JP2000263477A - ロボットのキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単にキャリブレーションデータを得て更正
できるようにする。 【解決手段】 ロボット１をキャリブレーションするに
は、ロボット１を所定の基準姿勢に制御した状態で、一
つの回転軸を回転させる。このとき、回転軸の回転に伴
って回転するアームに設けられた測定ポイントを３点以
上測定することによりその回転面及び回転中心を求める
と共に座標系を求める。そして、各座標系の相対位置関
係に基づいて、基準座標系における各回転軸の座標系を
求め、以後においては、更正された回転軸の座標系に基
づいてロボット１を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、組付けられたロボ
ットの回転軸の位置を更正するロボットのキャリブレー
ション方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、多軸ロボットでは、治具を用
いてロボットに複数の姿勢をとらせ、その回転軸のエン
コーダの数値を用いてキャリブレーションデータとなる
数値解を簡易的に求めるようにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロボッ
ト本体の組付け誤差や、部品寸法誤差の影響を考慮する
と正確な数値解を得ることが難しくなる。つまり、ロボ
ットを動作するためのパラメータが増えるに応じて、ロ
ボットを多数の特定の姿勢に正確に動かす必要があり実
施は困難である。また、ロボットを目標とする特定の姿
勢に正確に制御する方法は特殊な治具などを用いてロボ
ットのアームの外形を機械的に当てるなどにして姿勢を
特定するものであるため、加工ばらつきなどの影響を受
けて誤差を生じ、正確なキャリブレーションデータを得
ることを困難としている。このため、誤差を有するキャ
リブレーションデータを用いて動作するロボットの動作
位置は、計算上の位置に対してずれることになり、プロ
グラミング時に指定した位置が実機でずれてしまうとい
う問題点を生じる。

【０００４】近年、ロボットの使用が汎用化され、ティ
ーチングされたロボットの動作座標位置の高精度な応用
範囲も増え、この実現が益々望まれているが、上記理由
のため困難となっている。現状は、熟練者による現合で
の調整に頼っているのが実態である。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、簡単にキャリブレーションデータを得
て更正することができるロボットのキャリブレーション
方法に関する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、ロボットをキャリブレーションするには、ロボット
を所定の基準姿勢に制御した状態で一つの回転軸のみを
回転することにより当該回転軸の回転面及び回転中心を
求める。

【０００７】続いて、その回転軸の回転面及び回転中心
に基づいて当該回転軸の座標系を求める。このようにし
て各回転軸の座標系を順に求める。この場合、斯様な座
標系はロボットを基準姿勢に制御するための回転軸の座
標系と異なっているのが一般的であるので、このように
して求めた回転軸の座標系を基準座標系に関連付けて更
正する。

【０００８】以後においては、更正された回転軸の座標
系に基づいてロボットを制御することによりロボットを
高精度に位置決めすることができる。

【０００９】請求項２の発明によれば、例えばアームに
測定ポイントを設定し、回転軸を回転することによりア
ームの測定ポイントの３次元座標系位置を３点以上認識
することにより各回転軸の回転面及び回転中心を求める
ようにしたので、ロボット毎に専用の治具を用意する必
要がない。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面を参照して説明する。図３はロボットの全体を示して
いる。この図３において、ロボット１は、ベース２、第
１のアーム３、第２のアーム４、第３のアーム５、第４
のアーム６、手首部７、フランジ部８を備えて構成され
ている。第１のアーム３はベース２に水平方向に回転可
能に設けられ、第２のアーム４は第１のアーム３に垂直
方向に回転可能に設けられ、第３のアーム５は第２のア
ーム４に垂直方向に回転可能に設けられ、第４のアーム
６は第３のアーム５に捻り方向に回転可能に設けられ、
手首部７は第４のアーム６に回転可能に設けられ、フラ
ンジ部８は手首部７に捻り方向に回転可能に設けられて
いる。尚、フランジ部８にはハンド部などが装着される
ようになっており、そのフランジ部８の先端面の回転中
心の位置を制御することによりロボット先端の位置を制
御するようになっている。

【００１１】上記構成のロボット１を制御するためのモ
デリングとしては、図４に示すように、第１のアーム３
を水平方向に回転するための第１の回転軸Ｊ1 、第２の
アーム４を垂直方向に回転するための第２の回転軸Ｊ2
、第３のアーム５を垂直方向に回転するための第３の
回転軸Ｊ3 、第４のアーム６を捩り方向に回転するため
の第４の回転軸Ｊ4 、手首部７を捩り方向に回転するた
めの第５の回転軸Ｊ5 、フランジ部８を捩り方向に回転
するための第６の回転軸Ｊ6 が設けられており、各回転
軸Ｊ1 〜Ｊ6 の回転をサーボモータで制御することによ
り各アーム３〜６及び手首部７並びにフランジ部８の回
転を制御するようになっている。

【００１２】このように構成されたロボット１は、ティ
ーチングペンダントなどを使用して設定された動作プロ
グラムに基づいて図示しない制御装置により動作される
ようになっている。動作プログラムとしては、ロボット
１の一つの動作毎にロボットの先端、即ちフランジ部８
の先端面の回転中心の位置について、動作開始位置及び
その指向方向、動作終了位置及びその指向方向、それら
の開始位置から終了位置に至るまでの途中の経路位置及
びその指向方向などのデータ、並びに速度係数や加減速
度係数などのパラメータが記憶されている。尚、速度係
数及び加速度係数とは、動作の許容最大速度及び許容最
大加速度に対する割合を定めたものである。

【００１３】制御装置は、一つの動作について、動作プ
ログラム中のデータ及びパラメータから速度パターンを
例えば台形パターンに当てはめて決定し、その速度パタ
ーンから各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の位置（角度）及び速度
（角速度）を所定のサンプリング時間（例えば１０ｍse
c ）経過毎に求める。尚、各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の位置
は、各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 のエンコーダ回転角度より得る
ことができる。そして、制御装置は、速度パターンから
求めた各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の位置及び速度を、各サーボ
モータの目標位置及び目標速度に変換してサーボモータ
を制御するようになっている。

【００１４】一方、ロボット１に設けられた各サーボモ
ータには、その回転位置及び回転速度を検出するために
図示しないロータリエンコーダが設けられており、その
ロータリエンコーダが検出した位置情報及び速度情報は
制御装置に与えられるようになっている。

【００１５】以上の動作により、各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 が
回転制御されて、ロボット先端が動作プログラムにより
定められた通りの軌跡を通過するように動作し、定めら
れた作業を実行するようになっている。

【００１６】ところで、サンプリング時間経過毎の各サ
ーボモータの目標位置及び目標速度を求めるには、ま
ず、各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 について、第１のアーム３のベ
ース２に対する位置及び速度、第２のアーム４の第１の
アーム３に対する位置及び速度というように、各アーム
３〜６及び手首部７並びにフランジ部８を支持している
部位に対する位置及び速度を求める必要がある。

【００１７】これに対して、動作プログラムに記録され
たロボットの先端位置の動作開始位置とその指向方向、
動作終了位置とその指向方向、それらの開始位置から終
了位置までの途中の経路位置とその指向方向は、全てロ
ボット１の基準座標系におけるロボット先端位置として
記録されている。

【００１８】従って、動作プログラムに記録された各位
置とその方向から求められる速度パターンは、ロボット
先端のものであるから、各サーボモータの目標位置及び
目標速度を求めるには、まず、基準座標系でのロボット
先端の位置及び速度から各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の位置及び
速度を演算しなければならない。そして、それらの各回
転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の位置及び速度を各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 間
での相対的な位置及び速度に変換し、最後に各回転軸Ｊ
1 〜Ｊ6 の相対的な位置及び速度に基づいて各サーボモ
ータの位置及び速度を求めなければならない。

【００１９】しかるに、図４に示すように、ベース２に
は３座標系Ｏ0 が設定されていると共に、各回転軸Ｊ1
〜Ｊ6 には３座標系Ｏ1 〜Ｏ6 が設定されている。この
うち、ベース２に設定された基準座標系Ｏ0 は、ロボッ
ト１の座標系として不変のものであり、他の座標系Ｏ1
〜Ｏ6 は回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の回転によって位置及び座標
方向が変化する。

【００２０】上述したようにして速度パターンから求め
られるロボット先端についての各サンプリング時間毎の
速度から各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の速度を求めるには、周知
のように逆ヤコビアン行列を用いて演算によって行われ
る。この場合の逆ヤコビアン行列は、基準座標系Ｏ0 の
ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 の３つの座標軸方向の並進運動とそれ
らの各座標軸に回りの回転運動についての６行６列の行
列式となる。

【００２１】基準座標系Ｏ0 において、各回転軸Ｊ1 〜
Ｊ6 の各サンプリング時間毎の位置及び速度が逆ヤコビ
アン行列を用いて求められると、次に座標変換が行われ
て各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の相対的な位置及び速度が演算さ
れ、それに基づいてサーボモータの目標位置及び目標速
度が求められる。

【００２２】さて、上述したように基準座標系Ｏ0 によ
るロボットの位置制御を精度よく行うためには、ロボッ
ト１の位置を更正する行う必要がある。これは、基準座
標系Ｏ0 におけるロボット先端の位置が実機の位置から
ずれていることがあるからである。この原因としては、
各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 が設計時の位置から偏心したり傾い
て組立てられていることによる要因が大きい。

【００２３】そこで、本実施の形態では、次のようにし
て回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の真の位置を求めて、基準座標系Ｏ
0 における各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の位置ずれを次のように
して更正するようにした。

【００２４】（１）各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の測定 ロボット１の姿勢を図１に示す基準姿勢となるように
制御する。 ロボット１の外形座標となる基準座標系Ｏ0 をＰ01〜
Ｐ03などの３点以上の点からオフセット位置を用いて計
算により求める。 第１のアーム３自身若しくは第１のアーム３の回転に
伴って回転する部位の表面に測定ポイント（またはそれ
を示すマーカ）を設置して、第１のアーム３のみを回転
させた状態で図示しない光学式３次元測定装置によりＰ
11〜Ｐ13で示す３点以上の測定ポイントの３次元座標位
置を計測し、その回転面及び回転中心を求めると共に、
その回転中心から回転面に垂直な第１の回転軸Ｊ1 の座
標系Ｏ1を求める。

【００２５】ロボット１を基準姿勢に戻し、第２のア
ーム４自身若しくは第２のアーム４の回転に伴って回転
する部位の表面に測定ポイントを設置（前回の測定ポイ
ントが第２のアーム４の回転時に回転する場合はそのま
ま）して、第２のアーム４を回転させた状態で図示しな
い光学式３次元座標位置によりＰ21〜Ｐ23で示す３点以
上の測定ポイントの３次元座標位置を計測し、その回転
面及び回転中心を求めると共に、その回転中心から回転
面に垂直な第２の回転軸Ｊ２の座標系Ｏ2 を求める。

【００２６】以後、同様にして、第３〜６の回転軸Ｊ3
〜Ｊ6 の座標系Ｏ3 〜Ｏ6 を求める。 最後にフランジ部８の座標系ＯｆをＰF1〜ＰF2などの
３点以上の測定ポイントの３次元座標位置から求める。

【００２７】（２）キャリブレーション方法 基準座標系Ｏ0 に対する第１の回転軸Ｊ1 の座標系Ｏ
1 を、第１の回転軸Ｊ１の測定データと上記測定位置で
のエンコーダ角度及び第１のアーム３の方向の大体の機
械的なジョイント位置（図面位置など）を用いて回転軸
方向の原点位置と各ｘｙ軸を計算しやすい方向に決定
し、相対位置関係を決定する。

【００２８】第１の回転軸Ｊ1 の座標系Ｏ1 に対する
第２の回転軸Ｊ2 の座標系Ｏ2 を、第２の回転軸Ｊ2 の
測定データと上記測定位置でのエンコーダ角度及び第２
の回転軸Ｊ2 の方向の大体の機械的なジョイント位置
（図面位置など）を用いて回転軸方向の原点位置と各ｘ
ｙ軸を計算しやすい方向に決定し、相対位置関係を決定
する。

【００２９】以降順に、第２の回転軸Ｊ2 の座標系Ｏ
2 に対する第３の回転軸Ｊ3 の座標系Ｏ3 、第３の回転
軸Ｊ3 の座標系Ｏ3 に対する第４の回転軸Ｊ4 の座標系
Ｏ4、第４の回転軸Ｊ4 の座標系Ｏ4 に対する第５の回
転軸Ｊ5 の座標系Ｏ5 、第５の回転軸Ｊ5 の座標系Ｏ5
に対する第６の回転軸の座標系Ｏ6 の相対位置関係を同
様に決定する。

【００３０】第６の回転軸Ｊ6 の座標系Ｏ6 に対する
フランジ部８の座標系ＯF の相対位置関係を第６の回転
軸Ｊ6 の測定データと上記測定位置でのエンコーダ角度
及びフランジ面の測定位置ＰF1〜ＰＦ3 を用いて同様に
相対位置関係を決定する。尚、上記〜については、
フランジ部８から逆に決定するようにしてもよい。

【００３１】以上のようにして最終的には各回転軸Ｊ1
〜Ｊ6 の座標系Ｏ1 〜Ｏ6 及びフランジ部８の座標系Ｏ
F を基準座標系に変換して求めることができるので、ロ
ボットを制御する際の回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の座標系として
変換された座標系を使用することによりロボット１を位
置精度よく制御することができる。

【００３２】このようなロボット１のキャリブレーショ
ン方法によれば、ロボット１の各回転軸Ｊ1 〜Ｊ6 の座
標系を測定し、それらの座標系と基準座標系との相対関
係に基づいてロボット先端を正確に位置決めすることが
可能となる。従って、各回転軸の座標系として設計値の
ものを用いている従来例のものと違って、回転軸Ｊ1〜
Ｊ6 の位置を実機に合致させることができるので、回転
軸Ｊ1 〜Ｊ6 のずれ歪みを考慮したロボット１の正確な
キャリブレーションが可能となる。また、このようなキ
ャリブレーション方法は、光学式３次元測定装置を利用
して行うことができるので、ロボット毎に専用の治具を
用意する必要がない。

【００３３】また、測定ポイントをフランジ部８に設定
した場合は、測定ポイントを移動することなく各回転軸
Ｊ1 〜Ｊ6 の座標系を求めることができるので、測定時
間を大幅に短縮することができる。

【００３４】本発明は、上記実施の形態に限定されるも
のではなく、測定ポイントをタッチ式３次元測定装置を
用いて測定するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における基準姿勢の各回
転軸の座標系を示すロボットの斜視図

【図２】ロボットの基準姿勢の各回転軸のモデリングを
示す図

【図３】ロボットの斜視図

【図４】ロボットの各回転軸のモデリングを示す図

【符号の説明】

１はロボット、２はベース、３〜６はアーム、７は手首
部、８はフランジ部である。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3F059 BA03 FB26 5H269 AB33 BB03 BB07 CC09 DD08 EE03 FF01 FF02 JJ02 JJ18 JJ19 PP15 QC10 SA03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットを所定の基準姿勢に制御した状
   態で一つ回転軸のみを順に回転することにより各回転軸
   の回転面及び回転中心を求め、 各回転軸の回転面及び回転中心に基づいて当該回転軸の
   座標系を求め、 各回転軸の座標系を基準座標における座標に相対的に関
   連付けて更正することを特徴とするロボットのキャリブ
   レーション方法。
2. 【請求項２】 一つの回転軸の回転に応じて動作する可
   動部に測定ポイントを設け、一つの回転軸を回転したと
   きに上記測定ポイントの３次元座標系位置を３点以上認
   識することにより各回転軸の回転面及び回転中心を求め
   ることを特徴とする請求項１記載のロボットのキャリブ
   レーション方法。