JP3101099B2 - Apparatus and method for measuring three-dimensional position and orientation of robot by ultrasonic wave - Google Patents

Apparatus and method for measuring three-dimensional position and orientation of robot by ultrasonic wave

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JP3101099B2
JP3101099B2 JP04292362A JP29236292A JP3101099B2 JP 3101099 B2 JP3101099 B2 JP 3101099B2 JP 04292362 A JP04292362 A JP 04292362A JP 29236292 A JP29236292 A JP 29236292A JP 3101099 B2 JP3101099 B2 JP 3101099B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、超音波によるロボット
の3次元位置・姿勢計測装置及びその計測方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and a method for measuring a three-dimensional position and orientation of a robot using ultrasonic waves.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、このような分野の技術文献として
は、以下のようなものを挙げることができる。
2. Description of the Related Art Conventionally, the following can be cited as technical documents in such a field.

【0003】(1)「産業用ロボットの標準化に関する
調査研究」成果報告書,(社)日本産業用ロボット工業
会,(1988) 6頁〜31頁 (2)斉藤正樹: ロボットの実際の挙動を確認するチ
ェック・システム,自動化技術,Vol.18,No.
11,(1986)117頁〜122頁 (3)K.Lau,R.J.Hocken and
W.C.Haight:Automatic lase
r tracking interferometer
system for robot metrolo
gy, Precision Engineerin
g,Vol.8,No.1,(1986)3頁〜8頁 (4)GP−8−3D Sonic Digitize
r Operator’s, Manual,Scie
nce Accessories Corp.,(19
85) 1頁〜85頁 (5)後藤充夫,谷村吉久,黒澤俊郎: 追尾式レーザ
干渉計による座標計測システム −基本設計と要素の試
作−, 昭和63年度精密工学会秋季大会学術講演会講
演論文集,(1988) 315頁〜316頁 (6)工業技術院大型プロジェクト 極限作業ロボット
研究開発技術報告書,極限作業ロボット技術研究組合,
(1990) 168頁〜173頁 (7)下河辺 明,馬 樹元: 断続超音波の多重位相
差による3次元座標の測定,精密工学会誌,Vol.5
3,No.9,(1987) 72頁〜77頁(通卷の
頁数は1408頁〜1413頁) (8)松川真美,大谷隆彦: 放電インパルス音源にお
ける放電回路条件の影響,超音波研究会資料,(198
8) 37頁〜44頁 (9)佐々木 健,小野勝久,高野政晴: ロボットの
ための高精度超音波センサの開発研究,精密機械,Vo
l.51,No.6,(1985) 142頁〜147
頁(通卷の頁数は1238頁〜1243頁) (10)D.E.Whitney,C.A.Lozin
ski and J.M.Rourke:Indust
rial Robot Forward Calibr
ation Method and Results,
Transactions of the ASME,
Journal ofDynamic System
s,Measurement and Contro
l,Vol.108,No.1,(1986) 1頁〜
8頁 (11)古屋 信幸,牧野 洋: SCARAロボット
諸元のティーチングによる校正,精密機械, Vol.
49,No.9,(1983) 69頁〜74頁(通卷
の頁数は1223頁〜1228頁)ロボットがピックア
ンドプレイス等の単純な作業のみでなく、組立等の高い
精度が要求される作業にも用いられつつある現在、メー
カ、ユーザの双方にとってロボットの運動性能を正確に
評価することは重要な課題である。
(1) Investigation and Research on Standardization of Industrial Robots, Result Report, Japan Industrial Robot Association, (1988) pp. 6-31 (2) Masaki Saito: Actual behavior of robots Check system to confirm, automation technology, Vol. 18, No.
11, (1986) pp. 117-122 (3) K.K. Lau, R .; J. Hocken and
W. C. Height: Automatic race
r tracking interferometer
system for robot metrolo
gy, Precision Engineerin
g, Vol. 8, No. 1, (1986) pp. 3-8 (4) GP-8-3D Sonic Digitize
r Operator's, Manual, Scie
nce Accessories Corp. , (19
85) Pages 1 to 85 (5) Mitsuo Goto, Yoshihisa Tanimura, Toshiro Kurosawa: Coordinate measurement system using tracking laser interferometer-Basic design and prototype of elements-, 1988 Shu, (1988) pp. 315-316 (6) Large-scale project of the Industrial Technology Research Institute, R & D technical report on extreme working robots, Technical Research Association of Extreme Working Robots,
(1990) pp. 168-173 (7) Akira Shimokawabe, Kimoto Ma: Measurement of three-dimensional coordinates by multiple phase differences of intermittent ultrasound, Journal of the Japan Society of Precision Engineering, Vol. 5
3, No. 9, (1987) pages 72 to 77 (the number of pages is 1408 to 1413) (8) Mami Matsukawa, Takahiko Ohtani: Influence of discharge circuit conditions on discharge impulse sound source, Ultrasonics Research Society, (198)
8) pp. 37-44 (9) Ken Sasaki, Katsuhisa Ono, Masaharu Takano: Research and development of high-accuracy ultrasonic sensors for robots, precision machinery, Vo
l. 51, No. 6, (1985) pp. 142-147
Pages (the number of pages in the scroll is 1238 to 1243) (10) D. E. FIG. Whitney, C.A. A. Lozin
ski and J.S. M. Rourke: Indust
real Robot Forward Calibr
ation Methods and Results,
Transactions of the ASME,
Journal of Dynamic System
s, Measurement and Contro
1, Vol. 108, no. 1, page (1986)
Page 8 (11) Nobuyuki Furuya, Hiroshi Makino: Calibration of SCARA Robots by Teaching, Precision Machinery, Vol.
49, no. 9, (1983) 69-74 pages (the number of pages is 1223-1228) The robot is used not only for simple tasks such as pick and place, but also for tasks requiring high precision such as assembly. At present, it is an important issue for both manufacturers and users to accurately evaluate the motion performance of a robot.

【0004】特に、ロボットの絶対位置決め精度の評価
はマニュアル教示の代替として期待されているオフライ
ンプログラミングの前提となるので重要である。
[0004] In particular, the evaluation of the absolute positioning accuracy of a robot is important because it is a premise of off-line programming which is expected as an alternative to manual teaching.

【0005】しかし、広い3次元空間内を任意の軌道を
とりながら移動するロボットの位置・姿勢を、非接触
で、かつリアルタイムに、しかも高精度で計測する測定
機器は現状では実用段階に至っていない。
However, a measuring instrument for measuring the position and orientation of a robot moving while taking an arbitrary trajectory in a wide three-dimensional space in a non-contact, real-time, and highly accurate manner has not yet reached a practical stage. .

【0006】そのため現在ロボットの運動性能の評価と
して、空間上の数点への繰返し位置決め精度を近接セン
サで評価することが一般に行われている。
[0006] For this reason, at present, as an evaluation of the motion performance of a robot, it is common practice to evaluate the accuracy of repeated positioning at several points in space using a proximity sensor.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方式は測
定精度は比較的高いが静的な測定であり、しかも局所的
なデータしか得られず、ロボットの運動性能の評価には
十分とはいえない。
However, this method has a relatively high measurement accuracy, but is a static measurement, and can obtain only local data, which is sufficient for evaluating the motion performance of a robot. Absent.

【0008】一方、3次元座標の非接触測定装置とし
て、従来よりLED光、レーザビーム、超音波を用いた
システムが研究されており、一部が商品化されている。
On the other hand, as a non-contact measuring device of three-dimensional coordinates, a system using LED light, a laser beam, and an ultrasonic wave has been studied, and a part thereof has been commercialized.

【0009】このうち前二者は、後述するように、角度
を用いた三角測量を行うため、広い測定範囲においては
位置精度が出にくい。しかも画像処理装置やレーザ干渉
計が必要なので、システムが大がかりで高価になり、各
メーカ、ユーザが独自でシステムを所有するのは困難で
ある。レーザを用い距離による三角測量を行った報告も
あるが、システムが高価になりロボットの計測には適さ
ない。
[0009] Of these, the former two perform triangulation using an angle, as described later, so that it is difficult to obtain positional accuracy in a wide measurement range. In addition, since an image processing apparatus and a laser interferometer are required, the system is large and expensive, and it is difficult for each manufacturer and user to own the system independently. There are reports that distances are measured using a laser, but the system is expensive and is not suitable for robot measurement.

【0010】ところで、現在の産業用ロボットの位置繰
返し精度は、6自由度垂直多関節型のもので±0.3m
m程度であるが、絶対位置決め精度については通常カタ
ログに表示されておらず、比較的高精度なDDロボット
やスカラ型ロボット以外のロボットではかなり悪いと言
われてる。この原因として、リンク長、各軸の芯ずれ等
の機構の寸法誤差や減速器のバックラッシ等が挙げられ
る。従って、2m四方程度の3次元空間内の座標を、±
0.3mm程度の測定精度で簡便・安価に計測するシス
テムがあれば、絶対位置決め精度、姿勢精度、経路繰返
し精度、絶対経路精度、速度精度等のロボットの運動性
能の評価に有効である。
By the way, the position repeatability of the current industrial robot is ± 0.3 m for a vertical articulated type having six degrees of freedom.
m, but the absolute positioning accuracy is not usually displayed in catalogs, and is said to be considerably poor for robots other than DD robots and scalar type robots with relatively high accuracy. The causes include dimensional errors of the mechanism such as link length and misalignment of each shaft, and backlash of the speed reducer. Therefore, the coordinates in a three-dimensional space of about 2 m square are expressed by ±
If there is a simple and inexpensive measurement system with a measurement accuracy of about 0.3 mm, it is effective for evaluating robot motion performance such as absolute positioning accuracy, posture accuracy, path repeatability, absolute path accuracy, and speed accuracy.

【0011】超音波距離計は温度や空気の局所的な揺ら
ぎ等の影響を受けやすい音速を利用するため、密閉しな
い通常の室内で測定を行う場合、やや距離測定精度が悪
くなるという問題点はあるが、精度的には許容範囲内で
あり、超音波を用いた計測システムは、ロボットの性能
評価に十分有効であると考えられる。
Since the ultrasonic range finder uses the speed of sound which is easily affected by temperature and local fluctuations of air, there is a problem that the accuracy of the distance measurement is slightly deteriorated when the measurement is performed in a normal room which is not closed. However, the accuracy is within an allowable range, and the measurement system using ultrasonic waves is considered to be sufficiently effective for performance evaluation of the robot.

【0012】本方式は、計測原理として距離を用いた三
角測量を用いているが、その他に、角度を用いた三角測
量を用いる計測方式もある。角度を用いた三角測量の例
として、レーザヘッドからのビームを基準点に設置した
2軸回りに回転可能なミラーで反射させ、コーナキュー
ブ等のターゲットに照射するシステムについて考える。
Although this method uses triangulation using distance as a measurement principle, there is another measurement method using triangulation using angle. As an example of triangulation using an angle, consider a system in which a beam from a laser head is reflected by a mirror rotatable around two axes provided at a reference point and is irradiated on a target such as a corner cube.

【0013】この場合、ターゲットの移動に伴うビーム
の位置ずれを、光位置検出器で検出し、それをなくする
ように、ミラーの回転角度を常に制御し、この回転角度
からターゲットの存在する方位角を知り位置を計算する
方式がとられる。このシステムでは、例えば基準点から
1m離れたターゲットを±0.2mmの精度で計測する
ために、tan-1(±0.2/1000)=±0.01
°の高い角度測定精度が要求される。更に、検出器がこ
の角度精度を持っているとしても、ターゲットを正確に
この角度精度でリアルタイムに追尾するには、極めて高
度な制御技術が必要であり、システムの開発費等も膨大
なものになる。
In this case, the displacement of the beam caused by the movement of the target is detected by an optical position detector, and the rotation angle of the mirror is constantly controlled so as to eliminate the displacement. A method of calculating a position by knowing a corner is used. In this system, for example, to measure a target 1 m away from the reference point with an accuracy of ± 0.2 mm, tan −1 (± 0.2 / 1000) = ± 0.01
High angle measurement accuracy of ° is required. Furthermore, even if the detector has this angular accuracy, in order to accurately track the target with this angular accuracy in real time, extremely advanced control technology is required, and the development cost of the system will be enormous. Become.

【0014】また、超音波を用いて距離を測定する方法
に、数十波長の超音波を断続的に送信し、発信波形と受
信波形との位相差より距離を求める方法がある。この方
法は振幅変調した数種類の音波を送信する必要があり、
また不要な反射波を除去する必要があるので1回の座標
の測定に時間がかかるという問題点がある。
As a method of measuring a distance by using an ultrasonic wave, there is a method of transmitting an ultrasonic wave of several tens of wavelengths intermittently and obtaining a distance from a phase difference between a transmitted waveform and a received waveform. This method requires transmitting several types of amplitude-modulated sound waves,
Further, since it is necessary to remove unnecessary reflected waves, there is a problem that it takes time to measure the coordinates once.

【0015】本発明は、上記した状況を鑑みて、超音波
パルスの伝播時間測定による距離計測を応用し、3個の
発信器、個の受波器を用いてロボットの位置・姿勢を
計測することにより、簡便にして安価に構成でき、しか
も精度の向上を図り得る超音波によるロボットの3次元
位置・姿勢計測装置及びその計測方法を提供することを
目的とする。
[0015] In view of the above situation, the present invention measures the position and orientation of a robot using three transmitters and four receivers by applying distance measurement by measuring the propagation time of an ultrasonic pulse. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a three-dimensional position / posture measuring apparatus of a robot using ultrasonic waves, which can be configured simply and inexpensively, and which can improve accuracy, and a measuring method thereof.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 (A)超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計測装
置において、ロボットのハンドに取り付けられる3個の
電気火花を用いた超音波パルスを発生する超音波発信器
と、該超音波発信器からの超音波パルスを受ける所定位
置に固定される4個の受波器と、超音波パルスの伝播時
間測定により前記超音波発信器のX,Y,Z座標ならび
に測定空間内における音速の4変数を計算し、距離を用
いた三角測量により、ロボットの3次元位置・姿勢計測
を行う計測手段を具備する。
In order to achieve the above object, the present invention provides: (A ) a three-dimensional position / posture measuring device for a robot using ultrasonic waves, wherein three electric sparks attached to a robot hand are provided; An ultrasonic transmitter for generating the used ultrasonic pulse, four receivers fixed at predetermined positions for receiving the ultrasonic pulse from the ultrasonic transmitter, and the ultrasonic pulse is measured by measuring the propagation time of the ultrasonic pulse. Measurement means is provided for calculating four variables of the X, Y, and Z coordinates of the sound wave transmitter and the speed of sound in the measurement space, and performing three-dimensional position / posture measurement of the robot by triangulation using distance.

【0017】また、以下の従属的な構成を有する。Further, it has the following subordinate configuration.

【0018】(1)前記受波器はコンデンサマイクロホ
ンである。
(1) The receiver is a condenser microphone.

【0019】(2)前記受波器の俯仰角及び旋回角の調
整装置を具備する。
(2) An apparatus for adjusting the elevation angle and the turning angle of the receiver is provided.

【0020】(3)前記超音波発信器からの電気火花を
発生させる電気火花タイミング制御ボードと、前記発信
器からの発信時間を読み込むとともに、前記受波器から
の受信信号に基づき距離を求める4チャンネル距離計算
ボードと、これらに接続される演算処理装置を具備す
る。
(3) An electric spark timing control board for generating an electric spark from the ultrasonic transmitter, reading a transmission time from the transmitter, and obtaining a distance based on a reception signal from the receiver 4 It has a channel distance calculation board and an arithmetic processing unit connected thereto.

【0021】(4)前記演算処理装置に接続される音速
モニタリングユニットを具備する。
(4) A sound speed monitoring unit connected to the arithmetic processing unit is provided.

【0022】()超音波によるロボットの3次元位置
・姿勢計測方法において、ロボットのハンドに3個の電
気火花を用いた超音波パルスを発する超音波発信器を設
置し、該超音波発信器からの超音波パルスを所定位置に
固定される4個の受波器で受信し、前記超音波パルスの
伝播時間を測定し、前記超音波発信器のX,Y,Z座標
ならびに測定空間内における音速の4変数を計算し、距
離を用いた三角測量により、ロボットの3次元位置・姿
勢計測を行うようにしたものである。
( B ) In the method of measuring the three-dimensional position and orientation of a robot using ultrasonic waves, an ultrasonic transmitter for generating ultrasonic pulses using three electric sparks is installed in the hand of the robot, and the ultrasonic transmitter The ultrasonic pulse from the receiver is received by four receivers fixed at a predetermined position, the propagation time of the ultrasonic pulse is measured, and the X, Y, and Z coordinates of the ultrasonic transmitter and the position in the measurement space are measured. Four variables of sound velocity are calculated, and three-dimensional position / posture measurement of the robot is performed by triangulation using distance.

【0023】また、以下の従属的な構成を有する。Further, the following subordinate configuration is provided.

【0024】(1)前記超音波発信器の発信時間を検出
するとともに、前記受波器は電気火花によるパルス波の
振幅が閾値を越えた後の第1のゼロクロス点を検出し、
これに基づいて超音波パルスの伝播時間を測定する。
(1) While detecting the transmission time of the ultrasonic transmitter, the receiver detects a first zero-cross point after the amplitude of the pulse wave due to the electric spark exceeds a threshold value,
Based on this, the propagation time of the ultrasonic pulse is measured.

【0025】(2)測定空間内における音速を、前記超
音波発信器から前記4個の受波器への超音波パルスの伝
播時間から推定計算する。
(2) The velocity of sound in the measurement space is estimated and calculated from the propagation time of the ultrasonic pulse from the ultrasonic transmitter to the four receivers.

【0026】(3)前記受波器を用いて、該受波器間の
距離を計測し、初期座標系を校正する。
(3) Using the receiver, measure the distance between the receivers and calibrate the initial coordinate system.

【0027】(4)前記初期座標系の校正において、音
速モニタリングユニットを用いる。
(4) In the calibration of the initial coordinate system, a sound speed monitoring unit is used.

【0028】[0028]

【作用】本発明によれば、図13に示すように、ロボッ
ト45のハンド46に取り付けられる3個の電気火花を
用いた超音波パルスを発生する超音波発信器T1 〜T3
と、その超音波発信器T1 〜T3 からの超音波パルスを
受ける所定位置に固定される4個の受波器R1 〜R4
を設け、前記超音波パルスの伝播時間を測定し、距離を
用いた三角測量により、ロボットの3次元位置・姿勢計
測を行う。
According to the present invention, as shown in FIG. 13, the ultrasonic transmitter T 1 through T 3 for generating ultrasonic pulses with three electrical spark to be attached to the hand 46 of the robot 45
And four receivers R 1 to R 4 fixed at predetermined positions for receiving ultrasonic pulses from the ultrasonic transmitters T 1 to T 3, and measuring the propagation time of the ultrasonic pulses. And three-dimensional position / posture measurement of the robot by triangulation using distance.

【0029】したがって、安価な超音波発信器及び受波
器を用いるため簡便にして、安価に構成でき、測定空間
内における音速を常に正確に計算し、距離を用いた三角
測量を行うため、測定精度もロボットの計測に必要な水
準を得ることができる。
Therefore, since an inexpensive ultrasonic transmitter and receiver are used, the configuration can be made simple and inexpensive. The sound velocity in the measurement space is always accurately calculated, and the triangulation using the distance is performed. The precision required for robot measurement can be obtained.

【0030】[0030]

【実施例】以下、本発明の第1実施例について図を参照
しながら詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0031】図1は本発明の第1実施例を示す超音波パ
ルスを用いた計測システムの原理図、図2はその計測シ
ステムの発信器の一部分解斜視図、図3はその計測シス
テムの発信器の電気回路図、図4はその計測システムの
受波器の斜視図、図5はその発信器から送出される電気
的スパーク放電の受信されたパルス波形図である。
FIG. 1 is a principle view of a measuring system using an ultrasonic pulse showing a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a partially exploded perspective view of a transmitter of the measuring system, and FIG. FIG. 4 is a perspective view of a receiver of the measuring system, and FIG. 5 is a received pulse waveform diagram of an electric spark discharge transmitted from the transmitter.

【0032】ロボットは様々な位置・姿勢をとるので、
超音波発信器は測定精度および指向性の観点から無指向
性点音源であることが望ましい。そこで本発明において
は、超音波発信器として、無指向性点音源近似できる電
気火花を用いる。
Since the robot takes various positions and postures,
It is desirable that the ultrasonic transmitter is an omnidirectional point sound source from the viewpoint of measurement accuracy and directivity. Therefore, in the present invention, an electric spark that can approximate an omnidirectional point sound source is used as the ultrasonic transmitter.

【0033】図2に示すように、超音波発信器10は、
ベークライト製のスタンド11の両端にV溝12が形成
される支持部11aを有し、この支持部11aのV溝1
2に、螺子15によってホルダ14を押さえつけること
により、中央部にギャップ25(例えば、30μm)を
有するように放電針13が固定される。因みに、図2に
おいて、L1 は80mm、L2 は10mm、φ1 は1m
mである。
As shown in FIG. 2, the ultrasonic transmitter 10
The bakelite stand 11 has a support portion 11a on both ends of which a V-groove 12 is formed.
2, the holder 14 is pressed by the screw 15, so that the discharge needle 13 is fixed so as to have a gap 25 (for example, 30 μm) at the center. Incidentally, in FIG. 2, L 1 is 80 mm, L 2 is 10 mm, φ 1 is 1 m
m.

【0034】そこで、図3に示すように、ギャップ25
に衝撃的な高電圧を印加する。すなわち、電源21の直
流電圧30Vをコンデンサ22(44μF)に印加し、
その蓄積電荷をFET23でトリガして、スイッチング
を行い、その断続電流をイグニッションコイル24(コ
イル比は1:100)の1次側に流すことにより、イグ
ニッションコイル24の2次側で衝撃的な高電圧を発生
させ、ギャップ25に電気火花を生じさせる。すると、
それに伴い超音波パルスが発生する。
Therefore, as shown in FIG.
A shocking high voltage is applied to the That is, a DC voltage of 30 V from the power supply 21 is applied to the capacitor 22 (44 μF),
The accumulated charge is triggered by the FET 23 to perform switching, and the intermittent current is caused to flow to the primary side of the ignition coil 24 (coil ratio: 1: 100). A voltage is generated and an electric spark is generated in the gap 25. Then
Accordingly, an ultrasonic pulse is generated.

【0035】受波器は、図4に示すように、共振周波数
85kHzのコンデンサマイクロホン31を用いる。3
3はこのコンデンサマイクロホン31の支持軸であり、
更にこの支持軸33はL字形状の支持板34で支持さ
れ、この支持板34は支持軸35を有している。そこ
で、コンデンサマイクロホン31はDCサーボモータ
(図示なし)が駆動し、支持軸33により、俯仰角を調
整可能である。更に、その支持軸33を含むコンデンサ
マイクロホン31はDCサーボモータ(図示なし)が駆
動し、支持軸35は旋回角を調整可能である。つまり、
コンデンサマイクロホン31は受波器の向きを調整する
ことができる。ここで、例えば、コンデンサマイクロホ
ン31の受波面は直径26mmの円形面に構成する。
The receiver uses a condenser microphone 31 having a resonance frequency of 85 kHz as shown in FIG. 3
Reference numeral 3 denotes a support shaft of the condenser microphone 31,
Further, the support shaft 33 is supported by an L-shaped support plate 34, and the support plate 34 has a support shaft 35. Therefore, the condenser microphone 31 is driven by a DC servo motor (not shown), and the elevation angle can be adjusted by the support shaft 33. Further, the condenser microphone 31 including the support shaft 33 is driven by a DC servo motor (not shown), and the rotation angle of the support shaft 35 is adjustable. That is,
The condenser microphone 31 can adjust the direction of the receiver. Here, for example, the receiving surface of the condenser microphone 31 is configured as a circular surface having a diameter of 26 mm.

【0036】図5に電気火花により生じた超音波パルス
の受信波形を示す。波形は超音波パルスが到達した瞬間
をとらえるのに十分な鋭い立ち上がりを持ち、その音圧
はロボットへの応用に必要な2m程度の距離測定に十分
である。10万回放電した後の電極表面を顕微鏡で観察
したところ、微小なクレータ状の損耗がみられたもの
の、電極の消耗に伴う受信波形の変化は微小であり、測
定精度に影響を及ぼさない程度であった。
FIG. 5 shows a reception waveform of an ultrasonic pulse generated by an electric spark. The waveform has a sharp rising edge sufficient to capture the moment when the ultrasonic pulse arrives, and its sound pressure is sufficient for distance measurement of about 2 m required for application to a robot. Microscopic observation of the electrode surface after 100,000 discharges showed slight crater-like wear, but the change in the received waveform due to electrode wear was small and did not affect measurement accuracy. Met.

【0037】以下、距離の測定方法について詳細に説明
する。
Hereinafter, a method of measuring the distance will be described in detail.

【0038】図5に示すように、本発明の距離計は超音
波パルスの到達した時点として、パルス波の振幅が閾値
を超えた後の第1のゼロクロス点を用いることにより、
測定距離の変化等に伴う振幅の影響を受け難くしてい
る。この距離計は超音波パルスの到達時間に音速を乗じ
て距離を求めるため、既知の一定距離(約1350m
m)を超音波パルスが伝播する時間をリアルタイムでモ
ニタして正確な音速を求めている。
As shown in FIG. 5, the distance meter according to the present invention uses the first zero-cross point after the amplitude of the pulse wave exceeds the threshold value as the time point when the ultrasonic pulse arrives.
It is less susceptible to the effects of amplitude due to changes in the measurement distance. This rangefinder multiplies the arrival time of an ultrasonic pulse by the speed of sound to obtain a distance, and therefore has a known constant distance (about 1350 m).
m), the time required for the ultrasonic pulse to propagate is monitored in real time to obtain an accurate sound speed.

【0039】この距離計の計測精度を1μmの位置決め
精度を持つNC工作機械を校正基準として検証した。
The measurement accuracy of this distance meter was verified using an NC machine tool having a positioning accuracy of 1 μm as a calibration standard.

【0040】図6(a)に示すように、発信器TをNC
工作機械のベッドに固定し、ベッドを1軸方向上の50
mmごと800mmまでの各点で1μmの精度で位置決
めし、各点における発信器Tと受波器Rの間の距離をこ
の距離計により1000回ずつ計算した。
As shown in FIG. 6A, the transmitter T is connected to the NC
Fix to the machine tool bed, and move the bed 50
Positioning was performed with an accuracy of 1 μm at each point up to 800 mm per mm, and the distance between the transmitter T and the receiver R at each point was calculated 1000 times by this distance meter.

【0041】受波器Rを最初の発信器の位置から約20
0mm離して設置した場合(ケースA)と約1200m
m離して設置した場合(ケースB)について測定を行っ
た。
The receiver R is moved about 20 from the position of the first transmitter.
Approximately 1200m when installed 0mm apart (Case A)
The measurement was performed for the case of being placed m apart (case B).

【0042】最初の測定点を原点とし、各点での測定距
離から原点での測定距離を差し引いたものを相対座標と
して求めた結果を図6(b)、(c)に示す。ここで、
●は1000回の測定における測定誤差の平均値Ex、
○は標準偏差σxを示している。
FIGS. 6B and 6C show the results obtained by subtracting the measurement distance at the origin from the measurement distance at each point as the relative coordinates, with the first measurement point as the origin. here,
● is the average value Ex of the measurement errors in 1000 measurements,
○ indicates the standard deviation σx.

【0043】この距離計の測定誤差の平均値は1mの測
定範囲で、±0.1mm以内、2mの測定範囲で±0.
3mm以内であり、標準偏差は1mの測定範囲で0.1
mm以下、2mの測定範囲で0.2mm以下であった。
The average value of the measurement errors of this rangefinder is within ± 0.1 mm within a 1 m measurement range, and within ± 0.1 mm within a 2 m measurement range.
Within 3 mm, with a standard deviation of 0.1 over a 1 m measurement range.
mm or less and 0.2 mm or less in a measurement range of 2 m.

【0044】測定誤差の要因は、測定を行う場所と音速
補正用の距離計の設置場所が実験の都合上1mほど離れ
ており、恒温化や空気の安定化がなんら考慮されていな
い工場内で測定したためであり、気温・湿度、空気の流
れ等が双方の場所において異なってしまい、正確な音速
の補正が行われなかったためと考える。
The cause of the measurement error is that the place where the measurement is performed and the place where the distance meter for sound velocity correction is installed are separated from each other by about 1 m for the sake of the experiment, and in a factory where constant temperature and air stabilization are not considered at all. It is considered that the measurement was performed, and that the temperature, humidity, air flow, and the like were different in both places, and accurate sound velocity correction was not performed.

【0045】測定誤差のばらつきは測定空間における空
気の揺らぎに起因する。比較のため音速補正用の距離計
を含めたこの距離計を密閉された風洞装置内に設置し、
近似的な無風状態で約2mの距離を約4時間にわたって
1000回計測した。
The variation of the measurement error is caused by the fluctuation of air in the measurement space. This rangefinder including a rangefinder for sound velocity correction for comparison was installed in a closed wind tunnel device,
A distance of about 2 m was measured 1000 times over a period of about 4 hours in an approximately calm state.

【0046】その結果、気温の変化による音速のドリフ
トにもかかわらず、測定誤差の標準偏差は0.07m
m、測定誤差の最大値と最小値の差は0.34mmと密
閉しない場合に比べて高い精度が得られた。これによ
り、測定誤差のばらつきは、発信器である電気火花の放
電位置のばらつき等ではなく、測定空間の空気の揺らぎ
に起因することがわかる。
As a result, the standard deviation of the measurement error is 0.07 m despite the drift of the sound speed due to the change in temperature.
m, the difference between the maximum value and the minimum value of the measurement error was 0.34 mm, and higher accuracy was obtained as compared with the case without sealing. Thus, it can be understood that the variation of the measurement error is not caused by the variation of the discharge position of the electric spark as the transmitter, but is caused by the fluctuation of the air in the measurement space.

【0047】したがって、音速補正を測定位置の近傍で
行い、測定空間の空気の安定化を配慮すれば、本発明の
距離計の精度はさらに向上すると思われる。
Therefore, it is considered that the accuracy of the distance meter of the present invention will be further improved if the sound velocity correction is performed near the measurement position and the air in the measurement space is stabilized.

【0048】次に、本発明のロボットの3次元位置・姿
勢計測原理について説明する。
Next, the principle of measuring the three-dimensional position / posture of the robot of the present invention will be described.

【0049】ここでは3個の発信器と3個の受波器を用
いた位置・姿勢の計測原理について述べる。
Here, the principle of measuring the position and orientation using three transmitters and three receivers will be described.

【0050】図7に示すように、3個の受波器R1 〜R
3 と3個の発信器T1 〜T3 を配置し、3個の発信器T
1 〜T3 のうち1番目の発信器T1 (X1 ,Y1
1 )と受波器Ri (xi ,yi ,zi )の間の測定さ
れた距離をLi とする。ここで、i=1〜3である。
As shown in FIG. 7, three receivers R 1 to R 1
3 and three transmitters T 1 to T 3 are arranged, and three transmitters T
First transmitter of 1 ~T 3 T 1 (X 1 , Y 1,
Let L i be the measured distance between Z 1 ) and the receiver R i (x i , y i , z i ). Here, i = 1 to 3.

【0051】このとき、(X1 −xi 2 +(Y1 −y
i 2 +(Z1 −zi 2 =Li 2を解くことにより、
発信器T1 の3次元位置が求まる。
At this time, (X 1 −x i ) 2 + (Y 1 −y
i ) 2 + (Z 1 −z i ) 2 = L i 2
Three-dimensional position of the transmitter T 1 is determined.

【0052】残りの発信器T2 (X2 ,Y2 ,Z2 )、
発信器T3 (X3 ,Y3 ,Z3 )の3次元位置も同様に
して求めることができる。
The remaining transmitters T 2 (X 2 , Y 2 , Z 2 )
The three-dimensional position of the transmitter T 3 (X 3 , Y 3 , Z 3 ) can be obtained in the same manner.

【0053】ここで計測に先立ち3個の発信器の構成す
る三角形の重心Gとハンドの先端が一致するように位置
決めされているとすると、重心Gの座標は発信器T1
2,T3 の測定された座標より計算して求めることが
できる。
Here, assuming that the center of gravity of the triangle formed by the three transmitters and the tip of the hand are positioned prior to the measurement, the coordinates of the center of gravity G are the transmitters T 1 and T 1 .
It can be obtained by calculating from the measured coordinates of T 2 and T 3 .

【0054】次に、3次元姿勢計算を以下のようにして
行う。
Next, the three-dimensional posture calculation is performed as follows.

【0055】図7に示すように、基準ベクトルe1 ,e
2 ,e3 をとり、これでロボットの姿勢を表すとする。
まず、
As shown in FIG. 7, the reference vectors e 1 and e
Let 2 and e 3 be used to represent the posture of the robot.
First,

【0056】[0056]

【数1】 (Equation 1)

【0057】を計算する。qは発信器T1 ,T2 ,T3
及びハンドの先端Gで構成される平面上でp1 と直交す
るベクトルである。
Is calculated. q is the transmitter T 1 , T 2 , T 3
And a vector orthogonal to p 1 on a plane formed by the tip G of the hand.

【0058】これらを用いて基準ベクトルe1 ,e2
3 は、以下のように求めることができる。
Using these, the reference vectors e 1 , e 2 ,
e 3 can be determined as follows.

【0059】e1 =p1 /|p1 | e2 =q/|q| e3 =e1 ×e2 以上のように、ロボットの位置・姿勢は3個の発信器と
3個の受波器を用いることにより一意に求めることがで
きる。
E 1 = p 1 / | p 1 | e 2 = q / | q | e 3 = e 1 × e 2 As described above, the position and orientation of the robot are determined by three transmitters and three receivers. It can be uniquely obtained by using a wave filter.

【0060】計測した位置・姿勢をロボット座標系(図
7のXR ,YR ,ZR )での値に変換する場合、ロボッ
ト座標系と測定座標系との相対位置関係を校正する必要
が生ずるが、この手法としてロボットに数点への位置決
めを行わせ、その各点での計測座標値と各関節のエンコ
ーダの読みを利用する方法が種々提案されている。
When converting the measured position / posture into values in the robot coordinate system (X R , Y R , Z R in FIG. 7), it is necessary to calibrate the relative positional relationship between the robot coordinate system and the measurement coordinate system. As a method for this, various methods have been proposed as a method in which the robot performs positioning at several points, and uses the measured coordinate values at each point and the reading of the encoder of each joint.

【0061】次に、本発明の超音波によるロボットの3
次元位置・姿勢計測システムの概要とその特長について
述べる。
Next, the robot 3 of the ultrasonic wave according to the present invention is used.
The outline of the three-dimensional position and orientation measurement system and its features are described.

【0062】図8に示すように、前記した電気火花によ
る超音波パルスを発生する3個の発信器T1 〜T3 を設
け、各発信器T1 〜T3 は発信時間検出回路41に接続
される。発信時間検出回路は、各発信器T1 〜T3 の発
信時間に基づいて、トリガを発生し、A/Dコンバータ
42に送信する。
As shown in FIG. 8, three transmitters T 1 to T 3 for generating ultrasonic pulses by the electric spark are provided, and each of the transmitters T 1 to T 3 is connected to a transmission time detecting circuit 41. Is done. The transmission time detection circuit generates a trigger based on the transmission time of each of the transmitters T 1 to T 3 and transmits the trigger to the A / D converter 42.

【0063】一方、3個の発信器T1 〜T3 から送信さ
れる超音波パルスは、3個の受波器R1 〜R3 で受信さ
れて、その受信された超音波パルスはA/Dコンバータ
42に送られて、ディジタル信号に変換される。
On the other hand, the ultrasonic pulses transmitted from the three transmitters T 1 to T 3 are received by the three receivers R 1 to R 3 , and the received ultrasonic pulses are A / The signal is sent to the D converter 42 and converted into a digital signal.

【0064】そのディジタル信号は、演算処理装置44
において、演算処理が行われる。
The digital signal is supplied to the arithmetic processing unit 44
In, arithmetic processing is performed.

【0065】また、演算処理装置44には測定位置の近
傍に設けられる音速モニタリングユニット43からの出
力信号が入力され、音速補正を測定位置の近傍で行うよ
うに構成されている。
An output signal from the sound speed monitoring unit 43 provided near the measurement position is input to the arithmetic processing unit 44, and the sound speed correction is performed near the measurement position.

【0066】更に、本発明において、受波器Rは、回転
可能に構成されている。
Further, in the present invention, the receiver R is configured to be rotatable.

【0067】すなわち、受波器の指向性が半減角6°と
鋭いため、図4に示したように、受波器を支持軸35の
回転駆動により、水平方向に、支持軸33の回転駆動に
より、鉛直方向に回転可能にして、発信器Tに対し正面
を向くようにしている。
That is, since the directivity of the receiver is as sharp as a half-reduction angle of 6 °, as shown in FIG. Accordingly, the transmitter T can be rotated in the vertical direction so as to face the transmitter T in front.

【0068】これにより、従来の固定された超音波受波
器を用いるシステムに共通な受波器に指向性があるた
め、測定可能な空間が制限されるという問題が解消さ
れ、それらに比べて高い精度で計測できる空間が拡大さ
れた。
As a result, the directivity of the receiver common to the systems using the conventional fixed ultrasonic receiver eliminates the problem that the measurable space is limited. The space that can be measured with high accuracy has been expanded.

【0069】更に、指向性のかなり鋭い受波器を発信器
に対して正面を向かせることにより、発信器以外から飛
来する超音波領域周波数のノイズの防止が可能となっ
た。
Further, by making the receiver having a considerably sharp directivity face the front of the transmitter, it is possible to prevent the noise in the ultrasonic region frequency coming from other than the transmitter.

【0070】次に、図7に示す発信器を配置する半径r
について説明する。
Next, the radius r for arranging the transmitter shown in FIG.
Will be described.

【0071】ここでは、計測のリアルタイム性を考え、
受波器を3個の発信器の正面に逐一向かせず、ハンドの
先端Gの正面を向かせたままで3個の発信器の位置を計
測する。
Here, considering the real-time property of measurement,
The positions of the three transmitters are measured while the receivers are not pointed in front of the three transmitters, but face the front end G of the hand.

【0072】このため受波器が正確に発信器までの距離
を計測できる許容振れ角をα、受波器からハンドの先端
Gまでの距離をLとすると、半径rはr<Ltanαを
満たす必要がある。ここで、Lは|R2 G|である。
Therefore, if the allowable deflection angle at which the receiver can accurately measure the distance to the transmitter is α, and the distance from the receiver to the tip G of the hand is L, the radius r must satisfy r <Ltanα. There is. Here, L is | R 2 G |.

【0073】一方、半径rが大きいほど姿勢測定誤差は
小さくなる。例として、図7中、発信器T1 の位置測定
誤差がδdである場合、δθ=tan-1(δd/r)の
角度誤差を伴ってe1 は測定される。
On the other hand, the larger the radius r, the smaller the attitude measurement error. As an example, in FIG. 7, when the position measurement error of the transmitter T 1 is a .delta.d, e 1 with the angular error of δθ = tan -1 (δd / r ) is measured.

【0074】この発明のシステムの超音波距離計は受波
器の半減角6°の誤差内で、受波器が発信器に対し正面
を向いていれば、受波器の大きさの測定精度への影響は
500mmの測定範囲で0.2mm程度であった。
The ultrasonic range finder of the system according to the present invention is capable of measuring the size of the receiver within an error of the receiver half angle of 6 ° when the receiver is facing the transmitter. The effect was about 0.2 mm in a measurement range of 500 mm.

【0075】そこで、この発明のシステムでは受信波形
及び音圧をもとに、±3°程度の誤差で受波器がハンド
の先端Gに対し正面を向くようにしてこの影響を取り除
いている。
Therefore, in the system of the present invention, based on the received waveform and the sound pressure, the influence is eliminated so that the receiver faces the front end G of the hand with an error of about ± 3 °.

【0076】したがって、このシステムでは、α=3
°,L=500mmと仮定した場合の条件r<26.0
mmより、r=25.0mmとした。このとき、δd=
0.1mmと仮定すると、姿勢計測誤差はδθ=0.2
3°で見積もられる。
Therefore, in this system, α = 3
°, condition r <26.0 assuming L = 500 mm
mm, r = 25.0 mm. At this time, δd =
Assuming 0.1 mm, the posture measurement error is δθ = 0.2
Estimated at 3 °.

【0077】次に、初期座標系の校正は以下のように行
う。
Next, the calibration of the initial coordinate system is performed as follows.

【0078】計測に先立ち、3個の受波器の相対位置関
係を知ることが必要である。この実施例のシステムで
は、受波器自体が振動膜として能動的に超音波パルスを
発信できるので、受波器同士でパルスをやりとりし、相
互に距離を測定することにより相対位置が求まる。
Prior to measurement, it is necessary to know the relative positional relationship between the three receivers. In the system of this embodiment, since the receiver itself can actively transmit an ultrasonic pulse as a vibrating membrane, the relative positions can be determined by exchanging pulses between the receivers and measuring the distance between them.

【0079】したがって、図9に示すように、3個の受
波器R1 〜R3 を適当な位置に配置して、R1 (0,
0,0),R2 (a,0,0)、R3 (b,c,0)と
し、各受波器間の相互測定距離をp,q,rとして、 a=p b=(r2 −q2 +p2 )/2p, c=√{r2 −〔(r2 −q2 +p2 )/2p〕2 }に
より、a,b,cを求め基準座標系を校正する。
Therefore, as shown in FIG. 9, three receivers R 1 to R 3 are arranged at appropriate positions, and R 1 (0,
0,0), R 2 (a, 0,0), R 3 (b, c, 0), and the mutual measurement distance between the receivers is p, q, r, and a = p b = (r 2− q 2 + p 2 ) / 2p, c = {r 2 − [(r 2 −q 2 + p 2 ) / 2p] 2 }, a, b, and c are obtained and the reference coordinate system is calibrated.

【0080】受波器同士の間の距離の測定に際しては受
波面同士を平行に保ったので、受波器の大きさ及び指向
性は測定精度に影響を与えなかった。
In measuring the distance between the receivers, the receiving surfaces were kept parallel, so that the size and directivity of the receiver did not affect the measurement accuracy.

【0081】このように、この実施例のシステムは内部
で校正を行うため、外部から初期座標系を校正する必要
がなく、また、受波器を任意の位置に配置できるため、
測定対象の変化に対して大きな柔軟性があるという特長
を持つ。
As described above, since the system of this embodiment performs calibration internally, there is no need to externally calibrate the initial coordinate system, and the receiver can be arranged at any position.
It has the feature that it has great flexibility for changes in the measurement object.

【0082】次に、この実施例による位置・姿勢計測精
度の検証実験を行った。
Next, an experiment for verifying the accuracy of position / posture measurement according to this embodiment was performed.

【0083】ここで、図10(a)は実験条件を示し、
図10(b)は実験結果を示している。すなわち、図1
0(a)に示すような、空間回転アームの円軌道上の数
点におけるアーム先端位置(精度±0.06mm)と、
アーム姿勢(精度±30arcsec)を校正基準と
し、それを測定することにより、この発明のシステムの
3次元位置・姿勢計測精度を検証した。なお、アームの
駆動には、リゾルバ付きDDモータ(位置決め精度±3
0arcsec)を用いた。
FIG. 10A shows the experimental conditions.
FIG. 10B shows the result of the experiment. That is, FIG.
0 (a), the arm tip positions at several points on the circular orbit of the spatial rotation arm (accuracy ± 0.06 mm),
The three-dimensional position / posture measurement accuracy of the system of the present invention was verified by measuring the arm posture (accuracy ± 30 arcsec) as a calibration reference and measuring it. Note that a DD motor with a resolver (positioning accuracy ± 3
0 arcsec).

【0084】アームの運動は平面内で行われたが、測定
座標系のXY平面とは一致しておらず計測は立体的であ
る。計測に際しては定盤、ジグ等を用いて両平面が平行
になるよう留意した。平行精度が比較的良好であったこ
とは、図12に示すZ座標の測定結果からも確認でき
る。
The movement of the arm is performed in a plane, but does not coincide with the XY plane of the measurement coordinate system, and the measurement is three-dimensional. At the time of measurement, it was noted that both planes were parallel using a surface plate, a jig or the like. The comparatively good parallel accuracy can also be confirmed from the Z coordinate measurement results shown in FIG.

【0085】3個の発信器の位置を順次計測して重心
(ハンドの先端)Gの座標を求めた。最初の2つの重心
Gの測定XY座標と、アーム座標を合致させることによ
り、測定システムの座標系からアーム座標系への2次元
での座標変換式を求めた。以下3番目の点からはこの式
にしたがって測定座標をアーム座標に変換した。姿勢角
は、図10(a)中のP1 を求め、このXY成分を同様
にアーム座標系に変換することにより得た。
The coordinates of the center of gravity (the tip of the hand) G were obtained by sequentially measuring the positions of the three transmitters. By matching the measured XY coordinates of the first two centers of gravity G with the arm coordinates, a two-dimensional coordinate conversion formula from the coordinate system of the measuring system to the arm coordinate system was obtained. From the third point onward, the measurement coordinates were converted into arm coordinates according to this equation. The attitude angle was obtained by obtaining P 1 in FIG. 10A and converting the XY component into an arm coordinate system in the same manner.

【0086】図10(b)および図11、図12に結果
を示す。図12中、ZM およびEZの欄には測定Z座標
の平均値−22.1mmからの偏差を示した。図10
(b)において、実線はリゾルバの読みより求めた正確
なアームの位置・姿勢を表したもので、破線は本発明の
システムの測定誤差を図中に示す倍率で拡大して測定結
果を表示したものである。位置測定誤差は0.4mm以
下であった。標準偏差が小さいことを考慮すると、第1
点、第2点だけでなく、更に多くの点を合致させること
により、座標変換の精度を向上させれば、位置測定精度
は改善されると考えられる。
FIG. 10B and FIGS. 11 and 12 show the results. In Figure 12, in the column of Z M and E Z showed deviations from the mean -22.1mm measurement Z coordinate. FIG.
In (b), the solid line represents the accurate position and orientation of the arm obtained from the reading of the resolver, and the broken line represents the measurement result of the system of the present invention with the measurement error enlarged by the magnification shown in the figure. Things. The position measurement error was 0.4 mm or less. Considering that the standard deviation is small, the first
If the accuracy of coordinate conversion is improved by matching not only the point and the second point but also more points, it is considered that the position measurement accuracy is improved.

【0087】姿勢角測定誤差は0.4°以下であり、標
準偏差は0.2°以下であった。
The attitude angle measurement error was 0.4 ° or less, and the standard deviation was 0.2 ° or less.

【0088】なお、図11において、θA はアーム姿勢
角(校正基準)、θM は計測された姿勢角、Eθ、σθ
は計測された姿勢角の誤差と標準偏差である。また、図
12において、(X,Y,Z)A はアーム座標(校正基
準)、(X,Y,Z)M は計測された座標、EX
Y ,EZ は計測された座標の誤差、σX ,σY ,σZ
は計測された座標の標準偏差であり、位置G及びアーム
姿勢角は各データ毎に100回計測した。
In FIG. 11, θ A is the arm attitude angle (calibration reference), θ M is the measured attitude angle, Eθ, σθ
Is the measured attitude angle error and standard deviation. Further, in FIG. 12, (X, Y, Z ) A arm coordinate (calibration reference), (X, Y, Z) coordinate M is measured, E X,
E Y and E Z are the errors of the measured coordinates, σ X , σ Y and σ Z
Is the standard deviation of the measured coordinates, and the position G and arm posture angle were measured 100 times for each data.

【0089】以上の結果より、本発明の第1実施例の計
測システムが実際のロボットの計測に対応できる可能性
を持つことが確認された。
From the above results, it was confirmed that the measurement system according to the first embodiment of the present invention has a possibility that it can be used for actual robot measurement.

【0090】次に、本発明の第2実施例について図を参
照しながら詳細に説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0091】図13は本発明の第2実施例を示す超音波
パルスを用いた計測システムの原理図、図14は本発明
の第2実施例を示すロボットの3次元位置・姿勢計測原
理の説明図、図15はそのロボットの3次元位置・姿勢
計測システムのブロック図である。
FIG. 13 is a diagram showing the principle of a measuring system using ultrasonic pulses according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a diagram illustrating the principle of measuring the three-dimensional position / posture of a robot according to the second embodiment of the present invention. FIG. 15 is a block diagram of the three-dimensional position / posture measuring system of the robot.

【0092】この実施例では、3次元座標の計算方法と
して受波器を4個用いて測定空間内の音速をパラメータ
として正確に推定計算する手法(以下、音速推定法とい
う)を開発し、それを採用するようにしている。
In this embodiment, as a method of calculating three-dimensional coordinates, a method for accurately estimating and calculating the sound speed in the measurement space as a parameter using four receivers (hereinafter referred to as sound speed estimation method) has been developed. I am trying to adopt.

【0093】図13及び図14に示すように、4個の受
波器R1 〜R4 を配置し、ロボット45のハンド46に
設けられる1番目の発信器T1 (X1 ,Y1 ,Z1
と、受波器Ri の間の超音波パルス伝播時間の測定値を
i とする(i =1〜4)。この時、音速をCとして以
下の4式が成立する。
As shown in FIG. 13 and FIG. 14, four receivers R 1 to R 4 are arranged, and the first transmitter T 1 (X 1 , Y 1 , Z 1 )
And the measured value of the ultrasonic pulse propagation time between the receivers R i is t i ( i = 1 to 4). At this time, the following four equations are established with the sound speed being C.

【0094】 X1 2 +Y1 2 +Z1 2 =(C・t1 2 …(1) (X1 −a)2 +Y1 2 +Z1 2 =(C・t2 2 …(2) (X1 −b)2 +(Y1 −c)2 +Z1 2 =(C・t3 2 …(3) (X1 −d)2 +(Y1 −e)2 +(Z1 −f)2 =(C・t4 2 …(4) (1)ー(2)式、(1)−(3)式及び(1)−
(4)式より、T1 (X1 ,Y1 ,Z1 )は次式で表さ
れる。
[0094] X 1 2 + Y 1 2 + Z 1 2 = (C · t 1) 2 ... (1) (X 1 -a) 2 + Y 1 2 + Z 1 2 = (C · t 2) 2 ... (2) ( X 1 -b) 2 + (Y 1 -c) 2 + Z 1 2 = (C · t 3) 2 ... (3) (X 1 -d) 2 + (Y 1 -e) 2 + (Z 1 -f ) 2 = (C · t 4 ) 2 (4) Equations (1)-(2), (1)-(3) and (1)-
From equation (4), T 1 (X 1 , Y 1 , Z 1 ) is represented by the following equation.

【0095】[0095]

【数2】 (Equation 2)

【0096】逆行列は4個の受波器が同一平面上に無い
場合、計測に先だって求められる。
The inverse matrix is obtained before the measurement when the four receivers are not on the same plane.

【0097】前記(5)式を前記(1)式に代入し直す
と、C2 についての2次式ができ、Cは解析的に容易に
求まる(計算式は省略)。このCを前記(5)式に代入
することにより、T1 (X1 ,Y1 ,Z1 )が求まる。
By substituting the above equation (5) into the above equation (1), a quadratic equation for C 2 is obtained, and C is easily obtained analytically (calculation formula is omitted). By substituting this C into the above equation (5), T 1 (X 1 , Y 1 , Z 1 ) is obtained.

【0098】この手法は、測定空間の音速を変数として
実時間で計算するので、常に正確な音速の補正を行うこ
とができる。また、4個目の受波器を測定空間の上方に
設置するので、z座標の測定精度が受波器を3個のみ用
いる手法に比べて高いという特長を持つ。更に、音速補
正センサを別に必要としないのでシステムを簡便化でき
る。
In this method, since the calculation is performed in real time using the sound velocity in the measurement space as a variable, accurate sound velocity correction can always be performed. Further, since the fourth receiver is installed above the measurement space, there is a feature that the measurement accuracy of the z coordinate is higher than the method using only three receivers. Further, since a separate sound speed correction sensor is not required, the system can be simplified.

【0099】上記の方法と同様にして残りの2つの発信
器の座標T2 (X2 ,Y2 ,Z2 ),T3 (X3
3 ,Z3 )も求めることができる。ここで計測に先立
ち3個の発信器の構成する三角形の重心とハンドの先端
Gが一致するように位置決めされているとすると、Gの
座標はT1 ,T2 ,T3 の測定された座標より計算し求
めることができる。
In the same manner as described above, the coordinates T 2 (X 2 , Y 2 , Z 2 ) and T 3 (X 3 ,
Y 3 , Z 3 ) can also be determined. Here, if it is assumed that the center of gravity of the triangle constituted by the three transmitters and the tip G of the hand are positioned prior to the measurement, the coordinates of G are the measured coordinates of T 1 , T 2 , and T 3. It can be calculated and found more.

【0100】図14に示すように、基準ベクトルe1
2 ,e3 をとり、これでロボットの姿勢を表すとす
る。まず、
As shown in FIG. 14, the reference vectors e 1 ,
Let e 2 and e 3 be used to represent the posture of the robot. First,

【0101】[0101]

【数3】 (Equation 3)

【0102】を計算する。qはT1 ,T2 ,T3 及びG
で構成される平面上でe1 と直交するベクトルである。
これらを用いて基準ベクトルは、 e1 =p1 /|p1 | e2 =q/|q| e3 =e1 ×e2 …(7) のように求めることができる。
Is calculated. q is T 1 , T 2 , T 3 and G
Is a vector orthogonal to e 1 on the plane formed by
Using these, the reference vector can be obtained as follows: e 1 = p 1 / | p 1 | e 2 = q / | q | e 3 = e 1 × e 2 (7)

【0103】以上のように、ロボットの位置・姿勢は3
個の発信器と4個の受波器を用いることにより一意に求
めることができる。
As described above, the position / posture of the robot is 3
It can be uniquely obtained by using four transmitters and four receivers.

【0104】次に、計測システムの構成について説明す
る。
Next, the configuration of the measurement system will be described.

【0105】受波器としては、前記した第1実施例の図
4に示されると同様のものを用いる。つまり、受波器の
指向性が半減角6°と鋭いため、受波器をDCサーボモ
ータで水平、鉛直方向に回転可能にし、発信器に対し常
に正面を向くようにした。これにより従来の固定された
超音波受波器を用いるシステムに共通な受波器に指向性
があるため、測定可能な空間が制限されるという問題が
解消され、それらに比べて高い精度で計測される空間が
拡大された。
As the receiver, the same receiver as shown in FIG. 4 of the first embodiment is used. That is, since the directivity of the receiver is as sharp as a half angle of 6 °, the receiver can be rotated horizontally and vertically by a DC servomotor so that the receiver always faces the transmitter. This eliminates the problem of limited measurable space due to the directivity of the receiver that is common to systems that use conventional fixed ultrasonic receivers. The space to be expanded.

【0106】図15に示すように、この実施例の計測シ
ステムは、発信器60から受波器64への超音波パルス
の到達時間を4チャンネル到達時間計測ボードによりハ
ードウェアでリアルタイムに検出するように構成する。
演算処理装置50は高精度タイマ52、電気火花タイミ
ング制御ボード53、音速計算ボード54、4チャンネ
ル到達時間計測ボード55、パラレルインターフェース
及びインターラプト56を具備する拡張ユニット51を
有する。
As shown in FIG. 15, the measuring system of this embodiment detects the arrival time of the ultrasonic pulse from the transmitter 60 to the receiver 64 in real time by hardware using a four-channel arrival time measurement board. To be configured.
The arithmetic processing unit 50 has an extension unit 51 including a high-precision timer 52, an electric spark timing control board 53, a sound velocity calculation board 54, a four-channel arrival time measurement board 55, a parallel interface, and an interrupt 56.

【0107】電気火花タイミング制御ボード53からの
信号により、電気火花用電源58からイグニッション回
路59を介して高電圧を発信器60に印加して、超音波
パルスを発信する。この発信器60からの発信時間は発
信時間検出器57で検知され、その発信時間は高精度タ
イマ52及び4チャンネル到達時間計測ボード55に入
力される。
According to a signal from the electric spark timing control board 53, a high voltage is applied from the electric spark power supply 58 to the transmitter 60 via the ignition circuit 59, and an ultrasonic pulse is transmitted. The transmission time from the transmitter 60 is detected by a transmission time detector 57, and the transmission time is input to the high-precision timer 52 and the 4-channel arrival time measurement board 55.

【0108】一方、4個の受波器64に超音波パルスが
受信されると、その受信信号はプリアンプ63を介して
4チャンネル到達時間計測ボード55に読み込まれる。
また、音速計算ボード54にはプリアンプ61を介して
音速モニタリングユニット62が接続され、音速の監視
を行うように構成されている。
On the other hand, when the ultrasonic pulses are received by the four receivers 64, the received signals are read into the four-channel arrival time measurement board 55 via the preamplifier 63.
A sound speed monitoring unit 62 is connected to the sound speed calculation board 54 via a preamplifier 61 so as to monitor the sound speed.

【0109】更に、演算処理装置70は、カウンタ7
2、D/Aコンバータ73、パラレルインターフェース
及びインターラプト74を具備する拡張ユニット71に
接続され、カウンタ72とD/Aコンバータ73は、モ
ータ信号分配回路75に接続され、このモータ信号分配
回路75はモータ駆動回路76に接続され、このモータ
駆動回路76はDCサーボモータ77に接続される。な
お、パラレルインターフェース及びインターラプト56
と、パラレルインターフェース及びインターラプト74
間はパラレル通信が行われるように構成されている。ま
た、各受波器は、2個のDCサーボモータで水平、鉛直
方向に回転可能である。
Further, the arithmetic processing unit 70 includes a counter 7
2. Connected to an extension unit 71 having a D / A converter 73, a parallel interface and an interrupt 74, the counter 72 and the D / A converter 73 are connected to a motor signal distribution circuit 75, and the motor signal distribution circuit 75 The motor drive circuit 76 is connected to a DC servomotor 77. The parallel interface and interrupt 56
And the parallel interface and interrupt 74
The interval is configured so that parallel communication is performed. Each receiver can be rotated in the horizontal and vertical directions by two DC servo motors.

【0110】そこで、演算処理装置50は発信信号の到
達時間を4チャンネル到達時間計測ボード55から読み
込み、前記した原理により発信器の位置を算出する。
Therefore, the arithmetic processing unit 50 reads the arrival time of the transmission signal from the four-channel arrival time measurement board 55, and calculates the position of the transmitter according to the principle described above.

【0111】次に、発信器T1 〜T3 の位置より、各受
波器R1 〜R4 の水平、鉛直方向の回転角度を算出し、
それをパラレルボートに送出する。演算処理装置70
は、受波器R1 〜R4 を回転させるDCサーボモータ7
7の制御を行っており、拡張ユニット51からモータの
指令順が送られてくると割り込みがかかり、回転角度の
目標値を更新する。
Next, the horizontal and vertical rotation angles of each of the receivers R 1 to R 4 are calculated from the positions of the transmitters T 1 to T 3 ,
Send it to the parallel boat. Arithmetic processing unit 70
Is, DC servo motor 7 for rotating the receiving transducer R 1 to R 4
When the order of the motor commands is sent from the extension unit 51, an interrupt is generated and the target value of the rotation angle is updated.

【0112】計測に先立ち、4個の受波器R1 〜R4
相対位置関係を知ることが必要である。ここでは、受波
器自体が振動膜として能動的に超音波パルスを発信でき
るので、受波器同士でパルスをやりとりし、相互に距離
を測定することにより、相対位置が求まる。したがっ
て、図16に示すように、4個の受波器R1 〜R4 を適
当な位置に配置して、R1 (0,0,0),R2 (a,
0,0),R3 (b,c,0),R4 (d,e,f)と
し、各受波器間の相互測定距離をp,q,r,s,t,
uとして、 a=p b=(r2 −q2 +p2 )/2p c=√{r2 −〔(r2 −q2 +p2 )/2p〕2 } d=(s2 −t2 +a2 )/2a e=(s2 −u2 +b2 +c2 −2bd)/2c f=√(s2 −d2 −e2 )により、a,b,c,d,
e,fを求め基準座標系を校正する。
Prior to measurement, it is necessary to know the relative positional relationship between the four receivers R 1 to R 4 . Here, since the receiver itself can actively transmit an ultrasonic pulse as a vibrating membrane, the relative position can be obtained by exchanging pulses between the receivers and measuring the distance to each other. Therefore, as shown in FIG. 16, four receivers R 1 to R 4 are arranged at appropriate positions, and R 1 (0, 0, 0), R 2 (a,
0, 0), R 3 (b, c, 0), R 4 (d, e, f), and the mutual measurement distance between the receivers is p, q, r, s, t,
As u, a = p b = ( r 2 -q 2 + p 2) / 2p c = √ {r 2 - [(r 2 -q 2 + p 2 ) / 2p ] 2} d = (s 2 -t 2 + a 2 ) / 2a e = (s 2 −u 2 + b 2 + c 2 −2bd) / 2cf = 2 (s 2 −d 2 −e 2 ), so that a, b, c, d,
Find e and f and calibrate the reference coordinate system.

【0113】このように、この計測システムは、内部で
校正を行うため、外部から初期座標系を校正する必要が
なく、また、受波器を任意の位置に配置できるため測定
対象の変化に対して大きな柔軟性があるという特徴を持
つ。
As described above, since the measurement system performs calibration internally, it is not necessary to calibrate the initial coordinate system from the outside, and since the receiver can be arranged at an arbitrary position, the measurement system is not affected by changes in the measurement object. It has the characteristic of having great flexibility.

【0114】次に、この実施例による3次元位置計測精
度の検証実験を行った。
Next, a verification experiment of the three-dimensional position measurement accuracy according to this embodiment was performed.

【0115】ここでは、この計測システムの計測精度を
精度1μmのNC工作機械を用いて検証した。
Here, the measurement accuracy of this measurement system was verified using an NC machine tool having an accuracy of 1 μm.

【0116】発信器をNC工作機械のチャックに固定
し、図17に示すように、ベッドに3個の受波器R1
3 を固定し、4個目の受波器R4 をベッドの上方に固
定する。発信器を、36個の格子点上で静止させ、各点
の座標を測定した。ここで、X,Y,ZはNC座標系、
X′,Y′,Z′は計測座標系を示している。
The transmitter is fixed to the chuck of the NC machine tool, and as shown in FIG. 17, three receivers R 1 to R 1 are mounted on the bed.
R 3 is fixed, and the fourth receiver R 4 is fixed above the bed. The transmitter was stopped on 36 grid points, and the coordinates of each point were measured. Here, X, Y, and Z are NC coordinate systems,
X ', Y', Z 'indicate a measurement coordinate system.

【0117】測定誤差及び計測座標の標準偏差の実験結
果を図18(a)及び図18(b)にそれぞれ示す。結
果の解析においては、図中、○印のついた点における計
測座標とNC座標がもっとも一致するような座標変換式
を最小二乗法を用いて求め、それにしたがって全ての計
測座標をNC座標系での値に変換した。
The experimental results of the measurement error and the standard deviation of the measurement coordinates are shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b), respectively. In the analysis of the results, a coordinate conversion formula that gives the best match between the measured coordinates and the NC coordinates at the point marked with a circle in the figure is obtained by using the least squares method, and all the measured coordinates are calculated in the NC coordinate system accordingly. Was converted to a value.

【0118】ここで、図18(a)は3次元座標計測の
誤差の平均を、図18(b)は3次元座標計測の標準偏
差を示している。
Here, FIG. 18A shows the average of the errors of the three-dimensional coordinate measurement, and FIG. 18B shows the standard deviation of the three-dimensional coordinate measurement.

【0119】この結果より、この計測システムが、xy
zが900×400×400mmの比較的広い空間内に
おいてxyz座標を誤差±0.3mm以下、標準偏差
0.2mm以内で計測できることが確認できた。
From these results, it is clear that this measurement system is xy
It was confirmed that the xyz coordinates can be measured with an error of ± 0.3 mm or less and a standard deviation of 0.2 mm or less in a relatively large space of 900 × 400 × 400 mm.

【0120】次に、6自由度多関節型ロボットの絶対位
置決め精度の計測について説明する。
Next, measurement of the absolute positioning accuracy of the 6-DOF articulated robot will be described.

【0121】ここでは、実際に6自由度多関節型ロボッ
トを測定対象として、そのハンド先端の絶対位置決め精
度を計測した結果について述べる。
Here, the result of measuring the absolute positioning accuracy of the tip of the hand of a six-degree-of-freedom articulated robot is described.

【0122】図19に示す6自由度多関節型ロボットの
手先に発信器を固定し、図20に示すような36点の格
子点座標にロボットを位置決めさせ、その位置をこの計
測システムで計測した。結果を図21に示す。
A transmitter was fixed to the hand of a six-degree-of-freedom articulated robot shown in FIG. 19, the robot was positioned at 36 grid point coordinates as shown in FIG. 20, and the position was measured by this measuring system. . The results are shown in FIG.

【0123】この結果より、34〜36番目の位置決め
点において、x座標の位置決め精度が1mm以上とかな
り悪いが、これは実験の都合上、4番目の受波器R4
設置条件が悪く、発信器がロボット手首の影に隠れて受
波器R4 が回折音を拾ったためと思われる。
From these results, at the 34th to 36th positioning points, the positioning accuracy of the x coordinate is considerably poor at 1 mm or more. However, this is because of the experimental conditions, the installation condition of the fourth receiver R4 is poor. transmitter is probably because receivers R 4 hidden in the shadow of the robot wrist picked up diffracted sound.

【0124】これら計測システム側に問題があったと思
われる点を除いては、6自由度多関節型ロボットの絶対
位置決め精度は、600×400×200mm四方の空
間内で、ほぼ±0.7mm以内であった。
[0124] Except that it seems that there was a problem on the measurement system side, the absolute positioning accuracy of the six-degree-of-freedom articulated robot is within approximately ± 0.7 mm within a space of 600 × 400 × 200 mm square. Met.

【0125】このように、特に、3個の発信器と4個の
受波器を用いたロボットの3次元位置・姿勢計測原理を
提案し、それに基づき計測システムを構築した。この計
測システムによれば、測定空間内における音速をリアル
タイムに正確に補正することができる。
As described above, in particular, a three-dimensional position / posture measurement principle of a robot using three transmitters and four receivers was proposed, and a measurement system was constructed based on the principle. According to this measurement system, the speed of sound in the measurement space can be accurately corrected in real time.

【0126】また、精度1μmのNC工作機械を校正基
準とし、この計測システムの3次元座標計測精度を検証
した。その結果、xyzが900×400×400mm
程度の比較的広い空間内の3次元座標をxyz各座標と
も誤差±0.3mm以下、標準偏差0.2mm以内で計
測することが確認できた。
The accuracy of the three-dimensional coordinate measurement of this measurement system was verified using an NC machine tool having an accuracy of 1 μm as a calibration standard. As a result, xyz is 900 × 400 × 400 mm
It was confirmed that three-dimensional coordinates in a relatively large space were measured with an error of ± 0.3 mm or less and a standard deviation of 0.2 mm or less for each of the xyz coordinates.

【0127】更に、6自由度多関節型ロボットの絶対位
置決め精度を測定した。その結果、6自由度多関節型ロ
ボットの絶対位置決め精度は1m四方程度の空間内でほ
ぼ±0.7mm以内であることが判明した。
Further, the absolute positioning accuracy of the 6-DOF articulated robot was measured. As a result, it was found that the absolute positioning accuracy of the six-degree-of-freedom articulated robot was within approximately ± 0.7 mm in a space of about 1 m square.

【0128】このように、本発明によれば、ロボットの
運動性能を評価するシステムとして、超音波パルスの伝
播時間計測を応用した簡便な3次元位置・姿勢計測装置
及びその計測方法を提供することができた。
As described above, according to the present invention, as a system for evaluating the motion performance of a robot, a simple three-dimensional position / posture measuring apparatus to which the measurement of the propagation time of an ultrasonic pulse is applied and a measuring method thereof are provided. Was completed.

【0129】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
The present invention is not limited to the above embodiments, but various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

【0130】[0130]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.

【0131】(1)超音波素子が安価であり、距離を用
いた三角測量を行うので精度が出やすい、つまり3次元
座標の計測精度は距離計測精度により決定されるので、
測定空間の大小にかかわらず高い精度を得ることが容易
であり、ロボットの運動性能の評価に最適である。
(1) Since the ultrasonic element is inexpensive and triangulation using distance is performed, accuracy is easy to obtain. In other words, the measurement accuracy of three-dimensional coordinates is determined by the distance measurement accuracy.
It is easy to obtain high accuracy regardless of the size of the measurement space, and is most suitable for evaluating the motion performance of a robot.

【0132】(2)電気火花を発信器とし、ゼロクロス
点検出及びリアルタイム音速補正を行う超音波パルスの
伝播時間計測を行うようにしたので、信号処理が容易で
あり、測定時間が短く、しかも反射波の影響も受け難く
なり、計測精度を高めることができる。因みに、測定誤
差の平均値は1mの測定範囲で±0.1mm以内、2m
の測定範囲で±0.3mm以内、測定誤差の標準偏差は
1mの測定範囲で0.1mm以下、2mの測定範囲で
0.2mm以下であった。
(2) Since the propagation time of the ultrasonic pulse for detecting the zero-cross point and correcting the real-time sound velocity is measured by using the electric spark as the transmitter, the signal processing is easy, the measurement time is short, and the reflection time is short. It is also less affected by waves, and measurement accuracy can be improved. Incidentally, the average value of the measurement error is within ± 0.1 mm within a measurement range of 1 m and 2 m.
Was within ± 0.3 mm in the measurement range, and the standard deviation of the measurement error was 0.1 mm or less in the measurement range of 1 m and 0.2 mm or less in the measurement range of 2 m.

【0133】(3)指向性の鋭い受波器を用いて、常に
受波面が発信器に対して正面を向くように、俯仰角、旋
回角を制御するので、高い精度で座標が測定できる空間
を広くとることができる。
(3) The elevation angle and the turning angle are controlled by using a receiver having sharp directivity so that the reception surface always faces the transmitter, so that a space where coordinates can be measured with high accuracy is provided. Can be widely taken.

【0134】()3個の発信器と4個の受波器を用い
たロボットの3次元位置・姿勢計測原理を提案し、それ
に基づき計測システムを構築した。この計測システムに
よれば、測定空間内における音速をリアルタイムに正確
に補正することができる。
( 4 ) A three-dimensional position / posture measurement principle of a robot using three transmitters and four receivers was proposed, and a measurement system was constructed based on the principle. According to this measurement system, the speed of sound in the measurement space can be accurately corrected in real time.

【0135】()また、精度1μmのNC工作機械を
校正基準とし、この計測システムの3次元座標計測精度
を検証した。その結果、この計測システムがxyzが9
00×400×400mm程度の比較的広い空間内の3
次元座標をxyz各座標とも誤差±0.3mm以下、標
準偏差0.2mm以内で計測できることが確認できた。
( 5 ) The accuracy of the three-dimensional coordinate measurement of this measurement system was verified using an NC machine tool having an accuracy of 1 μm as a calibration standard. As a result, xyz is 9
3 in a relatively large space of about 00 × 400 × 400 mm
It was confirmed that the dimensional coordinates could be measured with an error of ± 0.3 mm or less and a standard deviation of 0.2 mm or less for each xyz coordinate.

【0136】()更に、6自由度多関節型ロボットの
絶対位置決め精度を測定した。その結果、6自由度多関
節型ロボットの絶対位置決め精度は1m四方程度の空間
内でほぼ±0.7mm以内であることが判明した。
( 6 ) Further, the absolute positioning accuracy of the articulated robot having six degrees of freedom was measured. As a result, it was found that the absolute positioning accuracy of the six-degree-of-freedom articulated robot was within approximately ± 0.7 mm in a space of about 1 m square.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの原理図である。
FIG. 1 is a principle diagram of a measurement system using an ultrasonic pulse showing a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの発信器の一部分解斜視図である。
FIG. 2 is a partially exploded perspective view of a transmitter of the measurement system using ultrasonic pulses, showing the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの発信器の電気回路図である。
FIG. 3 is an electric circuit diagram of a transmitter of a measurement system using ultrasonic pulses according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの受波器の斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view of a receiver of the measurement system using ultrasonic pulses, showing the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの発信器から送信される電気的スパーク
放電の受信されたパルス波形図である。
FIG. 5 is a diagram showing a received pulse waveform of an electric spark discharge transmitted from a transmitter of the measurement system using ultrasonic pulses according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第1実施例の距離計の効果を説明する
図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating the effect of the distance meter according to the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第1実施例を示すロボットの3次元位
置・姿勢計測原理の説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a three-dimensional position / posture measurement principle of the robot showing the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第1実施例を示す超音波によるロボッ
トの3次元位置・姿勢計測システムの概要全体構成図で
ある。
FIG. 8 is a schematic overall configuration diagram of a robot three-dimensional position / posture measurement system using ultrasonic waves, showing a first embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第1実施例を示す受波器同士の間の距
離の測定方法の説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a method for measuring a distance between receivers according to the first embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第1実施例の効果確認の説明図であ
る。
FIG. 10 is an explanatory diagram for confirming the effect of the first embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第1実施例の効果確認による角度測
定の結果を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a result of angle measurement by confirming the effect of the first embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第1実施例の効果確認による位置測
定の結果を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a result of position measurement by confirming the effect of the first embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第2実施例を示す超音波パルスを用
いた計測システムの原理図である。
FIG. 13 is a principle diagram of a measurement system using ultrasonic pulses according to a second embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第2実施例を示すロボットの3次元
位置・姿勢計測原理の説明図である。
FIG. 14 is an explanatory diagram of a three-dimensional position / posture measurement principle of a robot according to a second embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第2実施例を示すロボットの3次元
位置・姿勢計測システムのブロック図である。
FIG. 15 is a block diagram of a robot three-dimensional position / posture measurement system showing a second embodiment of the present invention.

【図16】本発明の第2実施例を示す受波器同士の間の
距離の測定方法の説明図である。
FIG. 16 is an explanatory diagram of a method of measuring a distance between receivers according to a second embodiment of the present invention.

【図17】本発明の第2実施例を示す効果確認のための
発信器及び受波器の配置を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing an arrangement of a transmitter and a receiver for confirming the effect of the second embodiment of the present invention.

【図18】本発明の第2実施例を示すNC座標計測の効
果確認の説明図である。
FIG. 18 is an explanatory diagram illustrating an effect check of the NC coordinate measurement according to the second embodiment of the present invention.

【図19】本発明の第2実施例を示す絶対位置決め精度
の計測を行う対象である6自由度多関節型ロボットの斜
視図である。
FIG. 19 is a perspective view of a six-degree-of-freedom articulated robot to which the measurement of absolute positioning accuracy is performed according to a second embodiment of the present invention.

【図20】本発明の第2実施例を示す効果確認ための発
信器及び受波器の配置を示す図である。
FIG. 20 is a diagram showing an arrangement of a transmitter and a receiver for confirming the effect of the second embodiment of the present invention.

【図21】本発明の第2実施例を示す6自由度多関節型
ロボットの絶対位置決め精度測定の効果確認の説明図で
ある。
FIG. 21 is an explanatory diagram for confirming the effect of measuring the absolute positioning accuracy of a six-degree-of-freedom articulated robot according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,45 ロボット 2,46 ハンド 10,T1 ,T2 ,T3 ,60 超音波発信器 R1 ,R2 ,R3 ,R4 ,64 受波器 11 スタンド 11a 支持部 12 V溝 13 放電針 14 ホルダ 15 螺子 21 電源 22 コンデンサ 23 FET 24 イグニッションコイル 25 ギャップ 31 コンデンサマイクロホン 33,35 支持軸 34 支持板 41 発信時間検出回路 42 A/Dコンバータ 43 音速モニタリングユニット 44,50,70 演算処理装置 52 高精度タイマ 53 電気火花タイミング制御ボード 54 音速計算ボード 55 4チャンネル到達時間計測ボード 56,74 パラレルインターフェース及びインター
ラプト 51,71 拡張ユニット 58 電気火花用電源 59 イグニッション回路 57 発信時間検出器 61,63 プリアンプ 62 音速モニタリングユニット 72 カウンタ 73 D/Aコンバータ 75 モータ信号分配回路 76 モータ駆動回路 77 DCサーボモータ
1,45 robot 2,46 hand 10, T 1, T 2, T 3, 60 ultrasonic transmitter R 1, R 2, R 3 , R 4, 64 receivers 11 stand 11a supporting section 12 V grooves 13 discharge Needle 14 Holder 15 Screw 21 Power supply 22 Capacitor 23 FET 24 Ignition coil 25 Gap 31 Capacitor microphone 33, 35 Support shaft 34 Support plate 41 Transmission time detection circuit 42 A / D converter 43 Sound speed monitoring unit 44, 50, 70 Processing unit 52 High-precision timer 53 Electric spark timing control board 54 Sound velocity calculation board 55 4-channel arrival time measurement board 56, 74 Parallel interface and interrupt 51, 71 Expansion unit 58 Electric spark power supply 59 Ignition circuit 57 Transmission time detector 61, 63 Amplifier 62 sound speed monitoring unit 72 Counter 73 D / A converter 75 motor signal distribution circuit 76 a motor drive circuit 77 DC servomotors

フロントページの続き 特許法第30条第1項適用申請有り 「超音波を用いたロ ボットの位置・姿勢精度計測システムの開発」、青柳誠 司、岡部佐規一、佐々木健、高野政晴、神谷好承、ロボ ティクス・メカトロニクス講演会’92ROBOMEC’ 92講演論文集(Vol.B)第461頁〜第466頁、1992年 6月15日 (56)参考文献 特開 昭60−242381(JP,A) 特開 昭62−282882(JP,A) 特開 平2−183103(JP,A) 特開 昭64−6719(JP,A) 特開 平2−145906(JP,A) 特開 昭62−261913(JP,A) 特開 昭60−102580(JP,A) 特開 昭60−12581(JP,A) 特開 昭59−142486(JP,A) 特開 昭54−115266(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 17/00 - 17/08 G05D 3/00 - 3/20 Continuing from the front page Application for Patent Law Article 30 (1) application "Development of a robot position / posture accuracy measurement system using ultrasonic waves", Seiji Aoyagi, Sakiichi Okabe, Ken Sasaki, Masaharu Takano, Kamiya Favorable, Robotics and Mechatronics Conference '92 ROBOMEC '92 Proceedings (Vol.B), pp. 461-466, June 15, 1992 (56) References JP-A-60-242381 (JP, A) JP-A-62-282882 (JP, A) JP-A-2-183103 (JP, A) JP-A-64-6719 (JP, A) JP-A-2-145906 (JP, A) JP-A 62-282906 261913 (JP, A) JP-A-60-102580 (JP, A) JP-A-60-12581 (JP, A) JP-A-59-142486 (JP, A) JP-A-54-115266 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 17/00-17/08 G05D 3/00-3/20

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 超音波によるロボットの3次元位置・姿
勢計測装置において、 (a)ロボットのハンドに取り付けられる3個の電気火
花を用いた超音波パルスを発生する超音波発信器と、 (b)該超音波発信器からの超音波パルスを受ける所定
位置に固定される4個の受波器と、 (c)超音波パルスの伝播時間測定により、前記超音波
発信器のX,Y,Z座標ならびに測定空間における音速
の4変数を計算し、距離を用いた三角測量により、ロボ
ットの3次元位置・姿勢計測を行う計測手段を具備する
ことを特徴とする超音波によるロボットの3次元位置・
姿勢計測装置。
1. An apparatus for measuring a three-dimensional position and orientation of a robot using ultrasonic waves, comprising: (a) an ultrasonic transmitter for generating ultrasonic pulses using three electric sparks attached to a hand of the robot; ) Four receivers fixed at predetermined positions for receiving ultrasonic pulses from the ultrasonic transmitter; and (c) X, Y, Z of the ultrasonic transmitter by measuring the propagation time of the ultrasonic pulse. The robot is equipped with measuring means for calculating four variables of coordinates and sound velocity in a measurement space, and measuring the three-dimensional position and posture of the robot by triangulation using a distance.
Attitude measurement device.
【請求項2】 前記受波器はコンデンサマイクロホンで
ある請求項記載の超音波によるロボットの3次元位置
・姿勢計測装置。
Wherein said receivers are three-dimensional position and orientation measurement apparatus of a robot by ultrasound according to claim 1, wherein the condenser microphone.
【請求項3】 前記受波器の俯仰角及び旋回角の調整装
置を具備する請求項又は記載の超音波によるロボッ
トの3次元位置・姿勢計測装置。
3. A three-dimensional position and orientation measurement apparatus of a robot by ultrasound according to claim 1 or 2 wherein comprises an adjusting device for elevation angle and the turning angle of the receivers.
【請求項4】 前記超音波発信器からの電気火花を発生
させる電気火花タイミング制御ボードと、前記発信器か
らの発信時間を読み込むとともに、前記受波器からの受
信信号に基づき超音波パルスの到達時間を求める4チャ
ンネル到達時間計測ボードと、これらに接続される演算
処理装置を具備する請求項記載の超音波によるロボッ
トの3次元位置・姿勢計測装置。
4. An electric spark timing control board for generating an electric spark from the ultrasonic transmitter, reading a transmission time from the transmitter, and arriving at an ultrasonic pulse based on a signal received from the receiver. and 4-channel arrival time measurement board seeking time, three-dimensional position and orientation measurement apparatus of a robot by ultrasound according to claim 1, further comprising a processing unit connected to these.
【請求項5】 前記演算処理装置に接続される音速モニ
タリングユニットを具備する請求項記載の超音波によ
るロボットの3次元位置・姿勢計測装置。
5. The three-dimensional position / posture measuring apparatus for a robot using ultrasonic waves according to claim 4 , further comprising a sound velocity monitoring unit connected to the arithmetic processing unit.
【請求項6】 超音波によるロボットの3次元位置・姿
勢計測方法において、 (a)ロボットのハンドに3個の電気火花を用いた超音
波パルスを発する超音波発信器を設置し、 (b)該超音波発信器からの超音波パルスを所定位置に
固定される4個の受波器で受信し、 (c)前記超音波パルスの伝播時間を測定し、前記超音
波発信器のX,Y,Z座標ならびに測定空間における音
速の4変数を計算し、距離を用いた三角測量により、ロ
ボットの3次元位置・姿勢計測を行うことを特徴とする
超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計測方法。
6. A method for measuring a three-dimensional position / posture of a robot using ultrasonic waves, comprising: (a) installing an ultrasonic transmitter for generating ultrasonic pulses using three electric sparks in a robot hand; (b) The ultrasonic pulse from the ultrasonic transmitter is received by four receivers fixed at a predetermined position. (C) The propagation time of the ultrasonic pulse is measured, and the X and Y of the ultrasonic transmitter are measured. , Z coordinate, and three variables of sound velocity in the measurement space, and three-dimensional position / posture measurement of the robot by triangulation using distance. .
【請求項7】 前記超音波発信器の発信時間を検出する
とともに、前記受波器は電気火花によるパルス波の振幅
が閾値を越えた後の第1のゼロクロス点を検出し、これ
に基づいて超音波パルスの伝播時間を測定することを特
徴とする請求項記載の超音波によるロボットの3次元
位置・姿勢計測方法。
7. While detecting the transmission time of the ultrasonic transmitter, the receiver detects a first zero-cross point after the amplitude of the pulse wave due to the electric spark exceeds a threshold, and based on this, 7. The method for measuring a three-dimensional position / posture of a robot using an ultrasonic wave according to claim 6, wherein a propagation time of the ultrasonic pulse is measured.
【請求項8】 測定空間内における音速を、前記超音波
発信器から前記4個の受波器への超音波パルスの伝播時
間より推定計算することにより、音速モニタリングユニ
ットを用いずに音速の補正を行うことを特徴とする請求
記載の超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計
測方法。
8. The sound velocity in the measurement space is estimated and calculated from the propagation times of ultrasonic pulses from the ultrasonic transmitter to the four receivers, thereby correcting the sound velocity without using a sound velocity monitoring unit. 7. The method of measuring a three-dimensional position / posture of a robot using ultrasonic waves according to claim 6, wherein:
【請求項9】 前記受波器を用いて、該受波器間の距離
を計測し、初期座標系を校正することを特徴とする請求
記載の超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計
測方法。
9. The three-dimensional position / posture of an ultrasonic robot according to claim 6, wherein a distance between the receivers is measured using the receiver, and an initial coordinate system is calibrated. Measurement method.
【請求項10】 前記初期座標系の校正において、音速
モニタリングユニットを用いることを特徴とする請求項
記載の超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計測
方法。
10. The sound velocity monitoring unit is used in the calibration of the initial coordinate system.
9. The method for measuring a three-dimensional position / posture of a robot using ultrasonic waves according to 9 .
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