシステム３０の構成部品には、トラッキングユニット１００に存在するレーザ光源、偏光レーザビーム３１０、ビームスプリッタ３２０、コーナーキューブ３３０、収束器レンズ３４０、二次元光検出器３５０、第１光検出器２３０、第２光検出器２４０、偏光ビームスプリッタ２２０、およびロール決定回路２５０がある。
【００４４】
動作時に、トラッキングユニット１００のレーザ光源は偏光レーザビーム３１０を発射し、これがビームスプリッタ３２０によって３本の光路３２４、３２３、３２２に分割されて、それぞれ収束器レンズ３４０、コーナーキューブ３３０および偏光ビームスプリッタ２２０に向かう。
【００４５】
ビームスプリッタ３２０によって反射され、偏光ビームスプリッタ２２０に向かったビーム３１０の光路３２２は、前述のように、ロールの計測値を求めるために使用される。ターゲット１５０が生成するロール、ピッチおよびヨーの計測値の組合せと、トラッキングユニット１００と関連する球座標とによって、システム３０は、ターゲット１５０の六次元トラッキングを実行することができる。
【００４６】
ビームスプリッタ３２０をそのまま通過した偏光レーザビーム３１０の光路３２３は、コーナーキューブ３３０によって反射されてトラッキングユニット１００に戻る。これを受けたトラッキングユニット１００は、上記で参照した本出願人の関連特許に記載されているようにして、ターゲット１５０とトラッキングユニット１００間の距離を求める。もっとも、本発明のシステムおよび方法では、絶対距離測定値を求めるためのどのような方法を使用しても、上述の場合と同様に正しく機能することが理解されよう。
【００４７】
収束器レンズ３４０に向かう光路３２４は、二次元光検出器３５０に収束されて、二次元光検出器３５０によって、ターゲット１５０のモータを駆動するピッチ信号およびヨー信号が生成される。より詳細には、トラッキングユニット１００のレーザ光源に対してターゲット１５０が移動すると、収束器レンズ３４０に向かうレーザ光路３２４が二次元光検出器３５０に対して移動する。この移動が検出されて、ピッチ移動および／またはヨー移動の計測値を表す対応する信号が取得され得る。次に、前述のように、このピッチおよび／またはヨーの計測値を使用して、ターゲット１５０の１つ以上のモータを制御して、ターゲット１５０をトラッキングユニット１００に対して垂直な姿勢に維持し得る。
【００４８】
図１４は、レトロリフレクタを備える本発明のターゲットの他の代表的な実施形態を示す概略平面図である。図１５は、図１４の代表的な実施形態を示す概略斜視図である。
【００４９】
本発明のシステム１４００は、トラッキングユニット１００とターゲット１４５０を備える。トラッキングユニット１００はレーザビーム光源であり、ターゲット１４５０はこのレーザビームを検出することができる。ターゲット１４５０は、レトロリフレクタ１４２０とレーザ光センサ１４３０を備える。レーザ光センサ１４３０は、例えば、前述の光センサ２４０であっても、後述する電荷結合デバイス（charge coupled device：ＣＣＤ）アレイセンサなどの光検出器であってもよい。増幅器／リピータ１４４０は、レーザ光センサ１４３０と関連付けられ得、レーザ光センサ１４３０が生成したアナログ信号またはデジタル信号を増幅する。
【００５０】
レトロリフレクタ１４２０の開口１４２２を通過したトラッキングユニット１００からのレーザビーム光は、レーザ光センサ１４３０によって検出され得る。レトロリフレクタ１４２０は、中空なレトロリフレクタまたは中実なレトロリフレクタであり得る。頂点１４２２により、レーザビーム１４１０の少なくとも一部が、光検出器またはＣＣＤアレイセンサなどのレーザ光センサ１４３０に到達ないし集束される。
【００５１】
レトロリフレクタ１４２０は、好ましくは、図１６に示す中空なレトロリフレクタである。図１６に示す代表的な中空なレトロリフレクタ１６００は、互いに垂直に配置された３枚の鏡１６１０、１６２０、１６３０を有する。鏡１６１０、１６２０、１６３０の共通の端部は、中空なレトロリフレクタ１６００の頂点１６０１を形成している。開口１６０２は、好ましくは中空なレトロリフレクタ１６００の頂点１６０１に存在する小さい穴である。開口１６０２により、レーザビーム１４１０の少なくとも一部が、光検出器またはＣＣＤアレイセンサであり得るレーザ光センサ１４３０に到達ないしすなわち集束される。
【００５２】
中実なレトロリフレクタを用いる場合、レーザビーム１４１０の少なくとも一部が、レーザ光センサ１４３０に到達ないし集束するように、頂点近傍の小平坦面が研磨により作られる。図１７に示すように、中実なレトロリフレクタ１７００は、頂点１７０１に平坦面１７０２を有する。平坦面１７０２は、前述の開口１６０２と同様に機能する。
【００５３】
レトロリフレクタ１４２０とレーザ光センサ１４３０は、ターゲット１４５０のピッチ（図１５のｙ−ｙ軸参照）姿勢または移動およびヨー（図１５のｘ−ｘ軸参照）姿勢または移動を計測するように構成されている。ベクトルＶｘ+Ｖｙと距離Ｄとから、ターゲット１４５０に対する入射レーザ光１４１０の角度位置が与えられる。ターゲット１４５０は、遠隔ユニット（例えば、図４、７、８、１２にそれぞれ示すロボット４００、遠隔ユニット７００、８００、１２００）に関連付けられ得る。
【００５４】
図１４に、ターゲット１４５０に関するヨー移動の計測方法を模式的に示す。ターゲット１４５０のヨー移動がゼロの場合、レーザビーム光１４１０は開口１４２２を通過し、レーザ光センサ１４３０によって、その原点或いは基準点１４３２において検出される。しかし、レーザ光路１４１３、１４１５に示された場合のように、ターゲット１４５０のヨー移動が存在する場合、レーザ光センサ１４３０によって、レーザビーム光１４１０が、レーザビーム光１４１０の光路１４１３、光路１４１５について、基準点１４３２から外れた位置である点１４３３、１４３５で検出されるようになる。なお、点１４３３、１４３２、１４３５は図１５に示す軸ｘ−ｘ上にあると考えられる点に留意されたい。好ましくは、レトロリフレクタ１４２０とレーザ光センサ１４３０は、広い範囲のヨー移動を検出するように構成されている。例えば、レトロリフレクタ１４２０とレーザ光センサ１４３０は、サイズなどの要因に応じて決まるが、最大少なくとも約３０°のヨー移動を計測することができる。
【００５５】
同様に、ターゲット１４５０のピッチ移動は、レトロリフレクタ１４２０とレーザ光センサ１４３０を使用して検出および計測することができる。ピッチ移動がゼロの場合、レーザビーム光１４１０は、開口１４２２を通過し、基準点１４３２でレーザ光センサ１４３０によって検出される。ピッチ移動が存在する場合、基準点１４３２の紙面に垂直な方向の上もしくは下の位置にある、レーザ光センサ１４３０の別の部分がレーザビーム光を検出すると考えられる。これらの点は図１５に示す軸ｙ―ｙ上にあると考えられる点に留意されたい。
【００５６】
前述のように、レーザ光センサ１４３０は、光検出器であり得る。本発明の他の方法では、レーザ光センサ１４３０としてＣＣＤアレイセンサを使用してもよい。当業界で公知のように、ＣＣＤアレイセンサは、アレイ状に配置された複数のピクセルを有する場合がある。好ましくは、本発明によれば、ＣＣＤアレイセンサは、約１，０００×１，０００ピクセルを有する。また、ピクセルの数はこれよりも多くても少なくてもよい。ＣＣＤアレイセンサからのデジタル出力は、対応するリピータ１４４０によって処理される。ＣＣＤアレイセンサは、ターゲット１４５０のヨー移動およびピッチ移動の一方または両方を検出するために使用される。ＣＣＤアレイセンサを使用して光を検出することは、例えばデジタルカメラなど当業界で公知となっている。このため、これ以上の説明は必要ないであろう。
【００５７】
前述したように、レトロリフレクタ１４２０とレーザ光センサ１４３０をターゲット１４５０に組み込むことにより幾つかの利点を得られる。例えば、レトロリフレクタ１４２０と関連付けられている遠隔ユニット（例えば遠隔ユニット７００、８００、１２００のうちのいずれか）は、上下逆の姿勢を取ったほうが実用に供する場合があるが、これは上記の構成でなければ実現できない。また、レトロリフレクタ１４２０を使用することによって、本発明のターゲットおよび遠隔ユニットの少なくとも一方を小型化および／または軽量化することができる。
【００５８】
図４に、本発明の代表的な遠隔ユニットを示す。ロボット４００は、複数の吸着カップ型装置４１０、駆動機構４２０、コントローラ４３０、付属装置４４０、吸着装置４５０、およびターゲットを備える。ターゲットは、例えば、ターゲット１５０、ターゲット１４５０のうちのいずれかであってもよい。ロボット４００は、動力源、バッテリ、太陽パネルなど上記以外にもさまざまな部品を備えており、見やすくするために図面上では省略してあるが、当業者には容易に理解できるであろう。動作時においては、ロボット４００とターゲット１５０とを併用することにより、例えばロボット４００の移動および位置を正確にトラッキングできるようになる。ロボット用のアクティブターゲットの詳細については後述するが、一般に、ターゲットはどのような物体にも固定可能に取り付けることができ、これによってその物体を最大六自由度までモニタリングできるようになる。ターゲットを可動式の装置に取り付けて、その装置の位置をモニタリングしてもよい。
【００５９】
吸着カップ型装置４１０は、例えばホース（図示せず）を介して吸着装置４５０に接続されており、ロボット４００を表面に固定した状態にする。例えば、コントローラ４３０は、吸着装置４５０および吸着カップ型装置と共に駆動システム４２０と連携して、ロボット４００が表面を横断できるようにし得る。例えば、吸着カップ型装置４１０と駆動機構４２０とを連携させることができ、それによって、吸着カップ型装置４１０に充分な吸着力を与えてロボット４００を表面に固定した状態にする一方で、駆動機構４２０によってロボット４００がその表面を移動できるようにすることができる。例えば、駆動機構４２０は、４つの車輪を有してもよく、また、これらは駆動部品とサスペンション部品（図示せず）に連結されていてもよい。車輪によって、トラッキングユニット１００に対する回転姿勢を維持しながら、ロボット４００がその表面を横断できるようになる。しかし、一般に、トラッキングユニット１００に対して一定の回転姿勢を維持するようにロボット４００を動作させるほうが単純であるが、偏光レーザを使用すると共にシステムを変更して、回転移動に対応できるようにしてもよい。具体的にいうと、例えば、ロボット４００のどのような回転移動にも対応できるように、偏光レーザに基づいて、ロボット４００の回転移動を、姿勢の計測値からアルゴリズムによって抜き出してもよい（backed out of）。
【００６０】
また、上記ロボット４００は吸着装置４５０と吸着カップ型装置４１０とを備えているが、ロボット４００を移動可能な状態で上記表面に固定することができる任意の装置または装置の組合せを用いても、本発明のシステムおよび方法が上記場合と同様に正しく機能する点を理解されたい。例えば、正圧の空気圧系（positive air pressure system）を使用してロボット４００を表面に移動可能に付着してもよい。例えば、正圧の空気圧系は、ロボット４００が表面の上ではなく下を横断している場合に、下向きに空気に吹きつけるエアーブローユニットを備えていてもよい。下向きの空気の移動によって、ロボット４００が表面の下に、移動可能として固定される。さらに、表面の種類に応じて、磁力、重力、抵抗力等を利用した取り付けシステムを使用することができる。
【００６１】
コントローラ４３０は、例えば、遠隔コントローラ（図示せず）と有線通信または無線通信を行っており、駆動機構４２０と連携してロボット４００を移動させる。例えば、駆動機構４２０には、駆動輪に連結された複数の電気モータなどが含まれ得る。
【００６２】
付属装置４４０は、例えば、マーキング装置、ドリル、塗装用アタッチメント、溶接または切削加工装置などの工具のほか、表面への正確な位置決めが必要とされる公知の装置、あるいは今後開発される装置であり得る。付属装置は、例えば、コントローラ４３０と連携して遠隔で作動されてもよい。さらに、付属装置４４０は真空系を備えていてもよい。
【００６３】
付属装置４４０のターゲット１５０からの距離は判っているので、付属装置４４０の正確は常に判っている状態となる。このため、使用者は付属装置４４０を正確な位置に配置して、付属装置４４０にその位置で動作を実行させることができる。例えば、ストリップカメラ、モアレ縞特許センサ（Moire fringe patent sensor）またはタッチプローブのような局所効果センサ（local effect sensor）を、ターゲット１５０の端部に取り付けることができる。ターゲット１５０を併用したトラッキングユニット１１０は、局所センサが、例えば車体等の部品、建物、環境的に危険な地域の一部などの輪郭を計測中に、計測対象の部位との空間的な関係で、局所センサの姿勢を提示することができる。
【００６４】
図５は、ロボット４００の代表的な概略断面図である。この図では、ロボット４００は、可動式の距離計測装置５４０を有するように示される。可動式の距離計測装置５４０は、ターゲット１５０と関連付けられている位置検知装置に加えて、ロボット４００の基部から表面５１０まで延在している。距離計測装置５４０は、ターゲット１５０と表面５１０との間の正確な距離を計測して、ターゲット１５０に対する表面５１０の正確な位置が常にわかるようにする。
【００６５】
図５に示すように、吸着カップ型装置４１０は、スペーサ５３０を介して、表面５１０の上部に、表面５１０から一定距離離して配置されている。スペーサ５３０は、ベアリングでもよいし、空気５２０が流れるような状態でロボット４００と表面５１０との間に吸着を生じさせる一方で、吸着カップ型装置４１０を表面５１０から所定の距離離した状態で位置決めできるようにするその他の同等の装置であってもよい。
【００６６】
ロボット４００は可動であるため、ロボット４００が必ずしもトラッキングユニット１００と通信できるわけではないと考えられる。ロボット４００がトラッキングユニット１００の照準線上にない場合には、六次元レーザトラッキングシステムはターゲット捕捉モードに入ることができる。
【００６７】
ターゲット捕捉モードでは、使用者は、例えば、ジョイスティックを使用して、通常はロボット４００の近くで、トラッキングユニット１００に照準を合わせる。次に、トラッキングユニット１００はターゲット捕捉処理を開始する。この処理では、トラッキングユニット１００がターゲット１５０の位置を特定するために外向きに螺旋状に移動する螺旋型パターン作る。ターゲット１５０を捕捉すると、トラッキングユニット１００とターゲット１５０との間の通信が確立されて、六次元計測が再び行えるようになる。
【００６８】
例えば、ターゲット１５０は、照準の有無を問わずトラッキングユニット１００がターゲット１５０の相対位置をトラッキングできるようにする無線通信リンクなどの公知のシステム、あるいは今後開発されるシステムによってトラッキングユニット１００との通信を維持してもよい。このため、前述のように、照準が復旧された場合には、六次元計測が行えるようになる。
【００６９】
図６は、本発明による代表的な計測方法を示すフローチャートである。より詳細には、トラッキングユニット（例えばトラッキングユニット１００）とターゲット（例えばターゲット１５０）の間の通信が確立から、この方法のステップＳ１１０が開始される。例えば、干渉計を利用したシステムでは、システムを初期化すると共にトラッキングユニットとの通信を確立するため、ターゲットを既知の位置に配置することができる。絶対距離測定システムでは、ターゲットがレーザと連通するように配置されて、概算のラジアル距離（Ｒ）を求める。
【００７０】
次に、ステップＳ１２０で、ターゲットを計測対象の第１点に配置する。
【００７１】
次に、ステップＳ１３０で、ピッチ、ヨー、ロールおよび球座標を取得する。
【００７２】
ステップＳ１４０で、球座標をデカルト（ｘ、ｙ、ｚ）座標に変換する。このとき、ｘはターゲットの水平位置、ｙは前後位置（in/out position）、ｚは上下位置を表す。
【００７３】
次に、ステップＳ１５０で位置の計測値を出力する。
【００７４】
次に、制御はステップＳ１６０に進み、別の点を計測する必要があるかどうかを判定する。必要な場合、処理はステップＳ１７０に進み、そうでない場合、処理は終了する。
【００７５】
ステップＳ１７０で、ターゲットを新しい計測対象点に移動する。ターゲットがロボットなどの遠隔ユニットに結合されている実施形態では、ロボットは、新しい点に移動するように命令される。次に処理はステップＳ１３０に戻る。
【００７６】
例えば、計測対象点がトラッキングユニットの照準線上にない場合や、例えば、計測対象点がターゲットが到達できない場所にある場合が想定される。図７〜１３に、ターゲットが到達できない点で計測を行うために、プローブアセンブリと遠隔ユニット内のターゲットとが関連付けられている場合の代表的な実施形態を示す。
【００７７】
図７は、典型的なトラッキングユニットと典型的な遠隔ユニットを備えた本発明の代表的な多次元計測システムを示す概略図である。多次元計測システム７０は、トラッキングユニット１００と遠隔ユニット７００を備える。遠隔ユニット７００は、ターゲット１５０とプローブアセンブリ６００を備える。プローブアセンブリ６００は、プローブステム６１０、プローブ先端部６２０およびプローブベース７３０を備える。遠隔ユニット７００は、プローブ先端部６２０が接触可能であるものの、トラッキングユニット１００の照準線上には位置しない点または位置に関する位置情報を取得するように構成されている。
【００７８】
この実施形態では、ターゲット１５０は、前述のように原点７６０を中心としてピッチ移動、ヨー移動およびロール移動を行うことが可能であり、また、トラッキングユニット１００の照準線上に存在するため、その位置を計測することができる。プローブ６２０は、トラッキングユニットの照準線上にない点または位置に接触し或いは接するように構成されている。プローブ先端部６２０は、プローブステム６１０によってプローブベース７３０に連結されている。一実施形態では、プローブベース７３０は、ターゲット１５０に対して可動であっても固定されていてもよい。このような実施形態では、プローブベース７３０自体は、ピッチ移動、ヨー移動またはロール移動を行うことができない。しかし、プローブ先端部６２０が円６０５に沿って、プローブベース７３０を中心として旋回運動することができ、これによって、紙面に対して垂直な円盤形状の点群（point cloud：ポイントクラウド）が形成される。これにより、前述のターゲット１５０に関する六次元に加えて、プローブ先端部６２０の移動により、第７の次元が加わったため、システム７０は七次元システムとなる。
【００７９】
トラッキングユニット１００の照準線から外れてはいるものの、プローブ先端部６２０が接触可能な点、またはプローブ先端部６２０が接触可能な位置は、次のように計測することができる。
【００８０】
第一に、プローブステム６１０を、プローブベース７３０を基準として所定位置に固定する。プローブステム６１０は、さまざまな方法で、所定位置に固定することができる。例えば、蝶ナット、及びそれと対応する係止歯（locking teeth）６４０とを用いることにより、プローブステム６１０を所定位置に固定することができる。
【００８１】
第二に、ターゲット１５０をシート７５０に接近させて、プローブ６２０をシート７５０の中心７５２と接触させる。シート７５０の中心７５２の位置は既知である。例えば、トラッキングユニット１００を基準とした中心７５２の位置（ｘ、ｙ、ｚ）は、図１９、２０に示すシステムおよび方法を使用して求めることができる。これについては後述する。原点７６０をトラッキングユニット１００によって直接計測することができるため、シート７５０の中心７５２の位置が既知となると共に、ポイント先端部６２０の原点７６０に対するベクトルが決定される。
【００８２】
第三に、ターゲット１５０を移動して、プローブ先端部６２０が接触可能な点または位置の計測をする。コンピューターソフトウェアまたはその他の公知の方法を用いて、原点７６０の位置情報と、原点７６０に対する点６２０のベクトルとに基づいて、プローブ先端部６２０が接触する点または位置に関する位置情報が計算される。
【００８３】
点７６０に対する点６２０のベクトルを決定するために、シート７５０を使用する代わりに、プローブベース７３０に結合された１つ以上のエンコーダを使用することもできる。
【００８４】
図８は、本発明の代表的な遠隔ユニットの別例を示す概略図である。図８に示す遠隔ユニット８００は２本の軸に沿って移動するように構成されたプローブアセンブリ６００を備え、これによって遠隔ユニット８００は、トラッキングユニット１００と併用した場合は八次元計測システムとなる。この代表的な実施形態によれば、遠隔ユニット８００は、ターゲット１５０、プローブアセンブリ６００に加えて、エンコーダ７２０、７４０をさらに備える。任意選択で、遠隔ユニット８００は、（トリガ７１０を備えた）ハンドルアセンブリ７００をさらに備える。
【００８５】
この代表的な実施形態では、エンコーダ７２０によってプローブベース７３０のヨー移動が計測され、エンコーダ７４０によってプローブベース７３０のピッチ移動が計測される。このため、この実施形態では、プローブ先端部６２０は、プローブベース７３０を中心として移動可能であり、プローブベース７３０を中心とした球形状のポイントクラウドを形成している。原点７６０に対するプローブ先端部６２０のベクトルは、エンコーダ７２０、７４０が取得した計測値を使用して求めることができる。
【００８６】
プローブ先端部６２０が接触できる点または位置を計測するため、以下のステップが実行され得る。
【００８７】
第一に、プローブ先端部が上記点または位置と接触できるようにするために、ターゲット１５０を上記点または位置に接近させるとともに、プローブベース７３０を中心としてプローブ先端部６２０を移動させる。第二に、原点７６０がトラッキングユニット１００の照準線上に存在するため、ターゲット１５０に関する六次元を上記の方法で取得することができる。第三に、エンコーダ７２０、７４０によって取得した情報を使用して、原点７６０に対するプローブ先端部６２０のベクトルを求め、点または位置に関する位置情報を取得することができる。好ましくは、絞りトリガ７１０を使用して、第２のステップと第３のステップを１つのステップで実行し得る。
【００８８】
図９は、本発明の代表的なプローブアセンブリを示す概略図である。この場合の代表的なポイントクラウド６０７は、プローブベース７３０に対して三次元に投影すると、プローブベース７３０などの原点からプローブ先端部６２０への距離がｄとなる場所を占める。
【００８９】
図１０は、本発明の代表的なプローブアセンブリの別例を示す概略図である。この実施形態では、プローブステム６１０は、直線的な「Ｉ」形状の構成ではなく「Ｌ」形状の構成を有する。しかし、一般にプローブステム６１０の形状はどのような形状であってもよく、例えば、使用者が、ポイントクラウドを作成するための初期化中にプローブ先端部６２０をシート７５０に着座させることができるように、補助シート７５０のみがあればよい。図１０に示すように、「Ｌ」形状のプローブステム６１０によって、プローブ先端部６２０が、物体１０５０の底面１０５２など、物体の底面に接触可能となる。
【００９０】
図１１は、本発明の代表的なプローブアセンブリの別例を示す概略図である。プローブアセンブリ１１００とトラッキングユニット１００は、本発明による代表的なトラッキングシステムの九次元のシステムを構成している。より詳細にいうと、図７、８に示されたプローブステム６１０の動作に加えて、図１１のプローブステム６１０は、その長手方向に、例えばテレスコピック構造によって伸縮可能とされており、それにより距離ｄが可変とされている。プローブステム６１０の長さは、ガラススケールエンコーダ、リニアスケールエンコーダ、マグネスケールエンコーダ等のエンコーダ１０００を使用して求めることができる。
【００９１】
動作時に、使用者はプローブステム６１０の長さまたは姿勢を調整して、初期化を実行し、計測値中にプローブステム６１０の長さを変えずに計測してもよい。あるいは、上記のステップに加えて、初期化中にプローブステム６１０の長さを変えて、プローブベース７３０の回転移動に対する原点からのプローブ先端部６２０の距離ｄ、プローブステム６１０の長さ、およびプローブベース７３０を中心としたプローブ先端部６２０の回転移動を表す半固定的なポイントクラウド（図示せず）を作成してもよい。次に、計測処理中に実際の位置計測に使用するため、エンコーダ７２０、７４０、１０００のさまざまな計測値が記憶され得る。
【００９２】
次に、使用時に、距離ｄなどの（エンコーダ１０００によって計測された）１つ以上のプローブ長、（ロータリーエンコーダ７２０によって計測された）ヨー方向のプローブの回転、および（エンコーダ７４０によって計測された）ピッチ方向のプローブの回転が、使用者によって適切な値に変更され、プローブ先端部６２０が計測対象の物体に配置できるようになる。本明細書ではプローブ先端部６２０の形状が球形であると記載したが、先端部の形状はどのような形状でもよく、例えば、ポイント、カップのほか、プローブ先端部６２０が物体上を移動できるようにベアリングなどであってもよいことが理解されよう。例えば、前述のように、トリガ７１０（図８を参照）を使用して即座に計測を行っても、プローブ先端部６２０に物体を横断させながら連続的に計測を行ってもよい。
【００９３】
図１２、１３は、本発明の代表的な遠隔ユニットの別の図面を示す概略図である。遠隔ユニット１２００は、前述したターゲット１５０を備える。ターゲット１５０は、ビームスプリッタ１２４０と複数の光検出器１２５０を備える。遠隔ユニット１２００は、調節可能なプローブアセンブリ１２１０、電子水準測定装置１２２０、およびハンドル１２３０をさらに備える。プローブアセンブリ１２１０は、プローブ先端部１２６０を有する。
【００９４】
遠隔ユニット１２００の動作においては、使用者が、遠隔ユニット１２００とトラッキングユニット（例えば、図１に示すトラッキングユニット１００）との間の姿勢を維持する。遠隔ユニット１２００を使用した計測は、上記の遠隔ユニット７００、８００に関して説明した方法と同様の方法で行うことができる。具体的にいうと、初期化を実行して、遠隔ユニット１２００に対するプローブ先端部１２６０の位置を求める。初期化は、プローブアセンブリ１２１０を所定位置に固定したのちに実行してもよいし、前述のようにプローブアセンブリ１２１０を複数の位置を通過するように移動させて、ポイントクラウドを作成してもよい。或いは、プローブ先端部１２６０を、球などの既知の物体のさまざまな位置に配置して、初期化を実行してもよい。
【００９５】
プローブ先端部１２６０が接触する位置に関する計測を行う際には、ハンドル１２３０に関連付けられているトリガを握る。また、プローブ先端部１２６０を接触感知式に構成してもよい。例えば、本発明の代表的な実施態様では、プローブ先端部１２６０は接触センサに関連付けられている。代表的な実装では、プローブ先端部１２６０が位置と接触するたびに、遠隔ユニット１２００が計測を行う。この例では、接点は物理的接触である。
【００９６】
別の例では、プローブ先端部１２６０が、測定される上記位置に近づくと、接触したものとして取扱われる。このような非物理的な接触は、例えば、プローブ先端部１２６０と関連付けられている磁気式または赤外線式の装置を使用して行うことができる。
【００９７】
遠隔ユニット１２００は、例えば、前述の差動増幅器法を使用するなど、電子水準測定技術（electronic level technique）に基づいてロールを計測し得る。電子水準測定技術は、電子水準測定装置１２２０を使用して実施することができる。
【００９８】
図１８は、光学式測定センサを備えた本発明の遠隔ユニットの別の代表的な実施形態を示す概略図である。遠隔ユニット１８００は、光学式測定センサ１８３０を備える。光学式測定センサ１８３０は、領域または表面の形状の計測に使用することができる。好ましくは、光学式測定センサ１８３０は、図１８に示すように、遠隔ユニット１８００の底部の近くに配置される。しかし、光学式測定センサ１８３０は、遠隔ユニット１８００の上部または側面部の近くなど、別の位置で遠隔ユニット１８００と関連付けられてもよい。
【００９９】
図１９は、プローブ先端部の、このプローブ先端部と関連付けられているターゲットの原点を基準としたベクトルを決定するための代表的なシステムを示す概略図である。システム１９００は、前述のように原点７６０およびプローブ先端部６２０を有する遠隔ユニット７００を備える。プローブ先端部６２０は、例えば、ルビーの球体であり得る。システム１９００は、磁性パック１９１０、球形状のマウント式レトロリフレクタ（ＳＭＲ）１９２０、およびダミーユニット１９３０、１９４０の一方または両方をさらに備える。
【０１００】
磁性パック１９１０は、複数の支持体１９１２、１９１４、１９１６を有する。磁性パック１９１０は、磁石１９１８をさらに備える。支持体１９１２、１９１４、１９１６は、ＳＭＲ１９２０、半球形状のダミーユニット１９３０および球形のダミーユニット１９４０のうちの１つを支持するように構成されている。好ましくは、ＳＭＲ１９２０およびダミーユニット１９３０、１９４０のそれぞれは、磁性パック１９１０の磁石１９１８によって支持体１９１２、１９１４、１９１６上に固定されるように磁性ステンレス鋼で形成されている。好ましくは、磁石１９１８は、支持体１９１２、１９１４、１９１６の間の位置に配置される。
【０１０１】
ＳＭＲ１９２０は、ＳＭＲ１９２０の本体１９２６内に収容されているレトロリフレクタ１９２４を備えている。レトロリフレクタ１９２４は、例えば中空なレトロリフレクタ１６００と類似する中空なレトロリフレクタであっても、例えば中実なレトロリフレクタ１７００と類似する中実なレトロリフレクタであってもよい。本体１９２６は、好ましくは磁性ステンレス鋼で形成される。ＳＭＲ１９２０の直径は、所定の範囲をとり得る。ＳＭＲ１９２０の代表的な直径として、０．５インチ、０．７５インチ、１．０インチなどが挙げられる。レトロリフレクタ１９２４は、頂点１９２２を有する。好ましくは、ＳＭＲ１９２０は、頂点１９２２がＳＭＲ１９２０の中央にくるように構成されている。
【０１０２】
半球形状のダミーユニット１９３０は、本体１９３６と中心１９３２を備える。半球形状のダミーユニット１９３０の直径はＳＭＲ１９２０の直径と等しく、これによって、中心１９３２の位置と頂点１９２２の位置とが一致するようになる。本体１９３６は、好ましくは磁性ステンレス鋼で形成される。
【０１０３】
球形のダミーユニット１９４０は、本体１９４６と中心１９４２を備える。球形状のダミーユニット１９４０の直径はＳＭＲ１９２０の直径と等しく、これによって、中心１９４２の位置と頂点１９２２の位置とが一致するようになる。本体１９４６は、好ましくは磁性ステンレス鋼で形成される。
【０１０４】
図２０は、図１９に示したプローブ先端部のベクトルを決定する代表的な方法を示すフローチャートである。
【０１０５】
ステップＳ２１０で、磁性パック１９１０を、所定位置（例えば図７に示すシート７５０の位置）に固定する。好ましくは、ＳＭＲ１９２０またはダミーユニット１９３０、１９４０を配置したり取り外しても磁性パック１９１０が動くことのないように、磁性パック１９１０を所定位置に固定する。
【０１０６】
ステップＳ２２０で、ＳＭＲ１９２０を磁性パック１９１０の上に配置する。好ましくは、ＳＭＲ１９２０を、磁石１９１８によって磁性パック１９１０の支持体１９１２、１９１４、１９１６上に固定する。
【０１０７】
ステップＳ２３０で、例えば図７に示すトラッキングユニット１００などのトラッキングユニットによって頂点１９２２の位置情報を取得する。このように、ＳＭＲ１９２０は、従来の三次元計測システムにおけるターゲットとして機能する。
【０１０８】
ステップＳ２４０で、ＳＭＲ１９２０に代えて、ダミーユニット１９３０、１９４０の一方を磁性パック１９１０に配置する。例えば、ＳＭＲ１９２０を取り外して、ダミーユニット１９３０、１９４０のうちの一方を磁性パック１９１０に配置して、磁石１９１８によって支持体１９１２、１９１４、１９１６上に固定する。
【０１０９】
ステップＳ２５０で、プローブ先端部６２０をダミーユニットに接近させて接触させ、ステップＳ２６０でダミーユニットの中心の位置情報を決定する。
【０１１０】
半球形状のダミーユニット１９３０を使用した場合、プローブ先端部６２０は半球形状のダミーユニット１９３０の中心１９３２に接触する。半球形状のダミーユニット１９３０の直径はＳＭＲ１９２０の直径と等しいため、中心位置１９３２が頂点１９２２の位置と一致し、ステップＳ２３０で頂点１９２２の位置が取得される。
【０１１１】
ステップＳ２６０で、遠隔ユニット７００の原点７６０に対するプローブ先端部６２０のベクトルを決定する。前述したように、原点７６０がトラッキングユニット１００の視線内にあり、プローブ先端部６２０が、ステップＳ２３０で頂点１９２２によって決定した既知の位置（中心１９３２）に接触している。
【０１１２】
ステップＳ２４０で球形のダミーユニット１９４０を使用する場合、プローブ先端部６２０が中心１９４０に直接接触することはできない。しかし、ステップＳ２５０で、プローブ先端部６２０が本体１９４６の４箇所以上の点に接触して、中心位置１９４０を決定することができる。球形状のダミーユニット１９４０の直径はＳＭＲ１９２０の直径と等しいため、中心位置１９４２が、ステップＳ２３０で取得した頂点１９２２の位置と一致する。次に、ステップＳ２６０で原点７６０に対するプローブ先端部６２０のベクトルを決定することができる。
【０１１３】
ステップＳ２７０で、プローブ先端部６２０を使用して、さまざまな点および位置の計測を行ってもよい。
【０１１４】
図面に記載すると共に以上に記載したように、本発明の多次元システムは、１台のプログラムされた汎用コンピュータに実装されても、独立のプログラムされた汎用コンピュータと関連付けられたレーザ発生および検出部品、モータ部品、ならびにロータリーエンコーダ部品に実装されてもよい。しかし、多次元レーザトラッキングシステムの各種構成要素は、専用コンピュータ、プログラムされたマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラおよび周辺集積回路素子、ＡＳＩＣやその他の集積回路、デジタル信号処理装置、またはディスクリート素子回路などのその他の固定配線電子回路または論理回路、ＰＬＤ、ＰＬＡ、ＦＰＧＡ、ＰＡＬなどのプログラマブルロジックデバイスに実装されてもよい。一般に、本明細書に記載し図面に示した計測法を実装することができるような装置であれば、どのような装置でも本発明による多次元レーザトラッキングシステムを実装するために使用することができる。
【０１１５】
また、ここに開示した方法は、様々なコンピュータまたはワークステーションのハードウェアプラットフォームに移植可能なソースコードを提供するオブジェクトソフトウェア開発環境またはオブジェクト指向ソフトウェア開発環境を使用して、容易にソフトウェアに実装することができる。他の方法としては、開示した多次元レーザトラッキングシステムを、標準的な論理回路またはＶＬＳＩ設計を使用して、完全にあるいは部分的にハードウェアに実装してもよい。本発明によるシステムの実装にソフトウェアとハードウェアのいずれを使用するかは、システムの速度および／または効率に対する要件、特定の機能、および使用しようとしている特定のソフトウェアおよび／またはハードウェアシステム、マイクロプロセッサシステムまたはマイクロコンピュータシステムによって決まる。しかし、本明細書に記載した多次元レーザトラッキングのシステムおよび方法は、システム、構造、装置および／またはソフトウェアのうち、公知のもの、あるいは当業者によって、本明細書に記載した機能上の説明と、コンピュータ分野および光学分野の一般の基本的知識から、適用可能な分野に適用することにより後から開発されるもののいずれを使用して、ハードウェアおよび／またはソフトウェアに実装することができる。
【０１１６】
さらに、開示した方法は、プログラムされた汎用コンピュータ、専用コンピュータ、マイクロプロセッサなどで実行されるソフトウェアとして容易に実装されてもよい。このような例では、本発明の方法および装置は、Ｊａｖａ（登録商標）またはＣＧＩスクリプトなどのパーソナルコンピュータに組み込まれたプログラムとして、サーバまたはグラフィック用ワークステーションに存在する資源として、あるいは専用の多次元レーザトラッキングシステムに組み込まれたルーチンとして実装されてもよい。また、多次元レーザトラッキングシステムは、同システムおよび方法をソフトウェアおよび／またはハードウェアシステムに物理的に組み込む、例えば多次元レーザトラッキングシステムのハードウェアおよびソフトウェアシステムに組み込むことで実装してもよい。
【０１１７】
このため、本発明によれば、多次元レーザトラッキングのためのシステムおよび方法が提供されることは自明である。
【０１１８】
本発明を多くの代表的な実施形態を採り上げて記載したが、多くの別例、変更例、および変形例が適用可能な分野の当業者にとって自明である、あるいは自明であると判断できることは明らかである。したがって、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、本発明は、本発明のこのような別例、変更例、均等物、および変形例を含むことが意図される。
【０１１９】
説明ならびに記載を目的として、本発明の好ましい実施形態を上記に開示した。全てを網羅したり、本発明を開示したそのままの形態に限定することを意図するものではない。上記の開示に鑑み、本明細書に記載した実施形態の多くの変形例および変更例が当業者にとって自明であろう。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲ならびにその均等物によってのみ定義される。
【０１２０】
さらに、本発明の代表的な実施形態の記載において、本明細書で、本発明の方法および／またはプロセスを特定のステップの順序として記載した。しかし、この方法またはプロセスが、記載したステップの特定の順序に依存しない限り、この方法またはプロセスは、ここに記載したステップの特定の順序に限定されるべきではない。当業者が理解するように、ステップの順序を変更してもよい。したがって、本明細書に記載されたステップの特定の順序は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、本発明の方法および／またはプロセスを対象とした特許項は、請求項に記載したステップの順序に限定されるべきではなく、本発明の趣旨ならびに範囲から逸脱することなくその順序を変更してもよいことを当業者は容易に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の代表的な多次元計測システムを示す概略図。
【図２】本発明のロール計測システムを示す概略図。
【図３】本発明の代表的なピッチ、ヨー、ロールおよび距離の計測システムを示す概略図。
【図４】本発明の代表的なターゲットを搭載した代表的な遠隔ユニットを示す概略図。
【図５】本発明の代表的な遠隔制御ロボットの概略断面図。
【図６】本発明による代表的な計測方法を示すフローチャート。
【図７】典型的なトラッキングユニットと典型的な遠隔ユニットを備えた本発明の代表的な多次元計測システムを示す概略図。
【図８】本発明の代表的な遠隔ユニットの別例を示す概略図。
【図９】本発明の代表的なプローブアセンブリを示す概略図。
【図１０】本発明の代表的なプローブアセンブリの他の例を示す概略図。
【図１１】本発明の代表的なプローブアセンブリの別例を示す概略図。
【図１２】本発明の代表的な遠隔ユニットの別例を示す概略図。
【図１３】図１２に示した本発明の代表的な遠隔ユニットの正面概略図。
【図１４】レトロリフレクタを備える本発明のターゲットの別の代表的な実施形態を示す概略平面図。
【図１５】図１４の代表的な実施形態を示す概略斜視図。
【図１６】本発明の中空なレトロリフレクタを示す図。
【図１７】本発明の中実なレトロリフレクタを示す図。
【図１８】光学式測定センサを備える本発明の遠隔ユニットの別の代表的な実施形態を示す概略図。
【図１９】プローブ先端部と関連付けられているターゲットの原点を基準としたプローブ先端部のベクトルを決定するための代表的なシステムを示す概略図。
【図２０】図１９に示したプローブ先端部のベクトルを決定する代表的な方法を示すフローチャート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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