(57)【要約】【課題】測定精度の低下を防止できる三次元測定装置を提供する。【解決手段】三次元測定装置は、被測定物を測定する測定プローブ２と、関節部を介して直列に連結された複数のリンクを有し、測定プローブ２を三次元空間内で外部からの力に対して移動自在に支持する多関節アームと、測定プローブ２及び多関節アームの少なくともいずれか一方に設けられ、多関節アームの動作を検出し、当該動作に関する動作情報を出力する動作検出装置５と、測定プローブ２による測定結果を取り込んで、測定値を算出する制御装置６とを備える。制御装置６は、動作情報に基づいて、測定プローブ２による測定結果を取り込むか否かを判断する測定結果判断部６１Ａを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物を測定する測定プローブと、
関節部を介して直列に連結された複数のリンクを有し、前記測定プローブを三次元空間内で外部からの力に対して移動自在に支持する多関節アームと、
前記測定プローブ及び前記多関節アームの少なくともいずれか一方に設けられ、前記多関節アームの動作を検出し、当該動作に関する動作情報を出力する動作検出装置と、
前記測定プローブによる測定結果を取り込んで、測定値を算出する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記動作情報に基づいて、前記測定プローブによる測定結果を取り込むか否かを判断する測定結果判断部を備える
ことを特徴とする三次元測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元測定装置において、
前記測定プローブは、
前記被測定物にレーザ光を照射し、前記被測定物にて反射されたレーザ光を検出するレーザプローブである
ことを特徴とする三次元測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の三次元測定装置において、
前記制御装置は、
前記動作情報に基づいて、前記レーザプローブのレーザ光の照射状態を制御する照射制御部を備える
ことを特徴とする三次元測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の三次元測定装置において、
前記動作検出装置は、
前記多関節アームの移動時の加速度を検出する加速度センサである
ことを特徴とする三次元測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定者にて測定プローブを直接手で動かすことが可能に構成され、当該測定プローブの測定結果に基づいて被測定物上の任意の点の三次元座標値を算出し、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う三次元測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、関節部を介して直列に連結された複数のリンクを有し、測定プローブを三次元空間内で外部からの力に対して移動自在に支持する多関節アームを備えた三次元測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
そして、測定者は、多関節アームを直接手に持って、測定プローブを移動させながら、被測定物を測定することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、多関節アームを操作して、測定プローブを移動させながら被測定物の測定を行う際、測定精度を考慮すると、測定プローブの移動速度は、等速度が望ましい。
すなわち、例えば、第１の速度で測定プローブが移動している時の測定プローブの測定結果と、第１の速度と同一の速度である第２の速度で測定プローブが移動している時の測定プローブの測定結果とは、同一の測定条件で測定された測定結果となる。このため、各測定結果から算出された各三次元座標値（各測定値）に基づいて、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行えば、測定精度は良好なものとなる。
【０００５】
一方、測定プローブに急激な加速度が生じ、第２の速度が第１の速度よりも大きいものとなった場合には、第１の速度での測定結果と、第２の速度での測定結果とは、異なる測定条件で測定された測定結果となる。このため、各測定結果から算出された各三次元座標値に基づいて、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行うと、測定精度が低下してしまう。
ここで、被測定物の測定時では、測定者がよろけてしまったり、測定者が多関節アームから手を離してしまったり等、多関節アームの異常な動作が想定されるものである。
そして、上述したような異常な動作が生じた場合には、測定プローブに急激な加速度が生じることとなるため、上述したように測定精度が低下してしまう、という問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、測定精度の低下を防止できる三次元測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の三次元測定装置は、被測定物を測定する測定プローブと、関節部を介して直列に連結された複数のリンクを有し、前記測定プローブを三次元空間内で外部からの力に対して移動自在に支持する多関節アームと、前記測定プローブ及び前記多関節アームの少なくともいずれか一方に設けられ、前記多関節アームの動作を検出し、当該動作に関する動作情報を出力する動作検出装置と、前記測定プローブによる測定結果を取り込んで、測定値を算出する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記動作情報に基づいて、前記測定プローブによる測定結果を取り込むか否かを判断する測定結果判断部を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、三次元測定装置は、上述した動作検出装置と、上述した測定結果判断部を有する制御装置とを備える。
このことにより、測定結果判断部は、動作検出装置から出力される動作情報に基づいて、多関節アームの動作が正常な動作であるか、あるいは、異常な動作であるかを判断できる。そして、測定結果判断部は、正常な動作であると判断した場合には、測定プローブの測定結果を取り込む。一方、測定結果判断部は、異常な動作であると判断した場合には、測定プローブの測定結果を取り込まない。
したがって、制御装置は、異常な動作時での測定プローブの測定結果を含まず、正常な動作時での測定プローブの測定結果に基づいて、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行うことができ、測定精度の低下を防止できる。
【０００９】
本発明の三次元測定装置では、前記測定プローブは、前記被測定物にレーザ光を照射し、前記被測定物にて反射されたレーザ光を検出するレーザプローブであることが好ましい。
ところで、測定プローブとしては、被測定物にレーザ光を照射し、被測定物にて反射されたレーザ光を検出するレーザプローブが例示できる。
そして、上述した異常な動作時では、被測定物にて反射されたレーザ光を良好に検出することができない。すなわち、測定プローブとしてレーザプローブを採用した場合には、上述した測定精度の低下が特に見受けられるものとなる。
本発明では、測定プローブがレーザプローブで構成されているので、上述した測定精度の低下を防止できるという効果を好適に図れる。
【００１０】
本発明の三次元測定装置では、前記制御装置は、前記動作情報に基づいて、前記レーザプローブのレーザ光の照射状態を制御する照射制御部を備えることが好ましい。
本発明では、制御装置は、上述した照射制御部を備える。
このことにより、照射制御部は、測定結果判断部と同様に、動作検出装置から出力される動作情報に基づいて、多関節アームの動作が正常な動作であるか、あるいは、異常な動作であるかを判断できる。そして、照射制御部は、正常な動作であると判断した場合には、測定プローブからのレーザ光の照射を継続させる。一方、照射制御部は、異常な動作であると判断した場合には、測定プローブからのレーザ光の照射を停止させる。
したがって、異常な動作時でのレーザ光の不要な照射を停止させることができる。
【００１１】
本発明の三次元測定装置では、前記動作検出装置は、前記多関節アームの移動時の加速度を検出する加速度センサであることが好ましい。
ところで、多関節アームには、通常、連結されたリンク同士の相対角度を検出する角度センサ等の角度検出装置が設けられている。そして、制御装置は、測定プローブによる測定結果、及び角度検出装置にて検出されたリンク同士の相対角度等に基づいて、被測定物上の任意の点の三次元座標値を算出する。
ここで、多関節アームの動作としては、例えば、上述した角度センサ等の角度検出装置にて検出された相対角度に基づいて、検出することも考えられる。
しかしながら、通常、関節部は複数設けられており、これに伴い、上述した角度検出装置も複数設けられているので、多関節アームの動作を求めるには、複数の角度検出装置にて検出された各相対角度に基づいて複雑な演算が必要となる。したがって、多関節アームの動作を求める処理負荷が増加してしまう恐れがある。
本発明では、動作検出装置は、加速度センサで構成されている。
このことにより、加速度センサにて多関節アームの移動時の加速度を検出するだけで、複雑な演算をすることなく、多関節アームの動作を容易に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態における三次元測定装置の構成を示す図。
【図２】本実施形態における多関節アームの構成を示す図。
【図３】本実施形態における三次元測定装置の制御構造を示すブロック図。
【図４】本実施形態における三次元測定装置の動作を説明するフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
〔三次元測定装置の構成〕
図１は、本実施形態における三次元測定装置１の構成を示す図である。
三次元測定装置１は、測定者にて測定プローブ２を直接手で動かすことが可能に構成され、測定プローブ２による測定結果（測定データ）を取り込むことにより、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う。
この三次元測定装置１は、図１に示すように、測定プローブ２と、多関節アーム３と、角度センサ４（図３参照）と、動作検出装置としての加速度センサ５（図３参照）と、制御装置６とを備える。
【００１４】
〔測定プローブの構成〕
本実施形態では、測定プローブ２は、被測定物にレーザ光を照射し、被測定物にて反射されたレーザ光を検出するレーザプローブで構成されている。
この測定プローブ２は、レーザ光を出射するレーザ光源２１（図３参照）と、レーザ光源２１から出射されたレーザ光をライン状に拡散して被測定物に照射する光学素子（図示略）と、被測定物にて反射されたライン状のレーザ光を検出するＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラ２２（図３参照）と、外装を構成する外装筐体２３（図１）とを備える。
【００１５】
〔多関節アームの構成〕
図２は、多関節アーム３の構成を示す図である。
多関節アーム３は、測定プローブ２を支持するとともに、当該測定プローブ２を三次元空間内で外部からの力（測定者による操作）に対して移動可能に構成されている。
この多関節アーム３は、図２に示すように、円柱状の支柱３Ａと、円柱状の第１〜第６リンク３Ｂ〜３Ｇと、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍと、プローブヘッド３Ｎとを備える。
支柱３Ａは、鉛直軸Ａｘ１（図２）に沿うように作業台等に固定される。
第１関節部３Ｈは、第１リンク３Ｂが鉛直軸Ａｘ１に沿う状態で、支柱３Ａと第１リンク３Ｂの一端とを連結する。
そして、第１リンク３Ｂは、第１関節部３Ｈにより支柱３Ａに連結されることで、支柱３Ａに対して、鉛直軸Ａｘ１を中心として回転可能となる。
【００１６】
第２関節部３Ｉは、第１リンク３Ｂの他端と第２リンク３Ｃの一端とを連結する。
そして、第１，第２リンク３Ｂ，３Ｃは、第２関節部３Ｉにより互いに連結されることで、水平軸Ａｘ２（図２）を中心として相対的に回転可能となる。
第３関節部３Ｊは、互いの中心軸Ａｘ３（図２）が一致する状態で、第２リンク３Ｃの他端と第３リンク３Ｄの一端とを連結する。
そして、第２，第３リンク３Ｃ，３Ｄは、第３関節部３Ｊにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ３を中心として相対的に回転可能となる。
第４関節部３Ｋは、第３リンク３Ｄの他端と第４リンク３Ｅの一端とを連結する。
そして、第３，第４リンク３Ｄ，３Ｅは、第４関節部３Ｋにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ３に直交する軸Ａｘ４（図２）を中心として相対的に回転可能となる。
【００１７】
第５関節部３Ｌは、互いの中心軸Ａｘ５（図２）が一致する状態で、第４リンク３Ｅの他端と第５リンク３Ｆの一端とを連結する。
そして、第４，第５リンク３Ｅ，３Ｆは、第５関節部３Ｌにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ５を中心として相対的に回転可能となる。
第６関節部３Ｍは、第５リンク３Ｆの他端と第６リンク３Ｇの一端とを連結する。
そして、第５，第６リンク３Ｆ，３Ｇは、第６関節部３Ｍにより互いに連結されることで、中心軸Ａｘ５に直交する軸Ａｘ６（図２）を中心として相対的に回転可能となる。
以上のように、多関節アーム３は、６軸により操作可能に構成されている。
プローブヘッド３Ｎは、第６リンク３Ｇの他端に取り付けられるとともに、測定プローブ２を着脱可能に支持する。
【００１８】
〔角度センサの構成〕
角度センサ４は、具体的な図示は省略したが、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍにそれぞれ取り付けられている。
そして、６つの角度センサ４は、第１〜第６関節部３Ｈ〜３Ｍにより互いに連結された第１〜第６リンク３Ｂ〜３Ｇの相対的な回転角度を検出する。
例えば、第１関節部３Ｈに設けられた角度センサ４は、支柱３Ａ及び第１リンク３Ｂ同士の鉛直軸Ａｘ１を中心とした相対的な回転角度を検出する。
【００１９】
〔加速度センサの構成〕
加速度センサ５は、具体的な図示は省略したが、プローブヘッド３Ｎに取り付けられ、多関節アーム３の動作（プローブヘッド３Ｎの加速度）を検出する。
なお、加速度センサ５は、公知の技術であるため、詳細な説明については省略する。
【００２０】
〔制御装置の構成〕
図３は、三次元測定装置１の制御構造を示すブロック図である。
制御装置６は、図３に示すように、ＣＰＵ(Central Processing Unit)やハードディスクを備えた制御装置本体６１と、マウスやキーボード等で構成された入力装置６２と、ディスプレイ等の表示装置６３とを備える。
制御装置本体６１は、測定プローブ２の測定データ（ＣＣＤカメラ２２にて検出された画像データ）、及び角度センサ４の検出値（回転角度）に基づいて、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う。
この制御装置本体６１は、図３に示すように、測定結果判断部６１Ａと、照射制御部６１Ｂと、演算処理部６１Ｃと、形状解析部６１Ｄと、メモリ６１Ｅとを備える。
【００２１】
測定結果判断部６１Ａは、加速度センサ５の検出値（加速度）に基づいて、測定プローブ２の測定データ、及び角度センサ４の検出値を取り込むか否かを判断する。
照射制御部６１Ｂは、加速度センサ５の検出値（加速度）に基づいて、測定プローブ２（レーザ光源２１）のレーザ光の照射状態を制御する。
演算処理部６１Ｃは、測定結果判断部６１Ａによる判断の下、取り込まれた測定プローブ２の測定データ、及び角度センサ４の検出値に基づいて、被測定物上の任意の点の三次元座標値（測定値）を算出する。
そして、演算処理部６１Ｃは、算出した三次元座標値をメモリ６１Ｅに記憶させる。
形状解析部６１Ｄは、メモリ６１Ｅに記憶された三次元座標値に基づいて、被測定物の表面形状データを算出し、算出した被測定物の表面形状データの誤差や歪み等を求める形状解析を行う。
【００２２】
〔三次元測定装置の動作〕
次に、三次元測定装置１の動作について図面を参照して説明する。
図４は、三次元測定装置１の動作を説明するフローチャートである。
なお、以下では、説明の便宜上、測定プローブ２からライン状のレーザ光が出射されているとともに、測定者により多関節アーム３が操作され、被測定物上でライン状のレーザ光が走査されている際の三次元測定装置１の動作について説明する。
先ず、測定結果判断部６１Ａは、加速度センサ５の検出値を常時、監視し、当該検出値に基づくプローブヘッド３Ｎの加速度が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳＴ１）。
【００２３】
測定結果判断部６１Ａは、ステップＳＴ１において、「Ｙ」と判定した場合、すなわち、多関節アーム３の動作が異常な動作であると判定した場合には、測定プローブ２の測定データ、及び角度センサ４の検出値の取り込みを行わない。
また、照射制御部６１Ｂは、測定プローブ２（レーザ光源２１）からのレーザ光の照射を停止させる（ステップＳＴ２）。
そして、制御装置本体６１は、被測定物の測定を終了する。
【００２４】
一方、測定結果判断部６１Ａは、ステップＳＴ１において、「Ｎ」と判定した場合、すなわち、プローブヘッド３Ｎの移動速度が略等速度であり多関節アーム３の動作が正常な動作であると判定した場合には、測定プローブ２の測定データ、及び角度センサ４の検出値を取り込む（ステップＳＴ３）。
ステップＳＴ３の後、演算処理部６１Ｃは、取り込まれた測定プローブ２の測定データ、及び角度センサ４の検出値に基づいて、以下に示すように、被測定物上の任意の点（被測定物に照射されたレーザ光のライン状パターン）の三次元座標値を算出する（ステップＳＴ４）。
【００２５】
先ず、演算処理部６１Ｃは、取り込まれた角度センサ４の検出値（各回転角度）と、第１〜第６リンク３Ｂ〜３Ｇの各長さ等に基づいて、測定プローブ２の位置、レーザ光源２１からのレーザ光の照射角度、及びＣＣＤカメラ２２の角度を算出する。
そして、演算処理部６１Ｃは、測定プローブ２の位置、レーザ光の照射角度、及びＣＣＤカメラ２２の角度に基づいて、三角測量の原理により、取り込まれた測定プローブ２の測定データ（画像データ）に含まれるレーザ光のライン状パターンの各点（被測定物上の点）の三次元座標値を算出する。
また、演算処理部６１Ｃは、算出した三次元座標値をメモリ６１Ｅに記憶させる（ステップＳＴ５）。
【００２６】
ステップＳＴ５の後、制御装置本体６１は、測定終了条件を満たしたか否かを判定する（ステップＳＴ６）。
例えば、測定者により多関節アーム３が操作され、測定プローブ２が予め指定された距離だけ移動した場合を測定終了条件とすることができる。
制御装置本体６１は、ステップＳＴ６において、「Ｎ」と判定した場合には、再度、ステップＳＴ１の処理に移行する。そして、制御装置本体６１は、プローブヘッド３Ｎの加速度が所定の閾値未満である場合に限り、測定終了条件を満たすまで、ステップＳＴ３〜ＳＴ５により、被測定物上の任意の点の三次元座標値の算出を継続する。
【００２７】
一方、制御装置本体６１は、ステップＳＴ６において、「Ｙ」と判定した場合には、ステップＳＴ２に移行し、測定プローブ２からのレーザ光の照射を停止させた後、被測定物の測定を終了する。
そして、被測定物の測定が終了した後、例えば、測定者による入力装置６２の操作に応じて、形状解析部６１Ｄは、メモリ６１Ｅに記憶された三次元座標値に基づいて、被測定物の表面形状データを算出し、形状解析を行う。
【００２８】
上述した本実施形態によれば、以下の効果がある。
本実施形態では、三次元測定装置１は、加速度センサ５と、測定結果判断部６１Ａを有する制御装置６を備える。
このことにより、測定結果判断部６１Ａは、加速度センサ５の検出値に基づいて、多関節アーム３の動作が正常な動作であるか、あるいは、異常な動作であるかを判断できる。そして、測定結果判断部６１Ａは、正常な動作であると判断した場合には、測定プローブ２の測定データを取り込む。一方、測定結果判断部６１Ａは、異常な動作であると判断した場合には、測定プローブ２の測定データを取り込まない。
したがって、制御装置６は、異常な動作時での測定プローブ２の測定データを含まず、正常な動作時での測定プローブ２の測定データに基づいて、被測定物上の任意の点の三次元座標値を算出し、当該三次元座標値に基づいて、被測定物の表面形状データを算出できる。すなわち、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定精度の低下を防止できる。
また、測定プローブ２がレーザプローブで構成されているので、上述した測定精度の低下を防止できるという効果を好適に図れる。
【００２９】
さらに、制御装置６は、照射制御部６１Ｂを備える。
このことにより、照射制御部６１Ｂは、測定結果判断部６１Ａと同様に、加速度センサ５の検出値に基づいて、多関節アーム３の動作が正常な動作であるか、あるいは、異常な動作であるかを判断できる。そして、照射制御部６１Ｂは、正常な動作であると判断した場合には、測定プローブ２からのレーザ光の照射を継続させる。一方、照射制御部６１Ｂは、異常な動作であると判断した場合には、測定プローブ２からのレーザ光の照射を停止させる。
したがって、異常な動作時でのレーザ光の不要な照射を停止させることができる。
【００３０】
また、本発明に係る動作検出装置として、加速度センサ５が採用されている。
このことにより、加速度センサ５にて多関節アーム３の移動時の加速度を検出するだけで、複雑な演算をすることなく、多関節アームの動作を容易に検出できる。
【００３１】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態において、測定プローブ２としては、前記実施形態で説明したレーザプローブに限らず、例えば、被測定物に接触する測定子を有する接触型のプローブ、ＣＣＤカメラやイメージセンサを用いた画像プローブを採用しても構わない。
前記実施形態では、多関節アーム３は、６つのリンク及び関節部を備え、６軸により操作可能に構成されていたが、これに限らず、その他の数のリンク及び関節部を備えた構成とし、５軸や７軸により操作可能に構成しても構わない。
【００３２】
前記実施形態では、動作検出装置として加速度センサ５を採用していたが、これに限らず、その他の構成、例えば、角度センサ４を用いて多関節アーム３の動作を検出するように構成しても構わない。
前記実施形態では、本発明に係る動作検出装置が多関節アーム３に設けられていたが、これに限らず、測定プローブ２（外装筐体２３）に設けた構成を採用しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、測定者にて測定プローブを直接手で動かすことが可能に構成され、当該測定プローブの測定結果に基づいて被測定物上の任意の点の三次元座標値を算出し、被測定物の三次元形状、表面性状等の測定を行う三次元測定装置に利用できる。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・三次元測定装置
２・・・測定プローブ
３・・・多関節アーム
３Ｂ〜３Ｇ・・・リンク
３Ｈ〜３Ｍ・・・関節部
５・・・加速度センサ（動作検出装置）
６・・・制御装置
６１Ａ・・・測定結果判断部
６１Ｂ・・・照射制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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