JP2015100871A

JP2015100871A - アーム型三次元測定機及びアーム型三次元測定機における撓み補正方法

Info

Publication number: JP2015100871A
Application number: JP2013242409A
Authority: JP
Inventors: 後藤　智徳; Tomonori Goto; 智徳後藤
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-06-04
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: US9366592B2; JP6226716B2; US20150143707A1

Abstract

【課題】ワークの測定中に多関節アーム機構の姿勢が変化して多関節アーム機構の各軸における撓み量が変化しても、ワークを高精度に計測可能とする。
【解決手段】先端にプローブ１０２を備える多関節アーム機構１０４と、プローブ１０２の位置を演算する処理部１２２と、を有し、プローブ１０２が手動移動されるアーム型三次元測定機１００であって、多関節アーム機構１０４の各軸に設けられ、多関節アーム機構１０４の姿勢状態で生じる所定の３方向の力及び所定の３軸方向のトルクを検出する６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）を備え、処理部１２２は、６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）の出力に基づき多関節アーム機構１０４の各軸における撓み量を演算し、撓み量に基づきプローブ１０２の位置を逐次演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アーム型三次元測定機及びアーム型三次元測定機における撓み補正方法に係り、特に、ワークの測定中に多関節アーム機構の姿勢が変化して多関節アーム機構の各軸における撓み量が変化しても、ワークを高精度に計測可能なアーム型三次元測定機及びアーム型三次元測定機における撓み補正方法に関する。

従来、特許文献１に示すようなアーム型三次元測定機が用いられている。このアーム型三次元測定機は、先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有し、該プローブが手動移動される構成となっている。つまり、このアーム型三次元測定機は、多関節アーム機構の軸に駆動源を有さないパッシブな構成となっている。また、このアーム型三次元測定機は、そのアーム（リンク）部分に複数のひずみゲージを備えている。このため、このようなアーム型三次元測定機においては、ひずみゲージの出力に基づき多関節アーム機構の姿勢や操作者の支え方によって変化する撓みを検出しプローブの位置を補正することが可能とされている。

US 2011/0175745 A1

近年では、アーム型三次元測定機においては、そのアーム（リンク）に軽量で撓みの少ない材料を用いるようになってきており、リンクにおける撓みよりも多関節アーム機構の関節部（具体的には軸）における撓みを検出し補正する要求がなされるようになってきた。しかしながら、特許文献１に示すようなアーム型三次元測定機のひずみゲージでは多関節アーム機構のリンクにおける撓みのみを検出する構成となっており、軸における撓みを検出することが不可能であった。

本発明は、前記の問題点を解決するべくなされたもので、ワークの測定中に多関節アーム機構の姿勢が変化して多関節アーム機構の各軸における撓み量が変化しても、ワークを高精度に計測可能なアーム型三次元測定機及びアーム型三次元測定機における撓み補正方法を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有し、該プローブが手動移動されるアーム型三次元測定機であって、前記多関節アーム機構の各軸に設けられ、該多関節アーム機構の姿勢状態で生じる少なくとも所定の１方向の力及び所定の２軸方向のトルクを検出するセンサを備え、前記処理部が、該センサの出力に基づき前記多関節アーム機構の各軸における撓み量を演算し、該撓み量に基づき前記プローブの位置を逐次演算することにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記センサを、所定の３方向の力及び所定の３軸方向のトルクを検出する６軸力覚センサとしたものである。

本願の請求項３に係る発明は、前記多関節アーム機構の各軸に連結したリンクを全てカーボンファイバ製としたものである。

本願の請求項４に係る発明は、先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有し、該プローブが手動移動されるアーム型三次元測定機における撓み補正方法であって、前記多関節アーム機構の各軸において、該多関節アーム機構の姿勢状態で生じる少なくとも所定の１方向の力及び所定の２軸方向のトルクを検出する工程と、該少なくとも所定の１方向の力及び所定の２軸方向のトルクに基づき前記多関節アーム機構の各軸における撓み量を演算する工程と、該撓み量に基づき前記プローブの位置を逐次演算する工程と、を含むようにしたものである。

本発明によれば、ワークの測定中に多関節アーム機構の姿勢が変化して多関節アーム機構の各軸における撓み量が変化しても、ワークを高精度に計測可能となる。

本発明の実施形態に係るアーム型三次元測定機の一例を示す模式図図１の構成ブロックの一例を示す模式図６軸力覚センサの配置される位置の一例等を示す模式図処理部で行う処理手順の一例を示すフローチャート

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

本発明に係る実施形態について、図１から図４を用いて説明する。

最初に、本実施形態に係るアーム型三次元測定機１００の構成を説明する。

アーム型三次元測定機１００は、図１に示す如く、多関節アーム機構１０４と、処理部１２２と、を有する。なお、本実施形態では図示されていないが、アーム型三次元測定機１００には処理装置や表示装置や入力装置が接続されていてもよい。また、アーム型三次元測定機１００で図示せぬワークＷの三次元形状を測定する際には、操作者は、第７リンク１２０（図１）を直接掴んで操作しプローブ１０２を手動移動させる。即ち、アーム型三次元測定機１００は、多関節アーム機構１０４の軸に駆動源を有さないパッシブな構成とされている。そして、操作者は、ワークＷに対してプローブ１０２を自由な方向から近づけることができ、自由な角度で接触させることが可能である。

前記多関節アーム機構１０４は、図１に示す如く、先端にプローブ１０２を備えている。多関節アーム機構１０４は、第１リンク１０８が第１関節１０９を介して１軸回転可能に第２リンク１１０を支持し、第２リンク１１０が第２関節１１１を介して１軸回転可能に第３リンク１１２を支持し、第３リンク１１２が第３関節１１３を介して１軸回転可能に第４リンク１１４を支持し、第４リンク１１４が第４関節１１５を介して１軸回転可能に第５リンク１１６を支持し、第５リンク１１６が第５関節１１７を介して１軸回転可能に第６リンク１１８を支持し、第６リンク１１８が第６関節１１９を介して１軸回転可能に第７リンク１２０を支持する構成となっている。そして、第１関節１０９と第２関節１１１、第３関節１１３と第４関節１１５、第５関節１１７と第６関節１１９はそれぞれ、互いに直交する軸方向で回転可能とされている。そして、第１関節１０９にはエンコーダａ（１０９Ａ）、第２関節１１１にはエンコーダｂ（１１１Ａ）、第３関節１１３にはエンコーダｃ（１１３Ａ）、第４関節１１５にはエンコーダｄ（１１５Ａ）、第５関節１１７にはエンコーダｅ（１１７Ａ）、第６関節１１９にはエンコーダｆ（１１９Ａ）が、それぞれ内蔵されている。エンコーダａ（１０９Ａ）〜エンコーダｆ（１１９Ａ）は、それぞれ、回転角度を検出可能なロータリー型とされている（図１で示される実線両矢印がそれぞれの回転方向を示す）。つまり、本実施形態の多関節アーム機構１０４の軸（回転軸）は、６軸とされている（これに限定されず、多関節アーム機構１０４の軸は７軸等であってもよい）。第１リンク１０８は、図示せぬワークＷの置かれる作業台等に直接的に配置される基部１０６と一体化されている（三脚台を介して多関節アーム機構１０４が作業台等に配置されていてもよい）。プローブ１０２は、その先端（プローブ先端）１０２Ａがボール形状とされた接触式のボールプローブである。なお、多関節アーム機構１０４の各軸に連結された第１リンク１０８〜第７リンク１２０は、全てカーボンファイバ製とされており、軽量で撓みが少なく高剛性とされている。

また、多関節アーム機構１０４の各軸には６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）も設けられている。６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）は、図３（Ｃ）に示す如く、多関節アーム機構１０４の姿勢状態で生じる所定の３方向の力Ｆｏ（ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ）及び所定の３軸方向のトルク（モーメント）Ｍｏ（ｍｘ、ｍｙ、ｍｚ）を検出する（３方向の力Ｆｏ（ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ）と３軸方向のトルクＭｏ（ｍｘ、ｍｙ、ｍｚ）をレンチとも称する）。本実施形態では、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、例えば第１関節１０９であれば、第１リンク１０８、第２リンク１１０それぞれに連結された軸部材ＡＥ１、ＡＥ２のうちの軸部材ＡＥ２をω軸中心にα回転可能に支持する軸部材ＡＥ１のシャフトＳＨに、６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）が配置される。なお、ここではエンコーダａ（１０９Ａ）は、軸部材ＡＥ２側に配置されている。６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）自体は公知であり、ひずみゲージや光電センサを用いたものがある。

前記処理部１２２は、図１に示す如く、基部１０６に備えられている（これに限らず、処理部１２２は、アーム型三次元測定機１００の外部に設けられていてもよい）。処理部１２２は、図２に示す如く、演算部１２２Ａと記憶部１２２Ｂとを有する。つまり、処理部１２２は、演算部１２２Ａで演算した結果を記憶部１２２Ｂに記憶したり、記憶部１２２Ｂに記憶されたデータを読み出して演算部１２２Ａで演算したりすることができる。処理部１２２は、エンコーダａ（１０９Ａ）〜エンコーダｆ（１１９Ａ）及び６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）に接続されている。ここで、プローブ１０２、多関節アーム機構１０４並びに基部１０６の長さ及び位置関係は予め明確にされている。そして、プローブ１０２のプローブ先端１０２Ａのボールの形状が明確とされていることから、このボールの中心座標値に対してボールの半径分のオフセット処理を行うことで、ボールとワークＷとの接触位置を正確に計測することが可能である。つまり、処理部１２２では、第１関節１０９〜第６関節１１９に内蔵されたエンコーダａ（１０９Ａ）〜エンコーダｆ（１１９Ａ）の出力に基づき基部１０６を基準とするプローブ１０２（のプローブ先端１０２Ａ）の位置が正確に演算される。このとき、プローブ先端１０２Ａの位置を示す行列Ｍは、各回転軸における座標変換行列Ｍ_k ^k+1（ｋ＝ｂａｓｅ、１〜６、ｅｎｄ）を用いると、アーム型三次元測定機１００が６軸の多関節アーム機構１０４であることから、式（１）のように表現される。

なお、符号Ｍ_base ¹はベース面に決めた座標系の基準となる基部１０６と１番目の回転軸となるエンコーダａ（１０９Ａ）の回転軸との間の座標変換行列、符号Ｍ₆ ^endは多関節アーム機構１０４の６軸目となるエンコーダｆ（１１９Ａ）の回転軸とプローブ先端１０２Ａとの間の座標変換行列をそれぞれ示している。

ここで、軸に加わっているレンチ（３方向の力Ｆｏと３軸方向のトルクＭｏ）、撓みによる軸の回転量と平行移動量（これらを軸における撓み量と称する）をそれぞれΔθ、ΔＴとし、軸のコンプライアンス行列（剛性行列の逆行列）をＫとすると、式（２）が成り立つ。

ここで、コンプライアンス行列Ｋは、既知の力ＦｏとトルクＭｏを各軸に加え、その時の撓み量（軸の回転量と平行移動量）を演算することで、事前に定量化（校正）することができる。あるいは、コンプライアンス行列Ｋは、予め計算でも求めることが可能である。このコンプライアンス行列Ｋを記憶部１２２Ｂに記憶しておく。このため、演算部１２２Ａは、各軸に加わるレンチ（３方向の力Ｆｏと３軸方向のトルクＭｏ）とを６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）の出力に基づいて求め、記憶部１２２Ｂに記憶されたコンプライアンス行列Ｋを用いることで、撓みによる各軸の回転量Δθと平行移動量ΔＴ（各軸における撓み量）を求めることができる。

ここで、式（２）で与えられる撓みによるｎ番目（ｎ＝１〜６）の軸の回転量Δθと平行移動量ΔＴを実現する座標変換行列をＥ_nとすれば、式（１）で示したプローブ先端１０２Ａの位置を示す行列Ｍは、式（３）のように変更される。

このため、処理部１２２は、６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）の出力に基づき多関節アーム機構１０４の各軸における撓み量を演算し、その撓み量に基づき座標変換行列Ｅ_nを求め、式（３）に基づいてプローブ１０２の位置を逐次演算することができる。処理部１２２は、プローブ１０２の位置が変更となるたびに、プローブ１０２の位置を逐次演算する。あるいは、一定周期で、プローブ１０２の位置を逐次演算する。

次に、本実施形態のアーム型三次元測定機１００における処理部１２２で行う処理手順の一例を、図４を用いて以下に説明する。

最初に、処理部１２２は、多関節アーム機構１０４の各軸に設けられたエンコーダａ（１０９Ａ）〜エンコーダｆ（１１９Ａ）の出力を取得する（ステップＳ２）。そして、処理部１２２は、各軸における座標変換行列Ｍ_k ^k+1（ｋ＝ｂａｓｅ、１〜６、ｅｎｄ）を求める。

次に、処理部１２２は、多関節アーム機構１０４の各軸に設けられた６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）の出力を取得する（ステップＳ４）。具体的には、６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）の出力に基づいて演算部１２２Ａで各軸に加わっている３方向の力Ｆｏと３軸方向のトルクＭｏを求める。そして、多関節アーム機構１０４の各軸における撓み量の演算を行う。具体的には、記憶部１２２Ｂに記憶されたコンプライアンス行列Ｋを用いて、式（２）による撓みによる各軸の回転量Δθと平行移動量ΔＴを求める。そして、各軸の回転量Δθと平行移動量ΔＴを実現する座標変換行列Ｅ_n（ｎ＝１〜６）を求める。

次に、基部１０６を基準とするプローブ１０２の位置の演算を行う（ステップＳ６）。即ち、演算部１２２Ａで、求められた座標変換行列Ｅ_n（ｎ＝１〜６）及び座標変換行列Ｍ_k ^k+1（ｋ＝ｂａｓｅ、１〜６、ｅｎｄ）を用いて式（３）を演算し、プローブ１０２（のプローブ先端１０２Ａ）の位置の行列Ｍを求める。そして、プローブ１０２の位置を処理部１２２から出力する（ステップＳ８）。

このように本実施形態においては、多関節アーム機構１０４の各軸に６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）が設けられている。このため、６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）で検出される所定の３方向の力Ｆｏ及び所定の３軸方向のトルクＭｏを用いることで、各軸における撓み量を回転量Δθと平行移動量ΔＴとして正確に求めることができる。このため、軸の撓みによるプローブ先端１０２Ａの位置の誤差を、式（３）を用いて逐次補正してリアルタイムに演算することが可能である。

しかも、多関節アーム機構１０４の各軸に連結した第１リンク１０８〜第７リンク１２０は全てカーボンファイバ製とされている。すなわち、第１リンク１０８〜第７リンク１２０は軽くかつ撓みにくいので、第１リンク１０８〜第７リンク１２０の撓み量を考慮しなくてもプローブ１０２の位置を正確に求めることができる。もちろん、特許文献１の技術を併せて適用し、第１リンク１０８〜第７リンク１２０の撓み量も考慮すれば、よりプローブ１０２の位置を正確に求めることが可能となる。なお、これに限らず、多関節アーム機構１０４の各軸に連結した第１リンク１０８〜第７リンク１２０が全てカーボンファイバ製でなくてもよい。第１リンク１０８〜第７リンク１２０が軽く且つ撓みにくい高剛性の材質ならば、プローブ１０２の位置の精度は本実施形態と同様に高く保つことができる。あるいは、第１リンク１０８〜第７リンク１２０がそのような材質でなくても、少なくとも軸における撓みによる誤差を回避できるので、プローブ１０２の位置を相応に正確に求めることができる。

即ち、本実施形態においては、ワークＷの測定中に多関節アーム機構１０４の姿勢が変化して多関節アーム機構１０４の各軸における撓み量が変化しても、ワークＷを高精度に計測することが可能となる。

本発明について上記実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、図１で示す如く、プローブ１０２がボールプローブとされていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、プローブ１０２がタッチ信号プローブ等の接触式プローブであってもよい。あるいは、プローブ１０２がラインレーザ等を用いた非接触式プローブ等であってもよい。

また、上記実施形態においては、各軸に設けられていたセンサが、それぞれ６軸力覚センサａ（１０９ＡＡ）〜６軸力覚センサｆ（１１９ＡＡ）であったが、本発明はこれに限定されない。例えば各軸に設けられていたセンサが、６軸とまではいかなくても、少なくとも所定の１方向の力及び所定の２軸方向のトルクを検出するようにされていればよい。その際であっても、各軸における撓み量を相応に補正することが可能である。

本発明は、先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有し、プローブが手動移動されるアーム型三次元測定機に広く適用することができる。

１００…アーム型三次元測定機
１０２…プローブ
１０２Ａ…プローブ先端
１０４…多関節アーム機構
１０６…基部
１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０…リンク
１０９、１１１、１１３、１１５、１１７、１１９…関節
１０９Ａ、１１１Ａ、１１３Ａ、１１５Ａ、１１７Ａ、１１９Ａ…エンコーダ
１０９ＡＡ、１１１ＡＡ、１１３ＡＡ、１１５ＡＡ、１１７ＡＡ、１１９ＡＡ…６軸力覚センサ
１２２…処理部
１２２Ａ…演算部
１２２Ｂ…記憶部

Claims

先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有し、該プローブが手動移動されるアーム型三次元測定機であって、
前記多関節アーム機構の各軸に設けられ、該多関節アーム機構の姿勢状態で生じる少なくとも所定の１方向の力及び所定の２軸方向のトルクを検出するセンサを備え、
前記処理部は、該センサの出力に基づき前記多関節アーム機構の各軸における撓み量を演算し、該撓み量に基づき前記プローブの位置を逐次演算することを特徴とするアーム型三次元測定機。
前記センサは、所定の３方向の力及び所定の３軸方向のトルクを検出する６軸力覚センサとされていることを特徴とする請求項１に記載のアーム型三次元測定機。
前記多関節アーム機構の各軸に連結したリンクは全てカーボンファイバ製とされていることを特徴とする請求項１または２に記載のアーム型三次元測定機。
先端にプローブを備える多関節アーム機構と、該プローブの位置を演算する処理部と、を有し、該プローブが手動移動されるアーム型三次元測定機における撓み補正方法であって、
前記多関節アーム機構の各軸において、該多関節アーム機構の姿勢状態で生じる少なくとも所定の１方向の力及び所定の２軸方向のトルクを検出する工程と、
該少なくとも所定の１方向の力及び所定の２軸方向のトルクに基づき前記多関節アーム機構の各軸における撓み量を演算する工程と、
該撓み量に基づき前記プローブの位置を逐次演算する工程と、
を含むことを特徴とするアーム型三次元測定機における撓み補正方法。