CN107643064A - 机器人的原点位置校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人的原点位置校准装置，能够简单地实施六轴以上机器人的原点位置校准。该机器人的原点位置校准装置包括：轴位置记录部(14)，在机器人的多个姿势中，在使配置于机器人的凸缘坐标系的指定坐标的第二对位点与配置于机器人的基座坐标系的指定坐标的第一对位点一致时，记录各姿势中的机器人各轴的位置数据；以及位置偏移计算部(15)，根据轴位置记录部(14)中存储的多组位置数据，计算机器人各轴的原点位置从真正的原点位置偏移的偏移量。

Description

机器人的原点位置校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种机器人的原点位置校准装置及方法。

背景技术

以往，已知一种机器人的原点位置校准装置(例如，参照专利文献1)。作业者一边观察显示校准工具之间间隔的多个千分表，一边手动进给来进行对位，从而使安装于机器人的手腕凸缘的校准工具与安装于机器人基座的校准工具之间形成指定的位置关系，并通过将其位置替换为机器人各轴的指定位置来进行原点位置的校准。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-134683号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，在专利文献1的方法中存在如下问题：难以通过手动同时进行六个轴的原点位置的校准作业，并且需要较高的熟练度。

本发明是鉴于上述问题而完成的，目的在于提供一种机器人的原点位置校准装置及方法，能够简单且容易地实施六个轴以上的原点位置校准。

解决问题的手段

为了达到上述目的，本发明提供以下方案。

本发明的一方面提供一种机器人的原点位置校准装置，包括：轴位置记录部，在机器人的多个姿势中，在使配置于所述机器人的凸缘坐标系的指定坐标的第二对位点与配置于所述机器人的基座坐标系的指定坐标的第一对位点一致时，记录各所述姿势中所述机器人各轴的位置数据；以及位置偏移计算部，根据所述轴位置记录部存储的多组所述位置数据，计算所述机器人各轴的原点位置从真正的原点位置偏移的偏移量。

根据本方面，在机器人的多个姿势中，使配置于机器人的凸缘坐标系的指定坐标的第二对位点与配置于机器人的基座坐标系的指定坐标的第一对位点一致，通过在各姿势中记录机器人各轴的位置数据，从而能够在轴位置记录部中获取多组机器人各轴的位置数据。由于在一个姿势中能够获取三维的位置数据，因此如果是六轴机器人，能够基于两个以上的姿势获取用于计算机器人各轴的原点位置从真正的原点位置偏移的偏移量所需要的位置数据，如果是七轴机器人，则能够基于三个以上的姿势获取用于计算机器人各轴的原点位置从真正的原点位置偏移的偏移量所需要的位置数据。

并且，根据这样获取的位置数据，能够利用位置偏移计算部计算机器人各轴的原点位置从真正的原点位置偏移的偏移量，因此机器人各轴的原点位置只需要对计算出的偏移量进行校正，即可进行原点位置的校准。

即，根据本方面，不需要手动操作机器人以使6个千分表的读数同时控制在指定范围内，因而能够简便地实施六轴以上机器人的原点位置校准。

在上述方面中，也可以为：所述机器人是七轴机器人，在3个以上的姿势中，所述轴位置记录部记录使所述第一对位点与所述第二对位点一致时的所述机器人各轴的所述位置数据。

通过这样，在使机器人的姿势不同的情况下，实施三次使第一对位点与第二对位点一致这样的对位作业，从而能够进行七轴机器人的原点位置校准。

另外，在上述方面中，还可以包括：第一校准工具，其被固定于所述机器人的基座，提供所述第一对位点；以及第二校准工具，其被固定于所述机器人的手腕凸缘，提供所述第二对位点。

由此，通过在机器人的基座上安装第一校准工具，从而在基座坐标系的指定位置提供第一对位点，同时，通过在机器人的手腕凸缘安装第二校准工具，从而在凸缘坐标系的指定位置提供第二对位点。通过这样，能够设定机器人的姿势以使第二对位点与第一对位点一致。

另外，在上述方面中，也可以为：所述第一校准工具具有配置于所述第一对位点的第一尖端，所述第二校准工具具有配置于所述第二对位点的第二尖端。

通过这样，手动操作机器人，根据目视使固定于手腕凸缘的第二校准工具的第二尖端与固定于基座的第一校准工具的第一尖端一致，从而能够容易地使第一对位点与第二对位点一致。

另外，在上述方面中，也可以为：所述第一校准工具具有能够通过三维测量装置测量的三个部位的测量目标，所述第二校准工具具有能够通过三维测量装置测量的一个部位的测量目标。

通过这样，利用三维测量装置对安装于基座的第一校准工具所具有的三个测量目标进行测量，从而能够在空间上对固定于基座的第一对位点进行设定。然后，使安装于手腕凸缘的第二校准工具所具有的一个部位的测量目标与在空间上设定的第一对位点一致，从而能够进行第一对位点与第二对位点的对位。

即，一边通过三维测量装置确认第二校准工具的测量目标的位置、一边使第二校准工具的测量目标与在空间上设定的第一对位点一致的作业，不仅能够通过手动进行，还能够自动进行。通过自动进行对位作业，不仅能够降低因作业者的个人差异而引起的校准精度的偏差，还能够减轻作业者的负担。

另外，在上述方面中，也可以为，所述第二校准工具具有摄像机，所述第一校准工具具有能够通过所述摄像机进行计测的几何特征。

通过这样，利用安装于手腕凸缘的摄像机拍摄安装于基座的第一校准工具所具备的几何特征并进行识别，从而能够高精度地识别摄像机与几何特征的相对位置关系、即固定于基座的第一对位点与固定于手腕凸缘的第二对位点的相对位置关系，并使第一对位点与第二对位点一致。

即，一边由摄像机识别第一校准工具的几何特征一边使在空间上设定的第一对位点与第二对位点一致的作业，不仅能够通过手动进行，还能够自动进行。因此，通过自动进行对位作业，能够降低因作业者的个人差异所引起的校准精度的偏差，还能够减轻作业者的负担。

另外，本发明的其它方面提供一种机器人的原点位置校准方法，其包括以下步骤：对位步骤，在机器人的多个姿势中，使配置于所述机器人的凸缘坐标系的指定坐标的第二对位点与配置于该机器人的基座坐标系的指定坐标的第一对位点一致；轴位置记录步骤，在各所述姿势中，在通过该对位步骤使所述第一对位点与所述第二对位点一致时，记录所述机器人各轴的位置数据；以及位置偏移计算步骤，根据由该轴位置记录步骤存储的多组所述位置数据，计算所述机器人各轴的原点位置从真正的原点位置偏移的偏移量。

在上述方面中，也可以为，所述机器人是七轴机器人，在三个以上的姿势中，所述轴位置记录步骤中记录使所述第一对位点与所述第二对位点一致时的所述机器人各轴的所述位置数据。

发明的效果

根据本发明，能够实现简单且容易地实施六轴以上机器人的原点位置校准的效果。

附图说明

图1是表示具备本发明的一个实施方式所涉及的机器人的原点位置校准装置的机器人系统的整体结构图。

图2是表示图1的原点位置校准装置的运算部的框图。

图3是说明使用了图1的原点位置校准装置的本发明的一个实施方式所涉及的原点位置校准方法的流程图。

图4是说明利用以往的原点位置校准方法进行的一轴机器人的原点位置校准作业的图。

图5是说明利用以往的原点位置校准方法进行的六轴机器人的原点位置校准作业的图。

图6是表示图1的原点位置校准装置的第一变形例的立体图。

图7是表示图1的原点位置校准装置的第二变形例的立体图。

图8是表示图7的原点位置校准装置中的用于校准摄像机的校准工具的一例的立体图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的机器人2的原点位置校准装置1和方法进行说明。

本实施方式所涉及的机器人2的原点位置校准装置1用于校准七轴机器人的原点位置，该原点校准装置1设置在图1所示的机器人系统100中，包括：第一校准工具4，其固定于机器人2的基座3上；第二校准工具6，其固定于手腕凸缘5上；以及运算部8，其设置在与机器人2连接的控制装置7中。在图中，附图标记9是操作者手动操作机器人2时使用的教学操作面板。

在图1所示的例子中，第一校准工具4具有：带板状的托架部10，其一端固定于机器人2的基座3上；以及圆棒状的轴部11，其从该托架部10的另一端附近垂直向上方立起，且上端具有尖锐的第一尖端11a。同时，第二校准工具6具有：带板状的托架部12，其一端固定于机器人2的手腕凸缘5上；以及圆棒状的轴部13，其在该托架部12的另一端向托架部12的厚度方向中与手腕凸缘5相反侧的方向延伸，且前端具有尖锐的第二尖端13a。

如图1所示，将第一校准工具4和第二校准工具6的托架部10、12以及轴部11、13的尺寸设定为能够将第一尖端11a和第二尖端13a配置到一致的位置处的尺寸。第一校准工具4形成为：通过将托架部10固定于机器人2的基座3，轴部11的第一尖端11a提供配置于基座坐标系中指定坐标处的第一对位点。并且，第二校准工具6形成为：通过将托架部12固定于机器人2的手腕凸缘5上，轴部13的第二尖端13a提供配置于凸缘坐标系中指定坐标处的第二对位点。

只要具备能够配置在相互一致的位置处的第一尖端11a和第二尖端13a，则第一校准工具4和第二校准工具6的形状可以是任意的。

如图2所示，运算部8具有：记录部(轴位置记录部)14，其存储由机器人2各轴的马达所具备的编码器(省略图示)检测出的各轴的位置数据；位置偏移计算部15，其根据该记录部14中记录的位置数据，计算机器人2各轴的原点位置从真正的原点位置偏移的偏移量；以及校正部16，其根据由该位置偏移计算部15计算的偏移量，校正机器人2各轴的位置数据。

操作者手动操作教学操作面板9来使机器人2动作，例如，如图1所示，当机器人2被设定为第一姿势，即第一校准工具4的第一尖端11a与第二校准工具6的第二尖端13a一致的状态下，通过在教学操作面板9中输入记录指令，使记录部14对该时刻由编码器检测出的第一组各轴的位置数据进行记录。

接着，操作者手动操作教学操作面板9来改变机器人2的姿势，在保持与第一姿势不同的第二姿势的状态下，使第一尖端11a与第二尖端13a一致，通过在教学操作面板9中输入记录指令，从而使记录部14对在该时刻由编码器检测出的第二组各轴的位置数据进行记录。

同样地，操作者在保持与第一姿势及第二姿势不同的第三姿势的状态下，使第一尖端11a与第二尖端13a一致，通过在教学操作面板9中输入记录指令，从而使记录部14对该时刻由编码器检测出的第三组各轴的位置数据进行记录。

在三个不同的姿势中，记录部14在对三组位置数据进行记录同时，将记录的三组位置数据发送至位置偏移计算部15。位置偏移计算部15计算偏移量的方法如下。

即，将基座坐标系的第一对位点的坐标设为(Xt，Yt，Zt)，凸缘坐标系中的第二对位点的坐标设为(Xp，Yp，Zp)。

另外，将临时设定的机器人2各轴的原点位置与真正的原点位置之间的偏移量设为Δθ＝(Δθ1，Δθ2，Δθ3，Δθ4，Δθ5，Δθ6，Δθ7)。

依次变换检测出的机器人2各轴的位置数据，并在该位置数据的基础上加上第二校准工具6的第二对位点的坐标(Xp，Yp，Zp)变换的量，通过这样，计算出将机器人2配置为图1所示的第一姿势中的从基座坐标系观察得到的第二对位点的坐标(X2，Y2，Z2)。

此时，虽然理想的是(X2，Y2，Z2)与(Xt，Yt，Zt)相等，但在实际上却并不相等，在机器人的不同姿势中，进行了m次对位时的差分如公式(1)所示。

(i＝1～m，第i次的X2，Y2，Z2为X2i，Y2i，Z2i。)

由于差分ei为上述偏移量Δθ的函数，因此公式(2)的关系成立。

在公式(2)中，偏移量Δθ为未知数，存在7个，且在每个机器人姿势中存在3个差分ei，因此根据在3个姿势中获取的位置数据能够求出偏移量Δθ。通过使用例如牛顿法、神经网络等公知的方法来计算差分ei为最小的偏移量Δθ，从而求出偏移量Δθ。

校正部16，例如，从记录了第三组位置数据时的机器人2各轴的位置数据中减去偏移量Δθ，从而计算出新的位置数据。机器人2的控制装置7通过将机器人2各轴的位置数据改写为由校正部16计算出的新的位置数据，从而对原点位置进行校准。

下面对使用了像这样构成的本实施方式所涉及的机器人2的原点位置校准装置1的原点位置校准方法进行说明。

如图3所示，本实施方式所涉及的机器人2的原点位置校准方法，临时设定粗略的原点位置(步骤S1)，并将次数n初始化(步骤S2)。

接着，手动操作教学操作面板9来使机器人2移动为第n姿势，在该第n姿势中，使固定于手腕凸缘5的第二校准工具6的第二尖端13a与固定于基座3的第一校准工具4的第一尖端11a一致(对位步骤S3)。

在该第n姿势中，将通过机器人2各轴的编码器检测出的位置数据记录到记录部14中(轴位置记录步骤S4)。

判断次数n是否与预先设定的m次(在上述中，m＝3)一致(步骤S5)，在不一致时，增加次数n(步骤S6)，并重复进行从步骤S3起的工序。

在步骤S5中，当次数n为n＝m时，由位置偏移计算部15计算临时设定的当前原点位置与真正的原点位置之间的偏移量Δθ(位置偏移计算步骤S7)，并通过校正部16对原点位置进行校正(步骤S8)。

这样，根据本实施方式所涉及的机器人2的原点位置校准装置1和方法，具有以下优点：不需要如以往那样，通过手动操作来使机器人2采取将六个轴的千分表的读数同时控制在指定范围的姿势，因此操作较为简单。另外，在以往，如果是七轴机器人，则需要分开成1个轴和6个轴来实施两种原点位置校准作业，但根据本实施方式的原点位置校准装置1和方法，只需要进行三次同样的原点位置校准作业即可，因此操作变得更为简单。

同时，在以往针对七轴机器人的原点位置校准方法中，需要对相对于基座3绕垂直轴线转动的第一轴和除此以外的其他6个轴分别进行原点位置校准。但是，如图4和图5所示，当七轴机器人由第二轴A、第三轴B以及第四轴C构成，且第二轴A、第三轴B以及第四轴C具有相互平行的水平方向的轴线的情况下，则需要一边安装和拆卸各自的校准工具，一边实施第三轴B这1个轴的原点位置校准作业以及除此以外的6个轴的A轴、C轴的原点位置校准作业。与此相对，根据本实施方式，还存在以下优点：一种原点位置校准作业使用一种校准工具，因而能够减少校准工具的种类，同时由于能够使用结构非常简单的校准工具，因此成本也较低。

此外，在本实施方式中，作为用于提供固定于基座坐标系中的第一对位点和固定于凸缘坐标系中的第二对位点的第一校准工具和第二校准工具，例示了在第一对位点处具有第一尖端11a的第一校准工具4和在第二对位点处具有第二尖端13a的第二校准工具6。但是，作为替换，也可以采用下面的第一校准工具17和第二校准工具18。

第一，如图6所示，也可以为，将配置于机器人2外部的三维测量装置19作为前提，作为第一校准工具17，采用具有由三维测量装置19测量的三个部位的测量目标P1、P2、P3的校准工具，作为第二校准工具18，采用具有由三维测量装置19测量的一个部位的测量目标P4的校准工具。

即，通过三维测量装置19测量第一校准工具17所具有的三个部位的测量目标P1、P2、P3，从而提供在空间上固定于基座坐标系中的第一对位点。并且，第二校准工具18所具有的一个部位的测量目标P4提供第二对位点。

通过这样，只需要一边利用三维测量装置19进行检测，一边使机器人2动作，就能够使第二校准工具18所具有的测量目标P4与由第一校准工具17提供的空间上的第一对位点一致。并且，既可以如上述那样通过操作者操作教学操作面板9来手动进行机器人2的移动，也可以根据三维测量装置19测量出的信息，通过机器人2的控制装置7来自动进行机器人2的移动。

利用机器人2的控制装置7来自动地实现用于原点位置校准的机器人2的姿势，具有降低因作业者的个人差异而导致的校准精度的偏差、减轻作业者负担的优点。

第二，如图7所示，也可以为，第二校准工具21采用具备摄像机22的校准工具，第一校准工具20采用具有能够由摄像机22测量的几何特征O的校准工具。

即，通过识别由摄像机22获取到的第一校准工具20的图像内存在的几何特征O，检测摄像机22与第一校准工具20的相对位置关系，也就是说，能够检测出第一校准工具20与第二校准工具21的相对位置关系。

因此，机器人2的控制装置7基于摄像机22获取到的信息使机器人2动作，从而使第一校准工具20与第二校准工具21形成指定的相对位置关系，通过这样，能够自动地实现用于原点位置校准的机器人2的姿势。

此外，例如图8所示，在利用摄像机22进行原点位置校准时，也可以使用能够对实际中的第一校准工具20与第二校准工具21的位置关系进行模拟的摄像机校准工具23来预先校准由摄像机22的图像识别到的第一校准工具20的几何特征O并进行存储。

在图8所示的例子中，摄像机校准工具23构成为柱状，且在其下部具有与第一校准工具20同等的几何特征O，通过在上端临时固定第二校准工具21，从而将第二校准工具21的摄像机22定位于相对几何特征O隔开规定间隔的位置上。

另外，在本实施方式中，虽然例示了七轴机器人进行说明，但是也可以替代七轴机器人而将其应用到六轴机器人和八轴以上的机器人中。

在六轴机器人的情况下，最少在2个姿势中记录各轴的位置数据即可，在七轴机器人的情况下，最少在3个姿势中记录各轴的位置数据即可，但如果能根据2个或3个以上的姿势记录各轴的位置数据，则能够实现减小不准确性的效果、即原点校准的误差会降低。

另外，在上述实施方式中，作为七轴机器人中的未知数，例示了七个轴的偏移量Δθ，但还可以根据图1的X方向和Z方向考虑机器人2受到的重力的影响，采用式(3)的偏移量Δθ来解开式(2)的函数。

根据式(3)，能够求出与实际的Xt、Zt、Xp、Zp相应的偏移量Δθ。在该情况下，由于未知数为11个，因此只要在4个以上的姿势中对机器人2进行对位即可。

附图标记说明

1：原点位置校准装置

2：机器人

3：基座

4、17、20：第一校准工具

5：手腕凸缘

6、18、21：第二校准工具

11a：第一尖端

13a：第二尖端

14：记录部(轴位置记录部)

15：位置偏移计算部

22：摄像机

O：几何特征

P1、P2、P3、P4：测量目标

S3：对位步骤

S4：轴位置记录步骤

S7：位置偏移计算步骤

Claims (8)

1.一种机器人的原点位置校准装置，包括：

轴位置记录部，在机器人的多个姿势中，在使配置于所述机器人的凸缘坐标系的指定坐标的第二对位点与配置于所述机器人的基座坐标系的指定坐标的第一对位点一致时，记录各所述姿势中的所述机器人各轴的位置数据；以及

位置偏移计算部，根据所述轴位置记录部存储的多组所述位置数据，计算所述机器人各轴的原点位置从真正的原点位置偏移的偏移量。

2.根据权利要求1所述的机器人的原点位置校准装置，其特征在于，

所述机器人是七轴机器人，

在3个以上的姿势中，所述轴位置记录部记录使所述第一对位点与所述第二对位点一致时的所述机器人各轴的所述位置数据。

3.根据权利要求1或2所述的机器人的原点位置校准装置，其特征在于，包括：

第一校准工具，固定于所述机器人的基座，提供所述第一对位点；以及

第二校准工具，固定于所述机器人的手腕凸缘，提供所述第二对位点。

4.根据权利要求3所述的机器人的原点位置校准装置，其特征在于，

所述第一校准工具具有配置于所述第一对位点的第一尖端，

所述第二校准工具具有配置于所述第二对位点的第二尖端。

5.根据权利要求3所述的机器人的原点位置校准装置，其特征在于，

所述第一校准工具具有能够通过三维测量装置进行测量的三个部位的测量目标，

所述第二校准工具具有能够通过三维测量装置进行测量的一个部位的测量目标。

6.根据权利要求3所述的机器人的原点位置校准装置，其特征在于，

所述第二校准工具具有摄像机，

所述第一校准工具具有能够通过所述摄像机进行计测的几何特征。

7.一种机器人的原点位置校准方法，包括以下步骤：

对位步骤，在机器人的多个姿势中，使配置于所述机器人的凸缘坐标系的指定坐标的第二对位点与配置于该机器人的基座坐标系的指定坐标的第一对位点一致；

轴位置记录步骤，在各所述姿势中，在通过所述对位步骤使所述第一对位点与所述第二对位点一致时，记录所述机器人各轴的位置数据；以及

位置偏移计算步骤，根据由所述轴位置记录步骤存储的多组所述位置数据，计算所述机器人各轴的原点位置从真正的原点位置偏移的偏移量。

8.根据权利要求7所述的机器人的原点位置校准方法，其特征在于，

所述机器人是七轴机器人，

在3个以上的姿势中，所述轴位置记录步骤记录使所述第一对位点与所述第二对位点一致时的所述机器人各轴的所述位置数据。