説明

ツール座標系の較正装置及び較正方法

【課題】作業ロボットに於けるツール座標系の較正を適切に行えるようにして、その作業精度の向上を図る。
【解決手段】動作の基準となるツール座標系を備えた作業ロボット1に設けられる2次元変位センサ3aと、該2次元変位センサ3aにより断面形状が計測される較正冶具30と、計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボット1に現在設定されているツール座標系19と本来設定されるべきツール座標系20との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算する演算手段と、該演算手段による演算結果に基づいて、前記ツール座標系19を較正する較正手段とを備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ツールが装備される作業ロボットに設定されたツール座標系を適切に較正することのできるツール座標系の較正装置及び較正方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、作業ロボットのアームには、ワークに対して各種作業を行うツールが取付けられ、作業ロボットにはその動作の基準となる座標系(ツール座標系)が設定される。しかるに、ツール自体は必ずしもアームに対して正確に取付けられるとは限らず、所謂取付誤差を有していることが多い。このような状態で作業が行われると作業精度の低下を招くため、作業開始時には取付誤差は極力解消されている必要がある。この場合、ツールの取付状態を調整するのは非常に厄介な作業となるために、通常、前記ツール座標系を較正するという手段が採用されている。
【0003】
特許文献1に示す従来のものは、カメラと、平面部及び脚部を備えた較正冶具とを用いるものであり、先ず較正冶具の平面部を被測定対象部上に配置し、カメラで撮影した較正冶具の特定点(平面部の基準点と脚部端点)の座標値を読取り、これと冶具各部の既知寸法からカメラ光軸に対する被測定対象部平面の三次元の傾き(回転成分についての誤差)とを幾何学的に求める。そして、この傾きに基づく較正により、被測定対象部の長さ又は距離が測定できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第3415921号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記従来のものは、カメラの光軸に対する平面部の傾きを求めることにより、その回転成分についての誤差を較正するに止まるものであり、平面部に生じている座標軸方向の移動成分に関する誤差は較正対象としていない。このため、かかる技術を作業ロボットの位置較正に適用することは困難であった。
【0006】
それ故に、本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、作業ロボットに於けるツール座標系の較正を適切に行えるようにして、その作業精度の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係るツール座標の較正装置は、動作の基準となるツール座標系を備えた作業ロボットに設けられる2次元変位センサと、該2次元変位センサにより断面形状が計測される較正冶具と、計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボットに現在設定されているツール座標系と本来設定されるべきツール座標系との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算する演算手段と、該演算手段による演算結果に基づいて、前記ツール座標系を較正する較正手段とを備えてなることを特徴としている。
【0008】
このように、較正冶具の断面形状についての情報を用いることにより、作業ロボットのツール座標系に生じている回転成分の誤差のみならず、座標軸方向の移動成分の誤差についても演算によって求めることが可能になる。これにより、これらの全ての誤差を較正の対象に含めることができるために、較正手段によるツール座標系の較正が適切に行える。その結果、作業ロボットに取付けられる各種ツールによる作業精度が大幅に向上することになる。
【0009】
また、本発明に係る較正装置は、ツールの種類や形状等の変化に影響を受けるようなこともなく、幅広く適用することができる。更に、較正冶具の断面形状を計測する手段としての2次元変位センサは、一般にワークの位置確認用として作業ロボットに装備されるものであるために、その有効利用を図ることができる。
【0010】
尚、2次元変位センサもツールの一種であるが、作業ロボットにはワーク等に対して作業を行う他のツールが別途設けられるのが一般的である。また、作業ロボットとは、一般に種々のツールが装備されて、ワークに対して各種作業を行うことのできる機械である。
【0011】
更に、前記較正冶具は、平面部と、該平面部に対して所定の角度で傾斜する斜面部とを備えた一対の計測部が上下に段差を有して並設されるように構成してもよい。
【0012】
これによると、2次元変位センサにより較正冶具の平面部又は斜面部の断面形状が計測され、かかる断面形状についての情報からツール座標系に生じている誤差が演算手段により演算される。そして、この演算結果に基づいて、較正手段によりツール座標系が較正されることになる。前記較正冶具は、非常に簡易な構成からなるために、容易に且つ安価に製作することができる。
【0013】
また、本発明に係るツール座標系の較正方法は、動作の基準となるように作業ロボットが備えるツール座標系を較正する方法であって、平面部と、該平面部に対して所定の角度で傾斜する斜面部とを備えた一対の計測部が上下に段差を有して並設された較正冶具を載置面に載置した後、前記作業ロボットに設けた2次元変位センサにより、前記較正冶具の計測部の断面形状を計測し、その後、計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボットに現在設定されている座標系と本来設定されるべき座標系との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算し、更に、演算結果に基づいて前記ツール座標系を較正することを特徴としている。
【0014】
この場合も、作業ロボットのツール座標系に生じている回転成分の誤差のみならず座標軸方向の移動成分の誤差についても演算をして求め、これらの全ての誤差を較正の対象としているために、較正手段によるツール座標系の較正を適切に行えて、ツールによる作業精度が大幅に向上することになる。また、2次元変位センサによる較正冶具の計測が主たる作業となるように構成されているために、較正作業を複雑化せしめることなく、一連の作業を効率的に行うことができる。
【0015】
更に、前記較正手段によるツール座標系の較正は、回転成分の誤差に基づいて較正を行った後に、座標軸方向の移動成分の誤差に基づいて較正を行うようにしてもよい。
【0016】
これによれば、回転成分に関する誤差が解消されたツール座標系について、座標軸方向の移動成分に関する誤差の較正が行われるために、回転成分の誤差の影響を受けることはなく、移動成分に関して適正な較正を行うことができる。即ち、較正精度の向上を図ることが可能になる。
【0017】
また、前記ツール座標系は、X軸、Y軸、及びZ軸からなる3次元直交座標によって規定され、前記回転成分の誤差は、較正冶具の平面部及び斜面部の断面情報から演算され、前記座標軸方向の移動成分のY軸とZ軸に関する各誤差は、X軸を回転中心として前記2次元変位センサを回転させて複数計測した前記較正冶具の平面部の断面情報から演算され、前記X軸に関する誤差は、前記Y軸を回転中心として前記2次元変位センサを回転させて複数計測した前記較正冶具の平面部の断面情報から演算されるようにしても構わない。
【0018】
これによると、較正冶具の平面部及び斜面部の断面情報を演算することにより、回転成分の誤差を求めることができる。また、2次元変位センサを所定の座標軸を回転中心として回転させて、較正冶具の平面部について複数の断面情報を演算することにより、座標軸方向の移動成分の誤差を求めることができる。何れも非常に容易に求めることができるために、一連の較正作業を複雑化せしめることはない。
【発明の効果】
【0019】
以上のように、本発明によれば、作業ロボットに於けるツール座標の較正を適切に行うことが可能となり、その作業精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明に係るツール座標系の較正装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図2】載置面に載置した較正冶具の一実施形態を示す斜視図である。
【図3】較正装置の使用例を示す側面図である。
【図4】一連の較正作業の流れを示すフローチャートである。
【図5】較正冶具の平面部の計測状態を示し、(a)は斜視図で、(b)は側面図である。
【図6】計測した較正冶具の断面形状を示す説明図である。
【図7】(a)は較正冶具の斜面部の計測状態を示す斜視図で、(b)は計測した較正冶具の断面形状を示す説明図である。
【図8】(a)及び(b)はツール座標系の座標軸方向の移動成分に関する誤差を較正する手順を示す模式図である。
【図9】(a)〜(c)はツール座標系の座標軸方向の移動成分に関する誤差を較正する手順を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明の一実施形態について図面に従って説明する。図1に示すように、作業ロボット1は所謂多自由度ロボットであり、そのアーム2にはツール3としての2次元変位センサ3aが取付けられている。本実施形態では、2次元変位センサ3aとして2次元レーザセンサを使用しており、これは帯状のレーザ光を計測対象物に照射し、その反射光をCCDで撮像することにより、計測対象物の任意の断面形状を計測することのできる非接触型センサである。但し、本発明はこれに限定されるものでなく、その他の2次元変位センサ3aを使用しても構わない。
【0022】
作業ロボット1のアーム2は、その動作の基準となる3次元直交ツール座標系(X−Y−Z)を有しており、以下これを「現在設定されている座標系19」という。これに対して、2次元変位センサ3aも、その光軸を一軸とする3次元直交座標系、即ち2次元変位センサ3aの位置姿勢により一義的に定まる3次元直交ツール座標系(X′−Y′−Z′)を有している。以下、これを「本来設定されるべきツール座標系20」という。これらの各ツール座標系19、20は、ツール3が取付けられる、アーム2の取付面に定義されたメカニカルインターフェース座標系を基準とした座標系である。本来、2次元変位センサ3aは、作業ロボット1のアーム2に対して正確に取付けられるべきものであるが、例えばアーム2への2次元変位センサ3aの取付不備等により、両者間に誤差が生じる場合がある。かかる誤差が公差範囲内であれば特に問題はないが、これを越えた場合は、現在設定されているツール座標系19を本来設定されるべきツール座標系20に一致させるべく、後述するようにしてその較正がなされる。尚、作業ロボット1は、その底面に設定される3次元直交ベース座標系(X−Y−Z)(以下、「ベース座標系21」という)を有している。
【0023】
アーム2には、ワークWに対して例えば溶接や研磨等の作業を行うための他のツール3bが取付けられている。また、作業ロボット1は、2次元変位センサ3aにより計測された計測対象物の断面形状に関する情報に基づいて所定の演算を行う演算手段としての演算部4と、この演算結果に基づいて現在設定されているツール座標系19を較正する較正手段としての較正部5とを有する制御装置6を備えている。本実施形態に於ける制御装置6は、パーソナルコンピュータで構成されている。
【0024】
図2に示すように、計測対象物たる較正治具30は、一対の計測部34a、34bを有している。計測部34a、34bは、作業ロボット1及び較正冶具30が載置される平面状の載置面31に対して平行に形成された平面部32と、載置面31に対して所定の角度で傾斜する斜面部33とを有している。計測部34a、34bは、上下に段差35を有して幅方向に並設されている。段差35の大きさはHに設定されており、各斜面部33の載置面31に対する傾斜角度αは60°に設定されている。但し、段差35の大きさや、斜面部33の傾斜角度αはこれに限定されるものではなく、適宜変更が可能である。かかる較正冶具30は、非常に簡易な構成からなるために、その製作も容易に且つ安価に行えるという利点がある。
【0025】
本実施形態に係るツール座標系の較正装置は、以上のように構成されている。次に、これを使用して作業ロボット1に現在設定されているツール座標系19を較正する方法について説明する。
【0026】
図2及び図3に示すように、較正治具30を載置面31に設置するのであるが、この場合は較正冶具31の斜面部33が位置する前面側がロボット1に略正対するように配置する。また、Y平面とX平面とが平行、且つZ軸とZ軸とが平行となるように配置する。この状態で一連の較正作業が開始される。但し、較正冶具30の設置に関しては、決してこれに限定されるものではなく、要はベース座標系21との関係が明らかであれば、どのように設置しても構わない。先ず、現在設定されているツール座標系19に於ける回転成分に関する誤差について較正を行う。この時に検出される誤差(θ,θ,θ)は、設定されるべき座標系20からみた誤差として演算される。即ち、設定されるべき座標系20をX′軸回りにθ回転させ、回転後のY′軸回りにθ回転させ、その回転後のZ′軸回りにθ回転させると、現在設定されているツール座標系19と一致することになる。
【0027】
<回転成分に関する誤差の較正>
図4に示すように、本較正はステップ100から開始される。先ず、回転成分の誤差のうちX′軸に関する回転成分の誤差θを求める。作業ロボット1のアーム2を操作して、図5(a)及び(b)に示すように、2次元変位センサ3aにより較正冶具30の平面部32にレーザを照射する。この場合、レーザは少なくとも何れか一方の平面部32に照射すればよいが、本実施形態では両平面部32にレーザを照射している。また、レーザは平面部32の特定の部位に照射する必要はなく、任意の部位に照射すればよい。
【0028】
これにより、図6に示すようなY′Z′平面上の断面形状に関する情報を得ることができる。この断面情報は、平面部32の外形線上にある任意の点の座標(y,z)と、平面部32の各断面形状間の段差Δzとを内容としている。Y′Z′平面上に於ける平面部32の断面情報の傾きをmとすると、これらには、z=m+Δz01、z=m+Δz02という関係式が各平面部32で成立する。この関係式を満たす傾きmと切片Δz01、Δz02が、演算部4により最小二乗法を用いて求められる。以上のようにして得られた演算結果を利用して、X′軸に関する回転成分の誤差θは、θ=arctan(m)という関係式から求められる。尚、以下で説明する演算は全て演算部4によって行われる。
【0029】
次に、残りの回転成分の誤差θ、θを求める。この場合は、2次元変位センサ3aを移動させて、図7(a)に示すように、両斜面部33を跨ぐようにレーザを照射する。これにより、図7(b)に示すような、Y′Z′平面上の断面形状に関する情報を得ることができる。この断面情報も、斜面部33の外形線上にある任意の点の座標点(y,z)と、斜面部33の各断面形状間の段差Δzとを内容としている。Y′Z′平面上に於ける斜面部33の断面情報の傾きをmとすると、これらには、z=my+Δz、z=my+Δzという関係式が各斜面部33で成立する。前述と同様にして、最小二乗法により傾きmと切片Δz、Δzが求められ、切片Δz、Δzより段差Δzを求めることができる。但し、この場合、斜面部33の外形線は平面部32の傾きに従って補正する必要があり、補正して求める傾きをm′とし、段差Δz′とすると、これらはm′=tan(arctan(m)−θ)、Δz′=Δz*cos(arctan(m))/cos(arctan(m)−θ)という関係式から夫々求められる。以上のようにして得られた結果を利用して、求めるべき回転成分の誤差θ、θは、以下の数式1から得ることができる(ステップ101)。尚、数式1に於けるxは、x=(段差H)*cos(斜面部33の傾斜角度α)*sin(斜面部33の傾斜角度α)を示し、zは、z=(段差H)*cos(斜面部33の傾斜角度α)*cos(斜面部33の傾斜角度α)を示している。
【0030】
【数1】

【0031】
以上のようにして求めた各回転成分の誤差(θ,θ,θ)が公差の範囲内である場合は(ステップ102)、座標軸方向の移動成分の誤差(a,b,c)の較正に移行する(ステップ103)。これに対して、公差の範囲外である場合は、前記演算結果に基づいて較正部5により現在設定されているツール座標系19を較正した後(ステップ104)、ステップ101に戻って再度各回転成分の誤差を求める。その結果、全ての回転成分の誤差が公差内であれば、ステップ103に移行する。
【0032】
<座標軸方向の移動成分に関する誤差の較正>
先ず、X軸、Y軸、Z軸方向の移動成分の誤差(a,b,c)のうち、Y軸及びZ軸成分の誤差(b,c)を求める。図8(a)に示すように、現在設定されているツール座標系19のX軸を回転中心として2次元変位センサ3aを所定角度回転させて、較正冶具30の平面部32について少なくとも3箇所の断面形状を計測し、その断面情報を取得する。取得した断面情報は、同図(b)に示すように、3本の直線A、B、Cとして得ることができる。そして、直線AとB及び直線BとCの各交点に於いて形成される角度の二等分線の交点Pが求められる。この交点Pが現在設定されているツール座標系19の原点Q(y,z)に相当し、これが移動成分の誤差(b,c)となる。この誤差が公差内にあれば、次にステップ106に於いて残るX軸方向の移動成分の誤差aを求める。これに対して、公差から外れている場合は、求めた移動成分の誤差(b,c)に基づいて現在設定されているツール座標系19を較正部5により較正した後(ステップ107)、ステップ103に戻って再度移動成分の誤差(b,c)を求める。その結果、移動成分の誤差(b,c)が公差内であれば、ステップ106に移行する。
【0033】
以上の較正作業により、2次元変位センサ3aと較正冶具30の平面部32とは、図9(a)に示すような関係となる。尚、同図(a)及び(c)に於ける、dzは現在設定されているツール座標系19のツール原点Qと較正冶具30の平面部32との距離を示し、c′は移動成分の誤差cの較正に於いて較正しきれなかったZ軸方向の移動成分の誤差を示す。これは、計測時や演算時等に於いて生じるものである。また、Lは2次元変位センサ3aと較正により本来設定されるべきツール座標系20の原点Q′との距離を示し、aは求めるべきX軸方向の移動成分の誤差を示しており、夫々定数である。これに対して、Lは2次元変位センサ3aと較正冶具30の平面部32との距離であり、2次元変位センサ3aにより計測される。θはY軸を回転中心とする2次元変位センサ3aの回転角度を示しており、夫々変数である。また、同図(c)に示す状態に於いて、(L−L)*cosθ=a*sinθ+dz+c′*cosθという関係式が成立している。
【0034】
この状態で、同図(c)に示すように、現在設定されているツール座標系19のY軸を回転中心として、2次元変位センサ3aを回転させる。この回転角θを変更しながら、2次元変位センサ3aで複数箇所に於ける距離Lを計測する。かかる計測結果に基づいて最小二乗法を用いることにより、次の数式2からX軸方向の移動成分の誤差a、距離dz及び較正しきれなかった移動成分の誤差c′を求めることができる。
【0035】
【数2】

【0036】
以上により求められた移動成分の誤差aが公差の範囲内であれば(ステップ108)、これにより一連の較正作業は終了する(ステップ110)。これに対して、移動成分の誤差aが公差から外れている場合は、かかる誤差aに基づいて較正部5により現在設定されているツール座標系19が較正された後(ステップ109)、ステップ106に戻って再度移動成分の誤差aが求められる。その結果、移動成分の誤差aが公差内であれば、較正作業は終了する(ステップ110)。尚、較正しきれなかった移動成分の誤差c′に関しては、ツール3に要求される作業精度等を考慮しつつ、必要に応じて較正する。その後、作業ロボット1のツール3bによりワークWに各種の作業が行われることになる。
【0037】
以上で説明したように、本実施形態に係るツール座標系の較正装置は、較正冶具30の断面形状についての情報を用いることにより、現在設定されているツール座標系19に生じている回転成分の誤差のみならず、座標軸方向の移動成分の誤差についても演算によって求めることが可能になる。これにより、これらの全ての誤差を較正の対象に含めることができるために、較正部5によるツール座標系の較正が適切に行える。その結果、各種ツール3による作業精度が大幅に向上することになる。
【0038】
また、本実施形態の較正装置は、ツール3の種類や形状等の変化に影響を受けるようなこともなく、幅広く適用することができる。
【0039】
更に、較正冶具30の断面形状を計測する手段としての2次元変位センサ3aは、一般にワークWの位置確認用として作業ロボット1に装備されるものであるために、その有効利用を図ることができる。
【0040】
また、2次元変位センサ3aによる較正冶具30の計測が主たる作業となるように構成されているために、較正作業を複雑化せしめることなく、一連の作業を効率的に行うことができる。
【0041】
尚、較正冶具30の形状等の具体的な構成は、決して上記実施形態に限定されるものではない。
【0042】
その他、作業ロボット1の形状等の各部の構成も、本発明の意図する範囲内に於いて任意に設計変更自在である。
【符号の説明】
【0043】
1 作業ロボット
3 ツール
3a 2次元変位センサ
3b ツール
4 演算手段(演算部)
5 較正手段(較正部)
19 現在設定されているツール座標系
20 本来設定されるべきツール座標系
30 較正冶具
31 載置面
32 平面部
33 斜面部
34a、34b 計測部
35 段差

【特許請求の範囲】
【請求項1】
動作の基準となるツール座標系を備えた作業ロボットに設けられる2次元変位センサと、
該2次元変位センサにより断面形状が計測される較正冶具と、
計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボットに現在設定されているツール座標系と本来設定されるべきツール座標系との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算する演算手段と、
該演算手段による演算結果に基づいて、前記ツール座標系を較正する較正手段とを備えてなることを特徴とするツール座標系の較正装置。
【請求項2】
前記較正冶具は、平面部と、該平面部に対して所定の角度で傾斜する斜面部とを備えた一対の計測部が上下に段差を有して並設されている請求項1記載のツール座標系の較正装置。
【請求項3】
動作の基準となるように作業ロボットが備えるツール座標系を較正する方法であって、
平面部と、該平面部に対して所定の角度で傾斜する斜面部とを備えた一対の計測部が上下に段差を有して並設された較正冶具を載置面に載置した後、
前記作業ロボットに設けた2次元変位センサにより、前記較正冶具の計測部の断面形状を計測し、
その後、計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボットに現在設定されている座標系と本来設定されるべき座標系との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算し、
更に、演算結果に基づいて前記ツール座標系を較正することを特徴とするツール座標系の較正方法。
【請求項4】
前記較正手段によるツール座標系の較正は、回転成分の誤差に基づいて較正を行った後に、座標軸方向の移動成分の誤差に基づいて較正を行う請求項3記載のツール座標系の較正方法。
【請求項5】
前記ツール座標系は、X軸、Y軸、及びZ軸からなる3次元直交座標によって規定され、
前記回転成分の誤差は、較正冶具の平面部及び斜面部の断面情報から演算され、前記座標軸方向の移動成分のうちY軸とZ軸に関する各誤差は、X軸を回転中心として前記2次元変位センサを回転させて複数計測した前記較正冶具の平面部の断面情報から演算され、前記X軸に関する誤差は、前記Y軸を回転中心として前記2次元変位センサを回転させて複数計測した前記較正冶具の平面部の断面情報から演算される請求項3又は4記載のツール座標系の較正方法。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate


【公開番号】特開2011−148045(P2011−148045A)
【公開日】平成23年8月4日(2011.8.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−11573(P2010−11573)
【出願日】平成22年1月22日(2010.1.22)
【出願人】(000002358)新明和工業株式会社 (919)
【Fターム(参考)】