CN1246087A - 机器人的校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种比较简单的校准装置以及利用该装置不用复杂的操作即可容易实现自动化的校准方法,其中校准装置(2)由下述部分构成:在三个正交轴方向具有移动自由度的可动部;可检测出前述可动部在每个自由度上的位移的位移检测机构(212,222,232);安装在前述可动部前端上、具有三个轴向旋转自由度的万向接头(25);安装在万向接头(25)的自由端上、可很容易地连接到机器人腕部的前端部(16)上的夹具(26)。利用这种校准装置(2)计测腕部的前端部的位移。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人的校准装置及方法,更具体地说,涉及通过使机器人的控制点位置保持恒定,测量给予机器人仅使其姿势发生变化的指令时所产生的控制点位置的位移量,从而进行机器人校准的装置及方法。
背景技术
一般地,在机器人,特别是多关节机器人中,在控制装置内部所具有的机器人参量,即,描述在起始点姿势时连杆之间的角度、连杆之间的扭转角、连杆之间的距离、连杆的长度等机器人臂的几何结构的数值与实际机器人的数值有一定的误差,所以,在前述控制装置识别出的机器人的位置及姿势与前述机器人实际的位置及姿势之间产生误差。将控制装置所识别出的机器人的位置与姿势与机器人实际的位置及姿势进行比较,对控制装置所持有的机器人的参量加以修正,这种误差修正就称之为机器人的校准。
作为这种机器人校准的第一个现有技术的例子,有日本特开平6-274213号公报所示的方法。这是一种如下所述的方法。
设置固定在机器人周围的多个基准点,对于每一个这种基准点,使安装在机器人的手腕部工具顶端的点与该基准点吻合,示教多种不同的姿势,并将这些示教点进行登记。反复进行这一过程,登记(基准点数×姿势数)个示教点。用这些示教点数据计算出修正量。
然而,利用这种第一种现有技术,操作者需要一边确认工具的顶端一边操作示教盒上的键对机器人微小位置进行定位,所以,具有操作非常麻烦,花费时间的缺点。
为克服这一缺点,日本特开平5-261682号公报提出了现有技术的第二个例子。其方法如下。
这是一种将具有六个坐标自由度。并具有可将每个自由度的位移检测出来的功能的校准装置安装到已知与机器人的相对位置关系或可以正确地测量出该相对位置关系的位置处,令前述校准装置的前端部与前述机器人手腕的前端部机械地连接在一起,由前述校准装置的位移检测装置所获得的位置数据及姿势数据,反算出机器人的位置数据和姿势数据,对机器人机械校准的方法。
但是,在这第二种现有技术中,也存在着以下的问题。
(1)由于前述校准装置需要有六个自由度的位移检测功能,从而结构复杂价格昂贵。
(2)此外很难准确地计测前述校准装置与机器人之间的相对位置以及姿势。
从而,本发明的目的是提供一种比较简易的校准装置以及不伴随有复杂的操作且容易自动化的校准方法。
为解决上述问题,在本发明中,校准装置备有在三个正交的方向具有移动自由度的可动部、可在每个自由度检测前述可动部的位移的位移检测机构、安装在前述可动部前端的具有在三个坐标方向有旋转自由度的万向接头及安装在前述万向接头的自由端、于前述机器人的腕部前端容易离合的夹具,将这样的校准装置固定在机器人周围的任意场所,并将前述机器人的腕部的前端部固定在前述校准装置的前述夹具上,然后,向前述机器人发出保持前述万向接头的旋转中心点不动、只改变前述机器人姿势的指令,使前述机器人动作,利用前述位移检测机构检测这时产生的前述校准装置的可动部的位移,由该检测值计算出修正量。
附图的简要说明
图1是表示本发明的实施例结构图。
图2是本发明的实施例中校准装置的正面图。
图3是本发明的实施例中校准装置的侧面图。
图4是本发明的另一个实施例中万向接头的正剖面图。
图5是本发明的实施例中校准方法的第一说明图。
图6是本发明的实施例中校准方法的第二说明图。
图7是本发明的实施例中校准方法的第三说明图。
图8是本发明的实施例中校准方法的第四说明图。
实施发明的最佳方式
下面,根据附图对本发明的实施例加以说明。
图1是表示本发明的实施例结构图。
在图1中,1是机器人,它是校准的对象。11是机器人的基座,12是旋转头。旋转头12可绕垂直轴S自由旋转地安装在基座11上。13是下臂,可绕水平轴L自由摆动地安装在旋转头12上。水平轴L是从表面向内贯穿图的纸面的轴。14a是上臂的固定部,可绕水平轴U自由摆动地安装在下臂13上。水平轴U是从表面向内贯穿图的纸面的轴。14b是上臂的旋转部,可绕旋转轴R自由旋转地固定在上臂的固定部14a上。旋转轴R是沿上臂的旋转部14b的长度方向延伸的轴,与水平轴U正交。15是腕部,可绕摆动轴B自由摆动地安装在上臂的旋转部14b上。摆动轴B是从表面向内贯穿图的纸面的轴,与旋转轴R正交。16是腕部的前端部,可绕旋转轴T自由旋转地安装在腕部15上。旋转轴T与旋转轴B正交。
2是校准装置。机器人1和校准装置一起被固定在安装场所。这时令机器人1与校准装置2的取向一致,以便使机器人1的坐标系1a与校准装置2的坐标系2a的方向一致。但是坐标系1a与坐标系2a的原点可以不同。
校准装置2备有万向接头25,机器人1的腕部的前端部16与校准装置2经过万向接头25机械地结合在一起。
3是运算机构,经过信号线4与校准装置2电连接。运算机构3是例如装载有所需程序的个人计算机。
5是机器人1的控制装置,经信号线6与运算机构3电连接。此外,前述控制装置5经过电缆7与机器人1电连接。
下面说明校准装置2的详细结构。
图2是校准装置的正视图,图3是前述校准装置2的侧视图。
在图中,21是固定台,在固定台21上设有第一直线运动导轨211和第一位移检测机构212。第一直线运动导轨211朝向校准装置2的前后方向(下面作为X轴)。
22是第一滑动台,它可自由滑动地支承在前述第一直线运动导轨211上。即,第一滑动台22具有在X轴方向的移动自由度。此外,第一滑动台22的移动由前述第一位移检测机构进行精密计测。此外,在第一滑动台22上设置第二直线运动导轨221及第二位移检测机构222。第二直线运动导轨221朝向校准装置2的方向(下面作为Y轴)。
23是第二滑动台,可自由滑动地支承在前述第二直线运动导轨221上。即,第二滑动台23具有Y轴方向的移动自由度。此外,第二滑动台23的移动由前述第二位移检测机构222进行精密计测。进而,在第二滑动台23上设置第三直线运动导轴231与第三位移检测机构232。第三直线运动导轨231朝向校准装置2的上下方向(下面作为Z轴)。
24是第三滑动台,可自由滑动地支承在前述第三直线运动导轨231上。即,第三滑动台24具有Z轴方向的移动自由度。此外,第三滑动台24的移动由前述第三位移检测机构232进行精密计测。
这样,第三滑动台24相对于固定台21可在三个正交轴、即X、Y、Z各个轴的方向上自由运动,其移动量由第一、第二及第三位移检测机构212,222和232在每个轴上被独立地精密计测。
此外,第一、第二及第三位移检测机构212、222和232只要是可精密地测量距离的变化,并且以可由运算装置3进行处理的形式的信号输出其测量结果的装置即可。在这种位移检测机构中,例如有采用激光的机构,利用电磁的机构等。
25是万向接头,其一端固定在第三滑动台24上,另一端(自由端)绕三个正交轴自由转动。251是基准点,它是万向接头的三个转动轴的交点。也就是说,不管万向接头25的自由端如何转动,基准点251是位置不变的中心点。
26是夹具,它具有其一端用螺栓252连接在万向接头25的自由端,另一端可与机器人1腕部的前端部16结合的结构。夹具26通过螺栓252的装卸可很容易地与万向接头25连接和分离。
另外,万向接头25一般为一种具有公知结构的万向接头,但也可具有如下的结构。
图4表示本发明的另一实施例的万向接头的剖面图,
在图中,25是万向接头,由凹部253与球部254构成。凹部253设有在中央部精密加工而成的圆锥台形的孔,为其底部嵌入磁体252的金属,固定在图中未示出的校准装置的滑动台上。球部254为磁性金属构成的精密球体256与接头部257构成的。球体256置于凹部253内将孔堵住,由磁体255的磁性力将其保持于其中。接头部257连接到图中未示出的校准装置的夹具上。
由于球部254是由磁体255保持在凹部253的圆锥台形的孔内,所以相对于比较小的外力,球体256的中心保持在一定的位置上,在三个轴的方向上自由转动。即,与一般的万向接头具有同样的行为。
当对球部254施加比磁体255的磁性力更大的外力时,球部254与凹部253的结合被解除。因此,机器人与校准装置的机械结合的分离变得很容易。
下面,对用本发明的校准装置进行校准的方法的第一个实施例进行说明。在这里,只列举在六轴的垂直多关节的机器人中,在原点姿势的情况下以连杆角度为修正对象的情况,即求出原点误差向量ΔΘ的情况,但对其它参数进行修正的情况其原理及程序也是一样的。
(1)将校准装置2固定在机器人1的动作范围内的任意场所。这时,调整校准装置2的姿势,使校准装置2的坐标系2a与机器人1的坐标系1a取向一致。
(2)卸下螺栓252,解除夹具26与万向接头25之间的结合,将夹具26结合到机器人1腕部的前端部16上。
(3)通过对机器人1进行示教操作,改变其姿势,将与机器人1腕部的前端部16结合的夹具26带到万向接头25的位置,夹具26与万向接头25再次结合。这样,机器人1与校准装置2结合。
(4)将由位移检测机构212、222、232所得到的校准装置的坐标值(X1,Y1,Z1)存储在运算装置3内。
(5)向机器人1发出保持万向接头25的三个旋转轴的交点,即基准点251不动,仅改变机器人1的姿势的指令,改变机器人1的姿势。由于通过计测夹具26与万向接头25的机械尺寸可预先十分精确地确定机器人1腕部的前端部16与基准点251之间的位置关系,所以采用这个数据则前述指令是很容易的。
(6)这时,将由检测机构212、222、232所得到的校准装置的坐标值(X2,Y2,Z2)存储在运算装置3内。
下面来说明用以上操作所获得的坐标值决定机器人参量修正值的计算程序。
如果用于机器人1的控制装置5内部的控制运算的机器人参量与实际的机器人1的机器人参量一致的话,则(X1,Y1,Z1)与(X2,Y2,Z2)理应具有相同的数值,但是由于机器人参量的误差,本来不动的基准点251会移动,从而产生差值。
按照机器人1的坐标系,基准点251的偏差ΔX,ΔY,ΔZ由下式表示。
ΔX=X2-X1
ΔY=Y2-Y1 (1)
ΔZ=Z2-Z1
首先,假定机器人参量没有误差时,校准装置2所显示的坐标值为(X0,Y0,Z0),由第一次计测产生的坐标值(X1,Y1,Z1)与(X0,Y0,Z0)之差与原点误差向量ΔΘ之间,在六轴机器人的情况下,一般具有如下的关系。
上式左边的(3,6)行列式称作雅可比行列式,表示机器人的正交坐标(X,Y,Z)与连杆间角度(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6)之间的微小位移的关系,对于没有冗余自由度的一般工业用机器人可单值地推导出来。如果令该行列式为J1,则上式变为如下形式。
同样地,对于改变机器人1的姿势,所计测的校准装置2的坐标值(X2,Y2,Z2),下述公式成立。
由(4)式减去(3)式,得到下列公式。
(J2-J1)ΔΘ=(X2-X1,Y2-Y1,Z2-Z1)T
=(ΔX,ΔY,ΔZ)T (5)
从而由下式可得到原点误差向量ΔΘ。
ΔΘ=(J2-J1)-1(ΔX,ΔY,ΔZ)T (6)
因而,用校准装置2测量的坐标值,决定在原点姿势时连杆角度的修正量。
此外,由于机器人1的姿势不同,仅对同一基准点进行计测时,有时会出现成为(3)、(4)式的要素的各方程式不独立的情况,这时,在校准装置2的动作范围内改变基准点251的位置,进行同样的多姿势测量,可以推导出独立的关系式。
在运算装置3内部进行以上的运算,将原点误差向量ΔΘ的计算结果经由信号线6送到控制装置5,修正在机器人1的原点姿势时连杆间角度,校准结束。
进而,为了提高解的可靠性,可采取在同一基准点下的多种姿势,进行反复测量,或者,移动基准点,进行反复测量与运算,求出多个解,进行平均化处理。
下面,对用本发明的校准装置进行校准的方法的第二个实施例进行说明。
(1)将机器人1连接到校准装置2上,计测校准装置2的坐标值(第一次计测)。
(2)发出基准点251不动、改变机器人1的姿势的指令,使机器人运动,计测这时的校准装置2的坐标值(第二次计测)。
(3)向机器人1发出使基准点251仅移动第一次计测的坐标值与第二次计测坐标值的差值部分的指令,使其移动。
(4)计测校准装置2的坐标值,给予机器人1动作指令使其仅将基准点251移动该测量值与第一次测量值的差分值。反复进行这一操作,直到校准装置2的测量值与第一次测量值的差达到预定的水准为止。
按以上程序,获得相对于同一个基准点采取其它姿势时机器人各轴的连杆间的角度。对多个基准点的多种姿势进行这一操作,收集连杆间角度的数据,利用日本特开平6-274213号公报所公开的方法计算出修正量。
下面说明利用本发明的校准装置所进行校准的方法的第三个实施例。在这第三个实施例中,表示了从摆动轴B开始,按照旋转轴R、水平轴U、水平轴L的顺序对机器人的各个轴一个一个的个别进行校准的方法。对于旋转轴T及垂直轴S的说明,由于其原点可任意决定而省略。
图5是表示摆动轴B的校准方法的说明图。这里,令使旋转轴T与旋转轴R相互平行时摆动轴B的角度作为摆动轴B的原点,令腕部15围绕摆动轴B从前述原点仅旋转90度时的姿势作为开始姿势,将腕部前端部16经夹具26连接到图中未示出的校准装置上。其次,在机器人1上,令基准点251不动,令上臂的旋转部146绕旋转轴R仅旋转180度,将腕部15绕摆动轴B反向转到90度,即当成为开始姿势时的指令+90度的话,给出旋转到-90度的指令作为结束姿势。这时,如果摆动轴B的原点是正确的话,在开始姿势时的基准点251与结束姿势时的基准点251′之差,也就是基准点251的位移应该是零。另外,由于绕上臂的旋转部14b的旋转轴R旋转是以开始姿势为基准旋转180度,所以旋转轴R的原点位置与基准点251的位移没有关系。由校准装置2所得到的基准点251的X轴方向的位移ΔX与摆动轴B的原点误差ΔB之间的关系由下式表示。
ΔX=2IBsin(ΔB) (7)
从而由下式可得ΔB。
ΔB=sin-1{ΔX/(2IB)} (8)
其中,IB为从摆动轴B至基准点251的距离,它是事先计测的已知值。
图6是表示旋转轴R的校准方法的说明图,(a)是俯视图,(b)是正视图。这里,使摆动轴B呈水平状态,以旋转轴R的角度作为旋转轴R的原点,使上臂的旋转部14b绕R轴仅旋转90度,令腕部15绕B轴旋转预定的角度,以夹具26与Y轴平行的姿势作为开始姿势,经过夹具26将腕部的前端部16连接到图中未示出的校准装置上。然后在机器人1上,保持基准点251不动,旋转图中未示出的旋转头,保持水平轴L、水平轴U不动,发出指令,令上臂的旋转部14b绕旋转轴R反转到90度,也就是说,如果是在开始姿势的指令为+90度的话,发出旋转到-90度的指令,作为结束姿势。前述的结束姿势相对于前述开始姿势成为以机器人坐标的XZ平面为基准的镜象关系。这时,如果旋转轴R的原点是正确的话,在开始姿势时的基准点251与结束姿势的基准点251′之差,也就是基准点251的位移应该是零。由校准装置2所得到的基准点251在Z轴方向上的位移ΔZ与旋转轴R的原点误差ΔR的关系由下式表示。
ΔZ=2IBsin(ΔR) (9)
从而,ΔB可由下式得出。
ΔR=sin-1{ΔZ/(2IB)} (10)
这里,垂直轴S的原点位置与基准点251的位移无关。
图7是表示水平轴U的校准方法的说明图。这里,使旋转轴R呈水平状态,以水平轴U的角度作为水平轴U的原点,使上臂的固定部14a绕水平轴U从前述原点仅旋转θU,以腕部15绕B轴仅旋转θB的旋转姿势作为开始姿势,将腕部前端部16经夹具26连接到图中未示出的校准装置上。然后对机器人1发出指令,使上臂的固定部14a绕水平轴U仅从前述原点旋转-θU,令上臂的旋转部14b绕旋转轴R仅旋转180度,垂直轴S、水平轴L、摆动轴B均保持不动,以此作为结束姿势。前述结束姿势的上臂固定部14a更前端侧的部分的姿势成为以含有水平轴U的水平面为基准的与前述开始姿势成镜象的关系,所以,如果水平轴U的原点是正确的话,在开始姿势时的基准点251与在结束姿势时基准点251′之差,也就是基准点251的位移在X轴方向上的分量应该是零。由校准装置2所获得的基准点251在X轴方向的位移ΔX与水平轴U的原点误差ΔU的关系由下式表示。
ΔX=2{IU+IBcos(θB)}(cos(ΔU)-1)cos(θU) (11)
从而ΔU可从下式求得。
ΔU=cos-1(1+ΔX/α) (12)
其中,IU是从水平轴U到摆动轴B的距离,它是预先计测好的已知量,α={IU+IBcos(θB)}cos(θU)。
图8是表示水平轴L的校准方法的说明图。这里,使下臂13呈垂直状态,将水平轴L的角度作为水平轴L的原点,令下臂13绕水平轴L从前述原点仅旋转θL、使腕部15绕B轴仅旋转θB的姿势作为开始姿势,将腕部前端部16经夹具26连接到图中未示出的校准装置上。然后,在机器人1上,令下臂13绕水平轴L从前述原点仅旋转-θU,令腕部15绕B轴顺时针方向旋转,相对于开始姿势腕部15采用左右对称的姿势。对垂直轴S、水平轴U、旋转轴R、旋转轴T发出指令使其保持不动,作为结束姿势。由于下臂13相对于垂直姿势前后倒下相同的角度,所以如果水平轴L的原点是正确的话,开始姿势时的基准点251与结束姿势时的基准点251′之差在Z轴方向上的分量,也就是基准点251在Z轴方向的位移,应当是零。由校准装置2所得的基准点251在Z轴方向上的位移ΔZ与水平轴L原点的误差ΔL的关系可用下式表示。
ΔZ=2ILcos(θL){cos(ΔL)-1 } (13)
从而,由下式可求出ΔU。
ΔL=cos-1{1+ΔZ/2ILcos(θL)} (14)
其中,IL是从水平轴L至水平轴U的距离,是预先已测量的已知量。
对于某个轴进行上述的校准,根据其结果修正前述轴的原点,再次进行校准。如果反复进行这种校准直至达到原点误差小于预定的水准为止,则可进一步提高校准精度。
此外,不言而喻,在运算装置中编制一套这种校准顺序的程序的话,其中包含有机器人1动作程序的选择功能,则除了将机器人1与校准装置2的结合与分离之外的所有操作均可使之无人化与自动化。
如上所述,根据本发明,可达到以下的效果。
(1)因为校准装置的测量对象仅有三个自由度,所以校准装置的构造比较简单,价格便宜。
(2)由于不必计测机器人与校准装置之间的位置关系,所有校准装置的设置比较容易。
(3)除机器人与校准装置的结合与解除之外的操作均可很容易地实现自动化。
(4)在校准操作中,由于机器人的动作范围小,所以可使校准装置的动作行程变小。从而,校准装置可制得紧凑便于携带。因此,例如在工作中的机器人与工件等碰撞而造成原点偏移时,可将校准装置拿到现场,在机器人安装在现场的状态下进行校准。
工业上应用的可能性。
本发明可适用于多关节机器人的校准装置及方法。
Claims (7)
1.一种机器人的校准装置,其特征在于,它由下述各部分构成:固定台;可在直线上滑动地安装于前述固定台上的第一滑动台;计测前述第一滑动台相对于前述固定台的移动量的第一位移检测机构;可在与第一滑动台的滑动方向正交的直线上滑动地安装在前述第一滑动台上的第二滑动台;计测前述第二滑动台相对于前述第一滑动台的移动量的第二位移检测机构;可在与第一及第二滑动台的滑动方向正交的直线上滑动地安装在前述第二滑动台上的第三滑动台;计测前述第三滑动台相对于前述第二滑动台的移动量的第三位移检测机构;一端固定在前述第三滑动台上的万向接头;具有一端固定在前述万向接头的自由端上、另一端可与机器人腕部前端自由装卸的结构的夹具。
2.一种机器人的校准方法,其特征在于,将机器人腕部的前端与权利要求1所述的机器人校准装置的前述夹具相连接,对前述机器人发出保持前述万向接头的旋转轴的中心点位置不变、只改变前述机器人姿势的指令,使其动作,计测因机器人参数的误差所产成的前述万向接头的旋转轴中心点位置的移动量,对该移动量进行比较运算,从而对机器人的参数进行修正。
3.如权利要求2所述的机器人校准方法,其特征在于,前述指令是令作为校准对象的轴之外的轴保持不动,或者使作为校准对象的轴之外的轴运动到与其最初的角度轴对称的位置为止的指令。
4.如权利要求2所述的机器人校准方法,其特征在于,前述指令使前述机器人采取与机器人最初的姿势为镜象关系的姿势。
5.一种机器人的校准方法,其特征在于,将机器人腕部的前端与权利要求1所述的机器人校准装置的前述夹具相连接,对前述机器人发出作为校准对象的轴从最初的位置旋转到相对于含有前述对象轴的平面对称的位置、其它轴保持不动的指令,使其动作,计测因机器人参量的误差所产生的前述万向接头的转动轴中心点位置的移动量投影到前述平面上的向量的与前述对象轴正交的分量,对前述分量进行比较运算,从而对机器人的参数进行修正。
6.一种机器人的校准方法,其特征在于,将机器人腕部的前端与权利要求1所述的机器人校准装置的夹具相连接,对前述机器人发出保持前述万向接头的转动轴的中心点位置不变、只改变前述机器人姿势的指令,使其动作,计测因机器人参数的误差所产生的前述万向接头的转动轴中心点位置的移动量,用这一移动量修正前述机器人的位置指令,再次使前述机器人动作,反复进行对这一移动量的计测与位置指令的修正,直到前述万向接头的转动轴中心点位置的移动量充分小为止,将前述移动量变得充分小时的机器人各关节的角度指令值与最初的角度指令值进行比较运算,从而对机器人的参数进行修正。
7.一种机器人的校准方法,其特征在于,将机器人腕部的前端与权利要求1所述的校准装置的前述夹具相连接,用信号线将前述校准装置连接到运算装置上,用信号线将前述运算装置连接到机器人的控制装置上,根据装载在前述运算装置中的程序,自动地反复操作前述机器人的校准位置,直到前述机器人前端位置的误差小于预定值为止。
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