CN109551518A

CN109551518A - 计测系统

Info

Publication number: CN109551518A
Application number: CN201811107690.5A
Authority: CN
Inventors: 王悦来; 有田创; 有田创一
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: US10611032B2; US20190091867A1; JP2019058968A; DE102018122627A1; JP6622772B2; CN109551518B; DE102018122627B4

Abstract

本发明的计测系统具备：反射器(31a、31b、31c)，其安装于机器人(2)；计测装置，其具有朝向该反射器射出激光并进行接收的激光头(41)；坐标关系获取单元，其通过从激光头(41)朝向在机器人(2)的基部(2a)所设置的基准反射部(2c)射出激光并接收反射光，来获取计测装置坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向；以及头驱动控制单元，其从机器人控制装置接收在机器人(2)的前端部安装的反射器的控制上的坐标数据，利用接收的坐标数据、和计测装置坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向，制作用于改变激光头(41)的朝向的控制指令，对激光头(41)的朝向进行控制。

Description

计测系统

技术领域

本发明涉及计测系统，更具体而言涉及一种使用于机器人的前端部位置的校准的计测系统。

背景技术

近年来，用脱机示教对实际的设置场所中的机器人的作业(机器人的工作)进行设定，从而实现缩短实际的设置场所中的机器人的设定所需的时间。

脱机示教是指，在模拟装置上设定机器人的模型、设置场所中的机器人周围的机器的模型、工件的模型等，并且在模拟装置上制作设置场所中的机器人的动作程序。

对于实际的机器人的前端部的位置而言，因组装误差、重力的影响等，与在模拟装置计算出的机器人的前端部的位置略有不同。该差异根据机器人的尺寸、机器人所处理的工件的重量等而不同，还存在差异为5mm左右的情况。因此，若使用由脱机示教所制作的动作程序本身来使设置场所中的机器人工作，则可能会产生不良情况。

因此，对设置场所中的机器人的前端部的位置和动作程序所预定的位置之差进行测量，并且基于该测量结果对动作程序进行校正(校准)。

作为对计测机器人的前端部位置进行计测的计测系统，已知有如下计测系统：将三个轴(shaft)以纵向轴互相呈直角的方式固定于机器人的前端部，并且在各个轴的两端分别安装反射器，由计测装置对反射器的位置进行计测(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-019072号公报

发明内容

发明所要解决的问题

所述计测系统中所使用的六个反射器形成为球形，将相对于球的中心呈120°的角度范围设定为入射范围。由于这种反射器安装于互相呈直角相交的三个轴的两端，因此即使机器人的前端部处于任何姿态，来自计测装置的激光也会被某一个反射器反射。即，所述计测系统构成为，即使机器人的前端部处于任何姿态，也能够由计测装置对机器人的前端部的位置进行计测。

在此，计测装置基于激光的射出角度和被光接收部接收的反射光的相位等，对安装有反射器的机器人的前端部的位置进行测量。在所述计测系统中，若来自计测装置的激光入射到配置有六个反射器的范围，则计测装置接收反射光，因此计测位置根据被哪个反射器反射而发生改变，从而无法精密地测量机器人的前端部的位置。

另外，根据机器人的姿态不同，实际的机器人的前端部的位置和利用模拟装置计算出的机器人的前端部的位置之间的差异发生变化。因此，为进行准确的校准，需要利用计测装置对几十个或几百个测量位置计测机器人的前端部的位置。在以手动的方式进行机器人的前端部向各个测量位置的移动和计测装置的激光的射出方向的调整的情况下，校准所需的时间会变长。

本发明是鉴于这种问题而提出的，其目的在于，提供一种能够缩短校准所需的时间，并且可进行准确的校准的计测系统。

用于解决问题的方案

为解决上述技术问题，本发明采用如下方案。

本发明的第一方式为，计测系统具备：反射器，其安装于机器人的前端部；以及计测装置，其具有朝向该反射器射出激光并接收来自该反射器的反射光的激光头、和用于改变该激光头的朝向的头驱动装置，利用所述计测装置对所述机器人的前端部的所述反射器的位置进行计测，所述计测系统具备：坐标关系获取单元，其通过从所述激光头朝向在所述机器人的基部设置的基准反射部射出激光，并且接收来自所述基准反射部的反射光，从而获取所述计测装置坐标系相对于机器人坐标系的的位置和方向；以及头驱动控制单元，其从所述机器人的控制装置接收在所述机器人的前端部安装的所述反射器的控制上的坐标数据，利用所接收的所述坐标数据、和所述计测装置的坐标系相对于所述机器人坐标系的所述位置和所述方向，向所述头驱动装置发送用于改变所述激光头的朝向的控制指令。

在此，机器人的坐标系是，在设置机器人时精密设定的坐标系。因此，如上述方式那样，从激光头朝向在机器人的基部设置的基准反射部射出激光，并且接收其反射光而获取计测装置的坐标系相对于机器人的坐标系的位置和方向，能够准确地掌握计测装置的坐标系相对于精密设定的机器人坐标系的位置和方向。即，能够准确地使由计测装置计测的反射器的计测位置坐标与机器人坐标系对应，因此能够进行准确的校准。

另外，当使用从机器人控制装置接收的反射器的控制上的坐标数据来制作用于改变激光头的朝向的控制指令时，能够准确地掌握计测装置的坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向，因此来自通过所述控制指令改变了朝向的激光头的激光能够准确地照射到反射器的入射范围，或者能够照射到接近该入射范围的位置。

在激光照射到接近入射范围的位置的情况下，使激光头进行探索动作，所述探索动作为，例如以画圆的方式对激光的照射位置进行扫描。尤其，在为了更准确地进行针对机器人的前端部的位置的校准，减小了反射器的入射范围的直径的情况下，进行较多探索动作。对此，在上述方式中，能够准确地掌握计测装置的坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向，因此能够缩短进行探索动作所需的时间。

在上述方式中，优选地，所述基准反射部用于在设置所述机器人时设定所述机器人坐标系。

在该方式中，在机器人坐标系的设定中所使用的基准反射部，也可以适用在计测装置的坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向的获取中，因此能够更准确地掌握计测装置的坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向。

发明效果

根据本发明，能够缩短校准所需的时间，并且能够进行准确的校准。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的计测系统的概略俯视图。

图2是利用本实施方式的计测系统进行计测的机器人的概略主视图。

图3是用本实施方式的计测系统进行计测的机器人的框图。

图4是本实施方式的计测系统的反射器支撑板和反射器的主视图。

图5是本实施方式的计测系统的计测装置的侧视图。

图6是使用于本实施方式的计测装置的框图。

附图标记说明:

1 计测系统

2 机器人

2c 反射部件(基准反射部)

3 基座板

11 伺服马达

12 加工工具

20 机器人控制装置

21 机器人控制部

23 存储装置

23b 动作程序

23c 校准动作程序

30 反射器支撑板

31a、31b、31c 反射器

40 计测装置

41 激光头

41a 激光射出部

41b 光接收传感器

42 竖直轴马达(头驱动装置)

43 水平轴马达(头驱动装置)

50 计测控制装置

51 控制部

53 存储装置

53b 计测程序(头驱动控制单元)

53c 坐标关系获取程序(坐标关系获取单元)

W 工件

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的第一实施方式的计测系统1进行说明。

所述计测系统1是在机器人2的校准中所使用的计测系统。

例如，如图1所示，机器人2是进行针对工件W的点焊等的预定作业的机器人，其具备多个臂部件和关节，并且具备分别驱动多个关节的多个伺服马达11(参照图3)。作为各个伺服马达11，可以采用旋转马达、直动马达等各种各样的伺服马达。各个伺服马达11内置有用于检测其工作位置的编码器等工作位置检测装置，工作位置检测装置的检测值被发送至机器人控制装置20。

在机器人2的前端部安装有加工工具12，由加工工具12对工件W实施点焊。当机器人2为搬运工件的机器人的情况下，代替该加工工具12，在机器人2的前端部安装作为保持装置的卡盘、吸附装置等，所述保持装置用于保持工件。

如图1和图2所示，机器人2在被准确地定位的基座板3上被精密地定位。并且，对作为精密平面的基座板3的上表面的多个点的位置进行计测，从而设定关于机器人2的机器人坐标系的水平面(与机器人坐标系的x轴和y轴平行的平面)。

另外，如图1和图2所示，在机器人2的基部2a所精密设置的两个基准孔2b分别安装反射部件(基准反射部)2c，基于各个反射部件2c的位置设定机器人坐标系的x轴和y轴的方向。进一步地，基于各个反射部件2c的位置和所述水平面，在所述水平面的稍微靠向上方的位置设定机器人坐标系的原点，并且以原点作为中心设定x轴、y轴、以及与所述水平面垂直的z轴。

如图3所示，机器人控制装置20具备：具有例如CPU、RAM等的机器人控制部21；显示装置22；具有非易失性存储器、ROM等的存储装置23；多个伺服控制器24，其设置成分别与机器人2的伺服马达11相对应；以及示教操作盘25，其与机器人控制装置20连接，并且操作者能够携带。示教操作盘25可以构成为，与机器人控制装置20进行无线通信。

在存储装置23中储存有系统程序23a，系统程序23a承担机器人控制装置20的基本功能。另外，在存储装置23中，储存有利用模拟装置(未图示)制作的至少一个动作程序23b。具体而言，在模拟装置上制作机器人2的模型以及如图1和图2所示的工件W的模型，以机器人2不与工件W接触且对工件W内外的多个焊点进行焊接的方式，在模拟装置上制作机器人2的动作程序23b，并储存于存储装置23。另外，在存储装置23还储存有校准动作程序23c。

机器人控制部21通过系统程序23a工作，当焊接工件W时，读取储存在存储装置23中的动作程序23b并暂时储存于RAM，按照所读取到的动作程序23b向各个伺服控制器24发送控制信号，由此对机器人2的各个伺服马达11的伺服放大器进行控制，并且对从加工工具12射出的激光进行控制从而进行工件W的焊接。

如图1、图2、图4以及图5所示，计测系统1具备：多个反射器31a、31b、31c，其经由反射器支撑板30安装在机器人2的前端部；以及计测装置40，计测系统1还具备图6所示的计测控制装置50。在本实施方式中，计测控制装置50内置于计测装置40，但是计测控制装置50也可以设置在计测装置40外的其他位置。

反射器支撑板30，例如由薄金属板形成，并且固定在机器人2的前端部和加工工具12之间。各个反射器31a、31b、31c是将入射的激光向与入射方向大致相同的方向进行反射的球形部件，这种反射被称为复原性反射。各个反射器31a、31b、31c是复原性反射的范围被限定的反射器，并且设定以球的中心为顶点且顶角为例如15°的圆锥形状C，而且仅将包含于圆锥形状C的范围设定为进行复原性反射的入射范围IA。

此外，由于各个反射器31a、31b、31c的直径为十几mm、几mm，因此各个反射器31a、31b、31c的入射范围IA的直径形成为1mm左右至2mm左右。如此地，入射范围IA的直径较小，因此能够准确地进行针对机器人2的前端部位置的校准。在点焊等的要求精度的作业中，也会存在要求误差为1mm以下的情况，此时也会存在需要进一步减小入射范围IA的情况。

另外，如图4所示，以各个反射器31a、31b、31c的入射范围IA的光轴互相呈90°角度的方式，各个反射器31a、31b、31c固定于反射器支撑板30。由此，来自计测装置40的激光不会同时从反射器31a、31b、31c中的多个反射器反射。

计测装置40具备：激光头41，其向反射器31a、31b、31c射出激光，并且接收来自反射器31的反射光；以及竖直轴马达42和水平轴马达43，其作为头驱动装置，用于改变激光头41的朝向。

竖直轴马达42用于使激光头41和水平轴马达43围绕竖直轴线进行旋转，水平轴马达43用于使激光头41围绕水平轴线进行旋转。竖直轴马达42和水平轴马达43与计测控制装置50连接，由计测控制装置50对竖直轴马达42和水平轴马达43进行控制。另外，各个马达42、43内置有检测其工作位置的编码器等工作位置检测装置，工作位置检测装置的检测值被发送至计测控制装置50。

在激光头41设置激光射出部41a，并构成为来自激光振荡器(未图示)的激光从激光射出部41a射出。另外，在激光头41的激光射出部41a内，设有接收被反射器反射的反射光的光接收传感器41b。激光头41与计测控制装置50连接，由计测控制装置50对来自激光头41的激光射出部41a的激光的射出进行控制，激光头41的光接收传感器41b的检测结果被发送至计测控制装置50。

如图6所示，计测控制装置50具备：具有例如CPU、RAM等的控制部51；显示装置52；具有非易失性存储器、ROM等的存储装置53；以及输入装置54。输入装置54也可以被构成为与计测控制装置50进行无线通信。

在存储装置53储存有系统程序53a，系统程序53a承担计测控制装置50的基本功能。另外，在存储装置53储存有：计测程序(头驱动控制单元)53b，其对在机器人2的前端部安装的反射器31a、31b、31c的位置进行计测；以及坐标关系获取程序(坐标关系获取单元)53c，其获取计测装置坐标系相对于机器人坐标系的对应关系，所述计测装置坐标系为计测装置40的坐标系，所述机器人坐标系为机器人2的坐标系。

对求出计测装置坐标系相对于机器人坐标系的对应关系的情况下的控制部51的工作进行说明。将计测装置40设置于用于进行测量的大体位置上，例如若控制部51接收到由输入装置54等输入的求出坐标系的对应关系的请求信号，则控制部51根据坐标关系获取程序53c工作，从激光头41分别向在机器人2的基部2a的两个基准孔2b所安装的反射部件(基准反射部)2c照射激光，并且用光接收传感器41b接收来自各个反射部件2c的反射光，由此对各个反射部件2c相对于计测装置40的位置进行计测。

在此，既可以由控制部51利用竖直轴马达42和水平轴马达43来调整激光头41的朝向，由此从激光头41向各个反射部件2c照射激光，也可以由作业者以手动的方式调整激光头41的朝向，从而从激光头41向各个反射部件2c照射激光。

接着，控制部51基于所计测的各个反射部件2c的位置，求出计测装置坐标系的原点相对于机器人坐标系的原点的位置，并且求出计测装置坐标系的x轴和y轴相对于机器人坐标系的x轴和y轴的各个方向(倾斜度)。由此，求出计测装置坐标系相对于机器人坐标系的对应关系(位置和方向)。此外，也可以构成为，求出计测装置坐标系的x轴、y轴以及z轴相对于机器人坐标系的x轴、y轴以及z轴的各个方向(倾斜度)。

接着，对进行校准时的机器人控制部21和控制部51的工作进行说明。若机器人控制部21和控制部51接收到预定的触发信号，例如由输入装置54等输入的校准的请求信号，则机器人控制部21读取校准动作程序23c，并且按照所读取到的校准动作程序23c向各个伺服控制器24发送控制信号，由此对机器人2的各个伺服马达11的伺服放大器进行控制。

在此，校准动作程序23c用于将机器人2的前端部依次配置在预设的几十个至几百个测量位置。优选地，几十个至几百个测量位置是沿着机器人2的前端部根据动作程序23b移动的轨迹的位置。优选地，为了将能够采取各种姿态的机器人2的工作尽可能接近于模拟装置上的机器人2的工作，如此在较多的测量位置上进行测量并进行校准。此外，机器人2的前端部的姿态也根据测量位置发生变化。

在此，各个测量位置设定成，反射器31a、31b、31c中的任意一个反射器的入射范围IA朝向计测装置40侧。并且，机器人控制部21在每当将机器人2的前端部配置于各个测量位置时，将反射器31a、31b、31c中入射范围IA朝向计测装置40侧的反射器的反射器号码和该反射器的位置坐标，发送到计测装置40。此外，机器人控制部21也可以将几十个至几百个测量位置各自的反射器号码和反射器的位置坐标一并发送到计测装置40，并且每当将机器人2的前端部配置于各个测量位置时，将其测量位置发送到计测装置40。此外，发送反射器号码不是必须的。

接着，控制部51根据计测程序53b进行工作，若从机器人控制部21接收到反射器号码和反射器的位置坐标(控制上的坐标数据)，则基于计测装置坐标系相对于机器人坐标系的对应关系，将该位置坐标转换为计测装置坐标系中的位置坐标，并且制作用于使竖直轴马达42和水平轴马达43进行工作的控制指令，使得激光射出部41a朝向转换后的位置坐标。而且，通过该控制指令，对竖直轴马达42和水平轴马达43进行控制，并且从激光头41照射激光。

并且，当激光头41的光接收传感器41b接收反射光时，利用接收时的激光头41的仰角和摇头角、以及基于接收到的反射光的相位等而求出的计测装置40与照射了激光的反射器之间的距离，求出照射了激光的反射器的计测位置坐标，并且将计测位置坐标发送到机器人控制部21。仰角和摇头角是，例如基于在竖直轴马达42和水平轴马达43中内置的工作位置检测装置的检测值而求出的。此外，也可以基于计测装置坐标系相对于机器人坐标系的对应关系，将计测位置坐标转换为机器人坐标系的位置坐标，并且将转换后的计测位置坐标发送到机器人控制部21。

接着，机器人控制部21从控制部51接收计测位置坐标或转换后的计测位置坐标，并且求出其和发送到控制部51的反射器的位置坐标之间的差异，而且基于该差异对动作程序23b进行校正。由此，能够对动作程序23b进行机器人2的校准。

如此地，根据本实施方式，从激光头41朝向在机器人2的基部2a所设置的反射部件(基准反射部)2c射出激光，并且接收其反射光且获取计测装置坐标系相对于机器人2的坐标系的位置和方向，由此能够准确地掌握计测装置坐标系相对于精密设定的机器人坐标系的位置和方向。即，由于能够使由计测装置计测的反射器的计测位置坐标准确地与机器人坐标系对应，因此能够进行准确的校准。

另外，当利用从机器人控制装置20接收到的反射器31a、31b、31c的控制上的坐标数据，来制作用于改变激光头41的朝向的控制指令时，能够准确地掌握计测装置坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向，因此来自利用所述坐标数据来设定朝向的激光头41的激光准确地照射到反射器31a、31b、31c的入射范围IA，或者照射到接近该入射范围IA的位置。

在激光照射到接近入射范围IA的位置的情况下，使激光头41进行探索动作，所述探索动作为，例如以画圆且该圆的直径逐渐变大的方式对激光的照射位置进行扫描。尤其，为了更准确地对机器人2的前端部的位置进行校准，在减小反射器31a、31b、31c的入射范围IA的直径的情况下，进行较多探索动作。对此，在本实施方式中，能够准确地掌握计测装置坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向，因此能够缩短进行探索动作所需的时间。

此外，在激光照射到接近入射范围IA的位置的情况下，也可以由设置于计测装置40的视觉传感器来对激光的照射方向进行拍摄，并且通过对拍摄数据进行图像处理来获取激光的位置和入射范围IA之间的位置关系，控制部51基于该位置关系对竖直轴马达42和水平轴马达43进行控制，使得激光进入到入射范围IA。

另外，在本实施方式中，适用于机器人坐标系的设定中的基准反射部2c，也可以适用于计测装置坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向的获取中。因此，能够更准确地掌握计测装置坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向。

Claims

1.一种计测系统，所述计测系统具备：反射器，其安装在机器人的前端部；以及计测装置，其具有向该反射器射出激光并接收来自该反射器的反射光的激光头、和改变该激光头的朝向的头驱动装置，

利用所述计测装置对所述机器人的前端部的所述反射器的位置进行计测，

所述计测系统具备：

坐标关系获取单元，其通过从所述激光头朝向在所述机器人的基部所设置的基准反射部射出激光，并且接收来自所述基准反射部的反射光，从而获取所述计测装置的坐标系相对于机器人坐标系的位置和方向；以及

头驱动控制单元，其从所述机器人的控制装置接收在所述机器人的前端部所安装的所述反射器的控制上的坐标数据，利用接收的所述坐标数据、和所述计测装置的坐标系相对于所述机器人坐标系的所述位置和所述方向，向所述头驱动装置发送用于改变所述激光头的朝向的控制指令。

2.根据权利要求1所述的计测系统，其特征在于，

所述基准反射部用于在设置所述机器人时设定所述机器人坐标系。