CN110842351A - 机器人系统和校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机器人系统和校准方法。该机器人系统包括：机器人(10)、被安装于机器人(10)的工具(20)、拍摄装置(40)、以及对机器人(10)和工具(20)进行控制的控制部，控制部被构成为：将机器人(10)的前端部配置于多个校准用位置，使工具(20)在多个校准用位置的每个位置处动作，并使拍摄装置(40)拍摄通过工具动作处理而照射到对象物(W)的光或者被残留于对象物(W)的痕跡，基于由拍摄装置(40)获取的图像中的所述光的照射位置或者所述痕跡的位置与预定的基准位置之间的比较，进行校准。

Description

机器人系统和校准方法
技术领域
本发明涉及一种机器人系统和校准方法。
背景技术
专利文献1公开了一种使用校准夹具进行校准以修正拍摄装置的透镜的失真等的技术(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4021413号公报
发明内容
发明所需解决的问题
在进行基于机器人的电弧焊接、激光焊接等作业时，机器人是否高精度地追随控制装置发送的控制指令直接关系到该作业的质量。例如，如果由于机器人的各关节的齿隙、刚性不足等导致在机器人的前端部等发生振动，则机器人的前端部无法准确地追随控制指令。
为了解决这样的课题，存在有视觉跟踪控制等的技术，在该视觉跟踪控制技术中，使用由机器人的前端部或预定的支承框架支承的拍摄装置依次对作业对象的位置和姿势进行检测，基于检测结果使机器人的前端部的工具追随作业对象。
然而，由于拍摄装置的透镜具有像差等的失真等，并且每个拍摄装置的失真不同，因而需要使用专利文献1等所示的校准夹具对每个拍摄装置分别进行校准。为了进行该校准，需要准备校准夹具、将校准夹具固定到正确的位置等。根据机器人系统的结构，可能出现校准夹具的固定比较困难的情况。因此，包含拍摄装置的机器人系统的调整需要花费精力和时间。
另外，在使用校准夹具的情况下，虽然对校准夹具的位置进行准确地校准，但也存在对实际作业对象物上的各点的校准不准确的情况。例如，如果从拍摄装置到校准夹具之间的距离、与从拍摄装置到实际的作业对象物之间的距离不同，则可能出现检测到的作业对象物上的位置与实际的位置之间产生差的情况。特别是在拍摄装置为还要获取各像素的距离信息的三维相机的情况下，该差变得显著。
本发明正是鉴于上述情况而完成的。本发明的一个目的是提供一种机器人系统和校准方法，其能够减少花费在包含拍摄装置的机器人系统的调整上的时间和精力，并且能够进行拍摄装置的准确校准。
解决问题的手段
为了解决上述课题，本发明采用以下手段。
本发明的第一方面的机器人系统包括：机器人；工具，其被安装于所述机器人的前端部；拍摄装置，其被安装于所述机器人或者预定的支承部；以及控制部，其对所述机器人和所述工具进行控制，所述控制部进行以下处理：校准用动作处理，将所述机器人的前端部配置于多个校准用位置；工具动作处理，使所述工具在多个所述校准用位置的每个位置处动作；拍摄处理，使所述拍摄装置拍摄通过所述工具动作处理而被照射到预定的物体的光或者被残留于所述预定的物体的痕跡；以及校准处理，基于由所述拍摄装置获取的图像中的所述光的照射位置或者所述痕跡的位置与预定的基准位置之间的比较，进行校准。
在第一方面中，在机器人的前端部被配置于多个校准用位置的每个位置时，通过工具的动作向对象物照射光或者在对象物上形成痕跡，基于由拍摄装置获取的图像中的光的照射位置或者痕跡的位置与预定的基准位置之间的比较，进行校准。因此，不需要准备例如配置有格子状的标记的专用的校准夹具。另外，作为对象物也可以使用作业对象的工件，因而能够针对作业位置进行拍摄装置的准确校准。还可以对作业位置的周边进行重点校准。
在上述方面中，优选地，所述工具是通过激光的照射而进行预定的激光加工的激光加工工具，所述控制部在所述工具动作处理中，使所述工具射出与所述预定的激光加工时相比为低强度的激光。
在该方面中，工具射出与激光加工时相比为低强度的激光。因此，在对象物是进行激光加工的对象的工件的情况下，在使用该工件进行了校准之后，能够对该工件进行实际的激光加工。在该情况下，能够对进行激光加工的对象物，准确地进行校准。
为了消除或者减少对象物的损伤，优选地，与所述预定的激光加工时相比为低强度的激光是所述预定的激光加工的对象物不会被加工的程度的强度的激光。
在上述方面中，优选地，所述工具是进行电弧焊接的电弧焊接工具，所述控制部在所述工具动作处理中，使所述工具进行所述电弧焊接。
在该方面中，在对象物是电弧焊接的对象的工件的情况下，能够对电弧焊接的对象准确地进行校准。
在上述方面中，优选地，所述工具是涂覆密封剂的分配器工具，所述控制部在所述工具动作处理中，使所述工具进行所述密封剂的涂覆。
在该方面中，在对象物是涂覆密封剂的对象的工件的情况下，能够针对进行密封剂的涂覆的对象准确地进行校准。
本发明的第二方面的校准方法包括以下步骤：校准用配置步骤，将安装有工具的机器人的前端部配置于多个校准用位置；工具动作步骤，使所述工具在多个所述校准用位置的每个位置处动作；拍摄步骤，使拍摄装置拍摄通过所述工具动作步骤而被照射到预定的物体的光或者被残留于所述预定的物体的痕跡；以及校准步骤，基于由所述拍摄装置获取的图像中的所述光的照射位置或者所述痕跡的位置与预定的基准位置之间的比较，进行校准。
本发明的第三方面的校准方法包括以下步骤：校准用配置步骤，将安装有激光加工工具的机器人的前端部配置于多个校准用位置，所述激光加工工具用于进行预定的激光加工；工具动作步骤，使所述激光加工工具在多个所述校准用位置的每个位置处，射出与所述预定的激光加工时相比为低强度的激光；拍摄步骤，使拍摄装置拍摄通过所述工具动作步骤而被照射到预定的物体的激光；以及校准步骤，基于由所述拍摄装置获取的图像中的所述激光的照射位置与预定的基准位置之间的比较，进行校准。
发明的效果
根据本发明，能够减少花费在包含拍摄装置的机器人系统的调整上的时间和精力，并且能够对拍摄装置进行准确的校准。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的机器人系统的简要俯视图。
图2是第一实施方式的机器人系统的控制装置的框图。
图3是表示第一实施方式的控制装置的处理的示例的流程图。
图4是表示第一实施方式的照射点的示例的图。
图5是表示第一实施方式的检测出的照射位置的示例的图。
图6是本发明的第二实施方式的机器人系统的控制装置的框图。
图7是表示第二实施方式的机器人系统的控制装置的处理的示例的流程图。
图8是表示第二实施方式的检测出的焊接痕的位置的示例的图。
具体实施方式
下面，参照附图对根据本发明的第一实施方式的机器人系统进行说明。
本实施方式的机器人系统包括：机器人10；工具20，其被安装于机器人10的前端；控制装置30，其对机器人10和工具20进行控制；二维相机、三维相机、三维距离传感器等的拍摄装置40。拍摄装置40被支承部件41支承。
在本实施方式中，工具20是通过激光的照射进行激光焊接的激光焊接工具、进行激光切断的激光加工工具等。在工具20是激光加工工具的情况下，工具20的前端设置有喷嘴21，在喷嘴21内设置有例如直径约1mm的贯通孔(未图示)。贯通孔在沿着工具20的长边轴线的方向延伸。工具20与激光振荡器22(图2)连接，由激光振荡器22产生的激光从喷嘴21的贯通孔向加工对象物W照射。另外，工具20与辅助气体供给装置23(图2)连接。辅助气体从辅助气体供给装置23供给到工具20，并经由喷嘴21的贯通孔或者辅助气体用的孔而吹送给加工对象物W。通过向加工对象物W的激光的照射和辅助气体的吹送，从而进行加工对象物W的切断。此外，工具20也可以是进行其它加工的激光加工工具。
机器人10具备多个臂部件和多个关节。另外，机器人10还具备分别驱动多个关节的多个伺服电机11(参照图2)。作为各伺服电机11，可以使用旋转电机、直线电机等各种伺服电机。各伺服电机11具有用于检测其动作位置和动作速度的动作位置检测装置，动作位置检测装置的一例是编码器。动作位置检测装置的检测值被发送给控制装置30。
如图2所示，控制装置30包括：具有处理器等的控制部31；显示装置32；具有非易失性存储器、ROM、RAM等的存储部33；作为示教器等的输入装置34；用于进行信号的发送和接收的发送接收部35；以及分别与各伺服电机21连接的伺服控制器36。输入装置34和发送接收部35作为输入部而发挥功能。
如图2所示，控制装置30与激光振荡器22、辅助气体供给装置23连接。控制装置30基于后述的动作程序33b而对激光振荡器22和辅助气体供给装置23进行控制，由此进行对象物W的切断。
存储部33中存储有系统程序33a，系统程序33a承担控制装置30的基本功能。另外，在存储部33中存储有动作程序33b。控制部31读取动作程序33b并基于动作程序33b对各伺服控制器36、激光振荡器22以及辅助气体供给装置23进行控制。由此，机器人10使工具40例如沿着图1所示的加工轨迹PL移动，从而沿着加工轨迹PL切断加工的对象物W。
存储部33中存储有校准用动作程序33c、工具动作程序33d、拍摄程序33e以及校准程序33f。
由拍摄装置40获取的图像中呈现的物品等的位置往往因拍摄装置40的透镜的像差等失真而从实际的位置偏移。为了修正这样的偏移，以往，将表面描绘有多个点的板状的夹具固定于预定位置，并通过拍摄装置40拍摄被固定的夹具的点。然后，基于由拍摄装置40获取的图像中的多个点与这些点原本应该处于的位置(预定的基准位置)之间的差，创建修正数据(校准)。该修正数据被用于修正由拍摄装置40拍摄的图像。
另一方面，在本实施方式中，控制部31基于校准用动作程序33c、工具动作程序33d、拍摄程序33e以及校准程序33f而进行以下的校准。图3的流程图示出了进行校准时的控制部31的处理。
首先，如果控制部31接收到使用输入装置34、发送接收部35等输入的开始信号(步骤S1-1)，则控制部31基于校准用动作程序33c将机器人10的前端部配置于多个校准用位置中的一个位置(步骤S1-2)。另外，当在步骤S1-2中将机器人10的前端部配置于校准用位置时，控制部31基于工具动作程序33d，使工具20射出与切断加工等的预定的激光加工时相比为低强度的激光(步骤S1-3)。在步骤S1-3中射出的激光的强度相对于激光加工时的激光的强度为百分之几，优选为5％以下。
在本实施方式中，在各校准用位置，被安装于机器人10的前端部的工具40朝向斜下方射出激光。例如，在对象物W的上表面沿水平方向延伸时，激光与对象物W的上表面之间形成80°的夹角。此外，激光与对象物W的上表面也可以形成90°的夹角，也可以形成除此以外的其它角度。
另外，控制部31基于拍摄程序33e，在从工具20射出低强度激光的状态下，使拍摄装置40拍摄对象物W的上表面(步骤S1-4)。
另外，控制部31基于拍摄程序33e对由拍摄装置40获取的图像进行二值化处理、匹配处理等公知的图像处理，由此，在各图像中检测对象物W的上表面中的低强度激光的照射位置(步骤S1-5)，并将检测到的照射位置、与步骤S1-2中的机器人10的前端部的位置等相关联地保存在存储部33中(步骤S1-6)。机器人10的前端部的位置可以是从各动作位置检测装置的检测值计算出的位置，也可以是校准用动作程序33c所期望的位置。
控制部31使步骤S1-2至S1-6重复预定的次数(步骤S1-7)。此外，在步骤S1-2中，机器人10的前端部被依次配置于多个校准用位置。如果步骤S1-2至S1-6被重复了预定的次数(步骤S1-7)，则控制部31基于校准程序33f，并根据被保存在存储部33中的各照射位置与这些照射位置在图像中原本应该处于的位置(预定的基准位置)之间的差，创建作为校准的修正数据(步骤S1-8)，并将创建出的修正数据保存在存储部33中(步骤S1-9)。修正数据是用于修正由拍摄装置40的透镜的像差等产生的失真，例如是用于修正拍摄装置40的视场的端部侧的图像的失真的数据。即，如果利用修正数据修正由拍摄装置40获取的图像，则在修正后的图像中，上述失真被消除或者被抑制。
在一个实施例中，如图4所示，利用校准用动作程序33c和工具动作程序33d向对象物W的上表面的多个照射点P照射低强度激光。即，多个照射点P的各个位置、多个照射点P的相互位置关系等是已知的。基于已知的照射点P的位置或者相互位置关系，可以求出上述原本应该处于的位置。
像这样被照射的低强度激光的照射位置例如如图5所示，通过拍摄程序33e而被检测。在图5中，虚线表示对象物W的原本的形状以及照射点P的原本的位置，实线表示检测到的照射位置IP。此外，在图5中描绘了拍摄装置40的透镜的像差容易被呈现的对象部W的端部。
修正数据是使图5所示的照射位置IP分别与照射点P一致的数据。控制部31还利用公知的内插插值，求出照射点P之间的图像中的各个位置的插值修正数据，并将求出的插值修正数据作为修正数据而保存在存储部33中。修正数据是基于照射位置与照射位置原本应该处于的位置之间的差，并用于消除或减少该差的数据。
下面，使用图6至图8对根据本发明的第二实施方式的机器人系统进行说明。
第二实施方式在工具20是电弧焊接工具这一点上与第一实施方式不同。对于与第一实施方式相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。
工具20包括钨电极24和熔融金属线供给装置25(图6)，控制装置30的控制部31基于动作程序33b对各伺服控制器36、钨电极24以及熔融金属线供给装置25进行控制，由此进行对对象物W的焊接作业。
在第二实施方式也进行以下的校准。第二实施方式中的进行校准时的控制部31的处理如图7所示。
首先，如果控制部31接收到使用输入装置34、发送接收部35等输入的开始信号(步骤S2-1)，则控制部31基于校准用动作程序33c将机器人10的前端部配置于多个校准用位置中的一个位置(步骤S2-2)。另外，当在步骤S2-2中将机器人10的前端部配置于校准用位置时，控制部31基于工具动作程序33d对工具20的钨电极24和熔融金属线供给装置25进行控制，由此使工具20进行焊接(步骤S2-3)。
控制部31使步骤S2-2至S2-3重复预定的次数(步骤S2-4)。此外，在步骤S2-2中，机器人10的前端部依次被配置于多个校准用位置。如果步骤S2-2至S2-3被重复了预定的次数(步骤S2-4)，则控制部31基于拍摄程序33e，使拍摄装置40对对象物W的上表面进行拍摄(步骤S2-5)。
另外，控制部31基于拍摄程序33e对由拍摄装置40获取的图像进行二值化处理、匹配处理等公知的图像处理，由此，在获取到的图像中检测对象物W的上表面的各焊接痕(痕跡)的位置(步骤S2-6)，并将检测到的焊接痕的位置保存在存储部33中(步骤S2-7)。
此外，与第一实施方式相同，每次在通过步骤S2-2和S2-3进行焊接时，如果进行基于拍摄装置40的拍摄的处理，则也可以进行将在获取到的各图像中检测的焊接痕的位置、与步骤S2-2的机器人10的前端部的位置等相关联地保存的处理。
接着，控制部31基于校准程序33f，并根据保存在存储部33中的各焊接痕的位置与这些焊接痕在图像中原本应该处于的位置(预定的基准位置)之间的差，创建作为校准的修正数据(步骤S2-8)，并将创建出的修正数据保存在存储部33中(步骤S2-9)。
在一个实施例中，通过校准用动作程序33c和工具动作程序33d，在对象物W的上表面形成格子状的焊接痕。即，多个焊接痕的各个位置、多个焊接痕的相互位置关系等是已知的。基于已知的焊接痕的位置或者相互位置关系，可以求出上述原本应该处于的位置。
像这样被照射的焊接痕的位置MP例如如图8所示，通过拍摄程序33e而被检测。在图8中，虚线表示对象物W的原本的形状以及焊接痕MP的原本的位置，实线表示检测到的焊接痕的位置IP。此外，在图8中描绘了拍摄装置40的透镜的像差容易被呈现的对象部W的端部。
此外，在第二实施方式中，工具20也可以是涂覆有密封剂的分配器工具。在该情况下，控制装置30控制机器人10和工具20而进行向对象物W涂覆密封剂的作业。另外，在步骤S2-3中，控制部31也可以通过控制工具20而使工具20进行密封剂的涂覆。优选以点状涂覆此时的密封剂。
并且，在步骤S2-6中，控制部31检测在对象物W的上表面涂覆有密封剂的各涂覆部(痕跡)的位置，在步骤S2-7中，将检测到的涂覆部的位置保存在存储部33中。另外，在步骤S2-8中，控制部31基于被保存于存储部33的各涂覆部的位置与这些涂覆部在图像中原本应该处于的位置的差，创建作为校准的修正数据。
此外，在第二实施方式中，工具20也可以是进行激光加工的激光加工工具。在该情况下，在步骤S2-3中，控制部31通过控制工具20而使工具20进行激光加工。优选地，此时的激光加工的痕跡为点状。
并且，在步骤S2-6中，控制部31在对象物W的上表面检测激光加工的痕跡的位置，在步骤S2-7中，将检测到的痕跡的位置保存在存储部33中。另外，在步骤S2-8中，控制部31基于保存在存储部33中的各痕跡的位置与这些痕跡在图像中原本应该处于的位置的差，创建作为校准的修正数据。
此外，在上述各实施方式中，还可以进行机器人10或者动作程序33b用的校准(修正)。该校准例如在如下状态下进行，即在已经在步骤S1-8、S1-9、S2-8以及S2-9中对拍摄装置40的透镜的像差等进行校准，并且能够从通过拍摄装置40获取的图像中消除透镜的失真等的影响的状态下进行。
例如，如果控制部31基于动作程序33b对机器人10和工具20进行控制，此时，从工具20射出低强度的激光，则控制部31能够使用由拍摄装置40获取的图像，检测低强度的激光的位置、轨迹等。并且，控制部31、操作者等能够使用检测到的激光的位置、轨迹等，实施机器人10或者动作程序33b的校准。
在一个实施例中，根据机器人10的刚性、机器人10的惯性质量、工具20的惯性质量、机器人10的动作速度、机器人10的姿势等，可能出现机器人10的前端部在基于动作程序33b的机器人10的动作中发生振动的情况。如果在该发生振动的状态下实施使用激光的切断加工等的激光加工，则加工部的品质降低。因此，有时为了提高加工部的品质也进行上述机器人10或者动作程序33b的校准。
此外，在上述各实施方式中，虽然示出了对作为板状的工件的对象物W实施激光的照射、焊接、或者密封剂的涂覆等的情况，但对象物W也可以是任意的。例如，对象物W也可以是汽车的框架、各种夹具、输送装置的上表面、地面等。
在本实施方式中，控制装置30虽然是控制机器人10的动作的机器人控制装置，但控制装置30也可以是具有本实施方式所说明的结构的其它控制装置。例如，控制装置30也可以是与机器人10连接的其它控制装置或者上位控制装置。在该情况下，控制装置或者上位控制装置中存储校准用动作程序33c、工具动作程序33d、拍摄程序33e以及校准程序33f中的至少一个程序，实施基于存储的程序的上述处理。
另外，在上述各实施方式中，拍摄装置40也可以安装于机器人10的前端部等。在该情况下，拍摄装置40对具有焊接痕、密封剂的涂覆部等的对象物W的上表面进行拍摄，实施与上述相同的处理。
在上述各实施方式中，在机器人10的前端部被配置于多个校准用位置中的各个位置时，利用工具20的动作向对象物W照射光或者在对象物W上形成痕跡，基于由拍摄装置40获取的图像中的光的照射位置或者痕跡的位置与预定的基准位置之间的比较来进行校准。因此，不需要准备例如配置有格子状的标记的校准夹具。另外，作为对象物W也可以使用作业对象的工件，因而能够相对于作业位置而进行拍摄装置40的准确校准。还可以对作业位置的周边进行重点校准。
另外，在一些上述实施方式中，工具20是通过激光的照射进行预定的激光加工的激光加工工具，控制部31为了校准而使工具20射出与激光加工时相比为低强度的激光。
在该结构中，工具20射出与激光加工时相比为低强度的激光。因此，在对象物W是进行激光加工的对象的工件的情况下，在使用该工件进行了校准之后，还能够对该工件进行实际的激光加工。在该情况下，针对进行激光加工的对象物，准确地进行校准。
另外，在一个上述实施方式中，工具20是进行电弧焊接的电弧焊接工具，控制部31为了校准而使工具20进行电弧焊接。
在该结构中，在对象物W是进行电弧焊接的对象的工件的情况下，针对进行电弧焊接的对象物，准确地进行校准。
另外，在一个上述实施方式中，工具20是涂覆密封剂的分配器工具，控制部31为了校准而使工具20进行密封剂的涂覆。
在该结构中，在对象物W是涂覆密封剂的对象的工件的情况下，针对进行密封剂的涂覆的对象，准确地进行校准。
附图标记
10：机器人
20：工具
21：喷嘴
22：激光振荡器
23：辅助气体供给装置
24：钨电极
25：熔融金属线供给装置
30：控制装置
31：控制部
32：显示装置
33：存储部
33a：系统程序
33b：动作程序
33c：校准用动作程序
33d：工具动作程序
33e：拍摄程序
33f：校准程序
34：输入装置
35：发送接收部
36：伺服控制器
40：拍摄装置
W：对象物
PL：加工轨迹
IP：检测到的照射位置或者焊接痕的位置
P：照射点
MP：焊接痕的位置

Claims (7)

1.一种机器人系统，其特征在于，包括：
机器人；
工具，其被安装于所述机器人的前端部；
拍摄装置，其被安装于所述机器人或者预定的支承部；以及
控制部，其对所述机器人和所述工具进行控制，
所述控制部进行以下处理：
校准用动作处理，将所述机器人的前端部配置于多个校准用位置；
工具动作处理，使所述工具在多个所述校准用位置的每个位置处动作；
拍摄处理，使所述拍摄装置拍摄通过所述工具动作处理而被照射到预定的物体的光或者被残留于所述预定的物体的痕跡；以及
校准处理，基于由所述拍摄装置获取的图像中的所述光的照射位置或者所述痕跡的位置与预定的基准位置之间的比较，进行校准。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，
所述工具是通过激光的照射而进行预定的激光加工的激光加工工具，
所述控制部在所述工具动作处理中，使所述工具射出与所述预定的激光加工时相比为低强度的激光。
3.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，
与所述预定的激光加工时相比为低强度的激光是所述预定的激光加工的对象物，即所述预定的物体不会被加工的程度的强度的激光。
4.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，
所述工具是进行电弧焊接的电弧焊接工具，
所述控制部在所述工具动作处理中，使所述工具进行所述电弧焊接。
5.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，
所述工具是涂覆有密封剂的分配器工具，
所述控制部在所述工具动作处理中，使所述工具进行所述密封剂的涂覆。
6.一种校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
校准用配置步骤，将安装有工具的机器人的前端部配置于多个校准用位置；
工具动作步骤，使所述工具在多个所述校准用位置的每个位置处动作；
拍摄步骤，使拍摄装置拍摄通过所述工具动作步骤而被照射到预定的物体的光或者被残留于所述预定的物体的痕跡；以及
校准步骤，基于由所述拍摄装置获取的图像中的所述光的照射位置或者所述痕跡的位置与预定的基准位置之间的比较，进行校准。
7.一种校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
校准用配置步骤，将安装有激光加工工具的机器人的前端部配置于多个校准用位置，所述激光加工工具用于进行预定的激光加工；
工具动作步骤，使所述激光加工工具在多个所述校准用位置的每个位置处，射出与所述预定的激光加工时相比为低强度的激光；
拍摄步骤，使拍摄装置拍摄通过所述工具动作步骤而照射到预定的物体的激光；以及
校准步骤，基于由所述拍摄装置获取的图像中的所述激光的照射位置与预定的基准位置之间的比较，进行校准。
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