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公開番号2025096206
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-26
出願番号2024215166
出願日2024-12-10
発明の名称光ビームのパターンを用いる位置及び向き追跡を有する計測システム
出願人株式会社ミツトヨ
代理人弁理士法人創光国際特許事務所
主分類B25J 13/08 20060101AFI20250619BHJP(手工具;可搬型動力工具;手工具用の柄;作業場設備;マニプレータ)
要約【課題】エンドツールを移動させる移動システムと共に使用するための計測システムが提供される。
【解決手段】計測システムは、センサ構造と、光ビーム源構造と、処理部と、を含む。光ビーム源構造は、光ビームセンサに光ビームの第1パターン及び光ビームの第2パターンを向けて、光ビーム源構造の位置及び向きを示す。光ビームの第1パターンは、光ビームの第2パターンに対して、光ビームの密度が低い。光ビームセンサからの測定信号は、光ビーム源構造の位置及び向きを決定するために処理される。第1パターン光ビーム及び第2パターン光ビームは、第1パターン光ビームと第2パターン光ビームとを区別することができる少なくとも1つの異なる特性(例えば、波長、偏光、タイミングなど)を有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
エンドツールを移動させる移動システムとともに使用する計測システムであって、
前記移動システムは、
エンドツールが取り付けられるように構成されたエンドツール取付構造を含む可動構造と、
前記エンドツール取付構造に取り付けられるエンドツールの少なくとも一部分を移動体積内で移動させるように前記可動構造を制御することに少なくとも部分的に基づいて、エンドツールの位置及び向きを制御するよう構成された動作制御システムと、
を備え、
前記計測システムは、
第１位置にある第１光ビームセンサと第２位置にある第２光ビームセンサを少なくとも含む、固定位置に配置された複数の光ビームセンサを含むセンサ構造と、
前記センサ構造の光ビームセンサに光ビームの第１パターン及び光ビームの第２パターンを向けて光ビーム源構造の位置及び向きを示す光ビーム源構造であって、
前記光ビーム源構造は、エンドツール又は前記エンドツール取付構造の少なくとも１つに結合されるように構成され、
前記光ビームセンサに向けられ受講される前記光ビームの少なくとも一部は、対応する測定信号を前記光ビームセンサに生成させる前記光ビームセンサ上の位置に測定スポットを生成するように構成される、
前記光ビームの第１パターンは、第２パターン光ビームの密度が高い前記光ビームの第２パターンに対して、第１パターン光ビームの密度が低い、
光ビーム源構造と、
前記センサ構造の前記光ビームセンサからの前記測定信号を処理して、前記光ビーム源構造の位置及び向きを決定するように構成された処理部と、
を備え、
前記計測システムは、前記光ビーム源構造の少なくとも第１位置が、第１光ビームセンサから第１距離にあり、第２光ビームセンサから第２距離にあり、かつ前記第２距離が前記第１距離よりも大きいように構成され、ｉ）前記第１光ビームセンサに向けられた１つ以上の第１パターン光ビームは、前記第１光ビームセンサに、前記処理部による前記処理のための測定信号を生成させるために利用され、ｉｉ）前記第１光ビームセンサに向けられた第２パターン光ビームは、前記第１光ビームセンサに、前記処理部による前記処理のための測定信号を生成させるために利用されず、ｉｉｉ）前記第２光ビームセンサに向けられた１つ以上の第２パターン光ビームは、前記第２光ビームセンサに、前記処理部による前記処理のための測定信号を生成させるために利用される、
計測システム。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
前記第１パターン光ビーム及び前記第２パターン光ビームは、前記第１パターン光ビームを前記第２パターン光ビームと区別することができる少なくとも１つの異なる特性を有する、
請求項１に記載の計測システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの異なる特性は、異なる波長、異なる偏光、又は異なる送信タイミングの少なくとも１つである、
請求項２に記載の計測システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの異なる特性に基づいて動作するように構成された、少なくとも１つの第１光ビーム選択部をさらに備える、
請求項２に記載の計測システム。
【請求項５】
前記第１光ビームセンサからの前記光ビーム源構造の前記第１距離の表示に少なくとも部分的に基づいて、前記第１光ビーム選択部は、前記第１光ビームセンサに向けられる前記第２パターン光ビームが、前記第１光ビームセンサに、前記処理部による前記処理のための測定信号を生成させるために利用されるのを防止するように構成される、
請求項４に記載の計測システム。
【請求項６】
前記第１光ビーム選択部は、ｉ）第２パターン光ビームＢＰ２ＬＢが第１光ビームセンサに到達することを阻止する、又はｉｉ）第１光ビームセンサにおける第２パターン光ビームＢＰ２ＬＢに起因する測定信号が処理部１９０によって処理されることを防止する、の少なくとも一方を行うために利用されるように構成される、
請求項５に記載の計測システム。
【請求項７】
前記第１パターン光ビームと前記第２パターン光ビームとの間の前記少なくとも１つの異なる特性は、異なる波長又は異なる偏光の少なくとも１つであり、前記第１光ビーム選択部は、前記第２パターン光ビームを遮断するために前記第１光ビームセンサの前方に移動するように構成された波長フィルタ又は偏光フィルタの少なくとも１つを含む第１光ビームフィルタリング部を含む、
請求項５に記載の計測システム。
【請求項８】
ｉ）前記少なくとも１つの異なる特性に基づいて動作するように構成され、ｉｉ）波長フィルタ又は偏光フィルタの少なくとも１つを含む第２の光ビームフィルタリング部を備え、第１及び第２の光ビームフィルタリング部は、第１及び第２の光ビームセンサに対してそれぞれフィルタリングを実行するために利用されるように構成される、少なくとも第２光ビーム選択部をさらに備える、
請求項７に記載の計測システム。
【請求項９】
前記計測システムは、前記光ビーム源構造の少なくとも第２位置が、第１光ビームセンサから第３距離にあり、第２光ビームセンサから第４距離にあり、かつ前記第３距離が前記第４距離よりも大きいように構成され、
ｉ）前記第２光ビームセンサに向けられた１つ以上の第１パターン光ビームは、前記第２光ビームセンサに、前記処理部による前記処理のための測定信号を生成させるために利用され、ｉｉ）前記第２光ビームセンサに向けられた第２パターン光ビームは、前記第２光ビームセンサに、前記処理部による前記処理のための測定信号を生成させるために利用されず、
ｉｉｉ）前記第１光ビームセンサに向けられた１つ以上の第２パターン光ビームは、前記第１光ビームセンサに、前記処理部による前記処理のための測定信号を生成させるために利用される、
請求項１に記載の計測システム。
【請求項１０】
前記光ビーム源構造は、前記光ビームの第１パターン及び前記光ビームの第２パターンを同時に前記センサ構造の前記光ビームセンサに向けるように構成される、
請求項１に記載の計測システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測及び移動システムに関し、より詳細には、位置及び向きを追跡する、例えばロボットなどの移動システムとともに利用される計測システムに関する。
続きを表示（約 3,500 文字）【背景技術】
【０００２】
製造、被加工物検査、及び他のプロセスでは、特定の機能を実行する機械製の移動システムが頻繁に使用される。例えば、ロボットシステム又は他の移動システムは、（例えば、被加工物検査、製造等に関して）特定の動作を実行するためにエンドツールを移動させるために利用することができる。いくつかの適用例では、利用できる様々なタイプのロボットとして、関節ロボット（Articulated Robot）、選択的順応性多関節ロボットアーム（SCARA）ロボット、直角座標ロボット（Cartesian Robot）、円筒座標ロボット（Cylindrical robot）、球座標ロボット（Spherical Robot）などがある。ロボットに含まれる構成要素の一例として、（例えば、関節ロボットシステムの一種であってもよい）ＳＣＡＲＡロボットシステムは、典型的には、ベースと、ベースに回転結合された第１アーム部と、第１アーム部の端部に回転結合された第２アーム部と、を有してもよい。様々な構成では、エンドツールは、（例えば、ある作業及び／又は検査作業を行うために）第２アーム部の端部に結合されてもよい。このようなシステムは、アーム部の位置決め及びそれに応じるエンドツールの位置決めを決定／制御するために利用される位置センサ（例えば、回転エンコーダ）を含んでもよい。様々な実施態様において、このようなシステムの位置決め精度は、特定の要因（例えば、ロボットシステムの機械的安定性と組み合わせた回転エンコーダの性能など）によって制限されるが、約１００ミクロンである。
【０００３】
参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許４，７２５，９６５号（本明細書では‘９６５特許と呼ばれる）は、ＳＣＡＲＡシステムの精度を改善するためのいくつかの校正技法を開示している。‘９６５特許に記載されているように、運動力学モデルを校正するために、アーム部は、固定基準点の上方にエンドツールを配置する第１構成に配置される。次に、アーム部を第２角度構成に配置し、エンドツールが基準点に対して再び位置合わせされるように名目上配置される。運動力学モデルにおける誤差は、アーム部が第１角度構成から第２角度構成に切り替えられた際の、基準点からのエンドツールの位置のずれから計算される。そして、計算された誤差に応じて運動力学モデルが補正される。手順は、ＳＣＡＲＡロボットの運動力学モデルが校正されたと見なされる、誤差がゼロに達する時点まで繰り返される。‘９６５号特許でさらに説明されるように、校正技法は、特定のカメラの使用を含んでもよい。
【０００４】
‘９６５号特許に記載されるような技法は、ロボットシステムを校正するために利用される場合があるが、このような技法（例えば、多くの時間を必要とする可能性がある、及び／又は特定の動作中にロボットの全ての可能な向きに対して所望のレベルの精度を提供できない可能性があるなど）の利用は、特定の用途では、あまり望ましくない場合がある。こうした問題を改善できる（例えば、被加工物測定、製造等のプロセスのための位置及び向き決定の信頼性、再現性、速度などを向上させる）システムが望まれる。
【発明の概要】
【０００５】
この概要は、発明を実施するための形態において以下でさらに説明される概念の選択を簡略化された形態で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する助けとして使用されることを意図するものでもない。
【０００６】
一の態様によれば、エンドツールを移動させる移動システムと共に使用する計測システムが提供される。移動システムは、可動構造と、動作制御システムと、を含む。可動構造は、エンドツールが取り付けられるように構成されたエンドツール取付構造を含む。動作制御システムは、エンドツール取付構造に取り付けられているエンドツールの少なくとも一部を移動体積内で移動させるように、可動構造を制御することに少なくとも部分的に基づいて、エンドツールの位置及び向きを制御するように構成されている。
【０００７】
計測システムは、センサ構造と、光ビーム源構造と、処理部とを含む。センサ構造は、少なくとも第１位置にある第１光ビームセンサと、第２位置にある第２光ビームセンサと、を含む、固定位置に配置された複数の光ビームセンサを含む。光ビーム源構造は、光ビームの第１パターン及び光ビームの第２パターンをセンサ構造の光ビームセンサに向けて、センサ構造の光ビームセンサに向けて、光ビーム源構造の位置及び向きを示すように構成される。
【０００８】
光ビーム源構造は、エンドツール又はエンドツール取付構造の少なくとも１つに結合されるように構成される。光ビームセンサに向けられ、受け取られる光ビームの少なくとも一部は、光ビームセンサ上に測定スポットを生成するように構成されており、これにより光ビームセンサが対応する測定信号を生成する。光ビームの第１パターンは、第２パターン光ビームの密度が高い光ビームの第２パターンに対して、第１パターン光ビームの密度が低い。処理部は、センサ構造の光ビームセンサからの測定信号を処理して、光ビーム源構造の位置及び向きを決定するように構成される。
【０００９】
計測システムは、光ビーム源構造の少なくとも第１位置が、第１光ビームセンサから第１距離にあり、第２光ビームセンサから第２距離にあり、かつ第２距離が第１距離より大きいように構成されており、第１光ビームセンサに向けて向けられる１つ以上の第１パターン光ビームは、第１光ビームセンサに、処理部による処理のための測定信号を生成させるために利用され、第１光ビームセンサに向けられる第２パターン光ビームは、第１光ビームセンサに、処理部による処理のための測定信号を生成させるために利用されない（例えば、様々な実施態様において、第２パターン光ビーム及び／又はそれによって生成された信号は、少なくともブロックされるか、フィルタリングされるか、選択されないか、又はその他の方法で利用されない）、さらに、第２光ビームセンサに向けられる１つ以上の第２パターン光ビームＢＰ２ＬＢは、第２光ビームセンサに、位置及び向きを決定する処理のための測定信号を生成させるために利用される。様々な実装態様において、第１パターン光ビーム及び第２パターン光ビームは、第１パターン光ビームを第２パターン光ビームと区別することができる少なくとも１つの異なる特性を有する（例えば、波長、極性、タイミングなど）。
【００１０】
別の態様によれば、光ビーム源構造を含む計測システムを動作させる方法が提供される。本方法は、光ビーム源構造を動作させて、光ビームの第１パターン及び光ビームの第２パターンをセンサ構造の光ビームセンサに向けて、光ビーム源構造の位置及び向きを示すことを含む。光ビームの第１パターンは、第２パターン光ビームの密度が高い光ビームの第２パターンに対して、第１パターン光ビームの密度が低い。本方法はさらに、センサ構造の光ビームセンサからの測定信号を処理して、光ビーム源構造の位置及び向きを決定することを含み、光ビーム源構造の少なくとも第１位置は、第１光ビームセンサから第１距離にあり、第２光ビームセンサから第２距離にあり、かつ第２距離が第１距離より大きい場合においては、ｉ）第１光ビームセンサに向けて向けられる１つ以上の第１パターン光ビームは、第１光ビームセンサに、位置及び向きを決定する処理のための測定信号を生成させるために利用され、ｉｉ）第１光ビームセンサに向けて向けられる第２パターン光ビームは、第１光ビームセンサに、位置及び向きを決定する処理のための測定信号を生成させるために利用されず（例えば、様々な実施態様において、第２パターン光ビーム及び／又はそれによって生成された信号は、少なくともブロックされるか、フィルタリングされるか、選択されないか、又はその他の方法で利用されない）、ｉｉｉ）第２光ビームセンサに向けて向けられる１つ以上の第２パターン光ビームは、第２光ビームセンサに、位置及び向きを決定する処理のための測定信号を生成させるために利用される。
（【００１１】以降は省略されています）

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