JP2002532268A - ロボット・ツールのセル整列、識別、および較正のための方法 - Google Patents
ロボット・ツールのセル整列、識別、および較正のための方法Info
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Abstract
Description
する。特に、本発明の目的は、プログラミングされた移動経路を長期間にわたっ
て再プログラミングを必要とすることなく正確に繰り返すというインストールさ
れたアプリケーションの能力を保証する目的で、被加工物に対するツールの操作
点とロボットの位置を決定および較正することである。
細書に定義されている種類の方法は、長年成功裡に用いられており、大部分の基
本的な必要事項を高度にすぐれた態様で満たしている。
シミュレーションおよびオフライン・プログラミングに関連する厳しい精度要求
を満たすには不十分であると判明している。さらにまた、ツールまたはロボット
軸に生ずる遊びまたは軸における摩擦などのさまざまな種類の欠陥が方法に影響
して、検知不可能な誤った較正を引き起こすことがあることもわかっている。こ
の結果、プログラミングされた点をすべて人手によって調節することによってロ
ボット移動プログラムを更新する必要がある。これは時間のかかる作業であるの
みならず、さらにロボット・プログラムが誤った較正データで更新される結果に
もなる。この結果は、以後の偶発時における停止回数の制御ロスとなる。また、
少ないが通常発生する非理想的な状況が較正反復性の低下を引き起こし得ること
もわかっている。
較正ツールがロボットの上に取り付けられていて、較正ビームを過ぎて数回動か
される。この過程をさまざまなロボット構成を用いて多数回繰り返すことによっ
て、ロボットの較正が可能になる。
ロボットに適用しなければならないので、時間がかかり高価である。さらに、ロ
ボットを較正するために多数回のサイクルが必要である(例えば、自由度6のロ
ボットの場合には38サイクル)。さらにまた、SE508161に記載の種類
の較正は、ある作業環境に置かれたロボットに関しては特に便利ではないが、こ
の従来技術の方法は、さらに特定すればロボットを作業場に取り付ける前のロボ
ットの事前較正に関係がある。さらに、ロボットの運動モデル全体の知識が必須
となる。
トの位置を決定する目的のためのセル較正(いわゆるセル整列)。 ロボット・ツールの識別と較正。 両必要事項とも満たして、ロボットのアプリケーション関連機能を保証しなけれ
ばならない。
、ロボットが正確にプログラミングされた移動経路を長期間にわたって確実に反
復することができるように、頑丈で永久的にインストールされ、絶対に正確であ
り、精密に反復することができ、自動的で高速かつ低廉な、ロボット・ツールの
、セル整列、識別、および較正方法への要望を満たすことである。較正が不可能
な場合もあり、その時は、識別を用いて、検出したパラメータの変化に対応する
態様でプログラミング点をすべて自動的に変換することができる。
る。
進歩した方法であって、この分野に適用可能であり、適用の対象に直接働いて、
ユーザに有用な精度を最適化するものである。
掴み装置の既存の基準対象などの平凡なツールがうまく作動して課題を達成する
。
密さ全体は、点検され、そして/または解析によって較正され、この結果、ユー
ザはロボットにより実行される適用においてユーザに利用可能な精度の情報を得
る。この方法は、全く同一の作業において最適化された精度の度合を、問題の適
用における使用精度に置き換えてユーザに提供する。この方法は、別々に部分最
適化された3つの較正を含むので、個別に入念に測定されたツールを有し且つ被
加工物に対するロボットの位置の精密測定を伴う個別に較正されたロボットを使
用するよりも、高度の精度を適用に与えることができる。
することなく適用可能であり、この特徴は、個々のシステムへの独立した適用に
関する要件が少ないこと、また運動モデルは利用が困難であり、加えて絶対精度
に関する市場からの要件が厳しくなるにつれてますます複雑になるという理由で
(この理由で、個々のシステムを作ることは問題とするロボット・システムの特
別の知識を所有しない限りますます時間がかかるものになる)、実用的適用性お
よび工業的有用性の幅を広げる。
を参照して、本発明を以下にさらに詳しく説明する。
たスポット溶接に適用される工業用ロボットまたはマニピュレータにおける専用
適用の実用例を挙げて説明する。
そのうちの1つは本質的に静止で、他の1つは可動である。本例では、静止電極
2は標準形式のもので、形状は本質的に円筒状であり、円筒軸が番号3で示され
ている。ツールの動作点を較正する目的は、ガンが開いて固定されて釣り合いが
達成されると、ロボットのツール締付け板1によって明白に画定されたロボット
・ハンド座標系4に関して、電極の外形によって明白に画定された動作位置5の
位置選定を決定することである。この点に関してさまざまなユーザにさまざまな
所望があるが、本発明はそれぞれに応じて適合することができる。ツール変換部
(transform)6は自由度6に設定する。
され、ツール変換部の回転部分については十分に正確であるが、並進運動部分は
定期的に較正する必要がある。需要の多い並進運動は名目値から10mm以内で
あると想定されるが、これは、実際的な装置におけるこの値以上の偏差では再指
向が必要となるからである。これらは実用的性質の制約であるが、本発明に制限
を課すものではない。
ットの動作範囲内に設置されている。ビームの位置も方向も知る必要はない。ビ
ームの中断を検知することが可能でなければならない。このような検知は、電極
の表面が検出器ラインに対してわずかに接していることを指示するのである。次
に、空間における検出器ラインの名目方向の十分な精度を伴う決定を可能にする
自動的な方法を述べる。この方向が判ると較正の開始が可能になる。
質的に検出器ラインに直角に延びるように、ロボットを位置付ける。次いで、ロ
ボットは、円筒がビームをさえぎるように検出器ラインを通り過ぎて電極を移動
させる。検出器ラインに接する位置に電極の表面があることを検出器ラインが検
出するたびに、その瞬間にロボットが占める位置が登録(registrati
on)されることになる。ロボットの動きのパターンは例えば図4に示すように
行うことができ、この図では検出器ラインに直角な平面における電極に対する検
出器ラインの動きが示され、したがって電極はこの平面においては一点である。
ロボットは電極を前後に、AからBへ移動させ、またAへ戻す。検査と計算に続
いて、電極はライン検出器が円筒軸に沿って延びるように位置付けられ、ロボッ
トは電極を前後に移動させ、検出器ラインがCとDとの間を前後移動することを
保証する。さらなる計算に続いて、AB間における移動が、このときは、電極の
接触表面からある既知の距離にて繰り返される。接線接点7,8からのデータは
記憶される。登録/記憶はそれぞれ、ロボット軸データの形態またはデカルト座
標の形態、もしくはその両方で実施し記憶することができる。デカルト座標での
登録は、ロボットのツール取付け板の位置またはその他周知のツール変換部に関
連させることができよう。
じパターンの移動が繰り返される。この手順は同じように繰り返され、検出器ラ
インを中心としたある角度にわたる回転に続く。
つの異なる角位置、すなわち1つの出発位置と2つの回転について全部繰り返す
必要がある。2つの回転は同じ軸を中心として実施してはならない。理論的には
、この最小の位置合せ(registration)で十分であるが、実用性の
面で満足な精度を与えるしっかりした適用が得られる可能性は、2つの角位置間
の角度が増すと、そして同じく回転軸の角度が大きくなると増加する。
ョンで実施するためには、多数の角位置を使用して位置合せ工程を繰り返す必要
はない。収集された情報データの容積は大きくなり、実用性上の多くの問題の解
決を可能にする。小幅な回転移動を行い、円筒形との接線接点の位置合せを繰り
返すことによって、多数の位置合せを行うことができ、回転移動の端位置におけ
る位置合せよりも著しく長い時間を費すことはない。これらの位置合せをどのよ
うに変えるかという戦略は、特定の環境に適合するために無限に変わり得る。原
理は各位置を登録することであり、それらの位置では、円筒形のジャケット面ま
たは端面が検出器ラインにわずかに触れる。
、各々不連続な位置合せのときには、電極の表面が、未知であるものの静止の検
出器ラインに沿った任意の点にあるという想定にのみ基づく。さらに、どの登録
がジャケット面位置合せであるか、そしてどの位置合せが端表面位置合せである
かがわかっている。ジャケット面と検出器ラインの間の接線接点および端表面と
検出器ラインの間の接線接点を表す方程式が、それぞれ定義される。これらの方
程式は、ロボット・ハンドの座標系における検出器ラインの位置と電極の位置を
それぞれ決定する未知のパラメータを含む。こうして、各々の不連続な検出時点
について、8つの未知のパラメータを含む自由度6の関係が得られる。最小デー
タの登録は自由度6で決定された9つの記憶された位置、すなわち54個の数を
利用可能にする。結果は、広範囲で非常に過度に多元決定された方程式系であり
、さまざまなエンドユーザの要求を満たすために使用することができる。
切で信頼性のある結果を与えるかを、自動的に決定可能にすることである。これ
を達成するために、2つの基本方程式に誤差ベクトルを導入し、これによって、
誤差ベクトルはある方向(sense)で好ましくは最小二乗(square)
の方向で最小になるという条件で、この系が解かれる。
較正作業がスポット溶接の適用に受け入れ可能である結果を与えたこと、または
警告を出すべきか否かを、自動的に確認することが可能になる。通常起る誤差は
、ガンにて発生する遊びまたはロボット継手にて発生する摩擦、ロボット軸の誤
ったゼロ位置調節、またはロボットの精密チェーンにおける変形した機械部品、
またはその他の欠陥であり、これらは故障または摩耗から生ずるものである。既
存の技術装置では、これらの状況は先に説明した問題を発生させる。誤差ベクト
ルの自動的解析のおかげで、各誤差を様々なありうる誤差原因に関連づけること
が可能になる。
として例えば軸4,5のゼロ点を導入することが可能になる。実測誤差が軸4ま
たは5におけるゼロ点の永久的なずれによる場合には、これは誤差ベクトルの最
小化にて現れ、識別に従った誤差ベクトルの較正によって、ロボットの動作プロ
グラムは、人手によるプログラム調節を必要とすることなく、使用され続けるこ
とができる。同様にして、ガンの旋回中心における遊びの発生が方程式の中で明
確にされ、起り得る誤りを示すために警告がなされる。この方法も同様に、より
広範囲に適用されて、絶対精度を達成するために多数のロボット・パラメータを
識別する。
して、ユーザの作業場にすでにイストールされているロボットの後較正を可能に
する方法には、多大の関心がある。
望位置に配置し、電極が検出器ライン上またはこの近くに位置して円筒軸が本質
的に検出器ラインと直角に延びるまで、ロボットを手動でちょっと動かす。それ
から設定プログラムが開始され、このプログラムは、純粋な並進移動を用いて、
ジャケット面ならびに端面との、検出器ラインに沿ったいくつかの接線接点を登
録する。この配置によって、ロボットは空間における検出器ラインの方向付けを
高い精度で計算することができる。円筒軸はすでに周知であり、残りの移動は互
いに直角に延びるこれらの線によって実施される。また好ましいならば、空間中
の電極の方向付けを同様な方式で決定することができる。そのうえに、公称(n
ominal)ツール変換部について知識は必要でない。この理由は、小さな回
転移動および簡単な計算が、電極または検出器ラインのおおよその位置を検出す
ること、そして衝突の危険性なしに多数の回転が実施できるまで決定工程を連続
的に調整することを容易にする。
えば正確に配列することができる垂化した部分を有するスレッド(thread
)などの、数学的に説明できるどのライン検出器も使用することができよう。ま
た、点による構成或いはヒステリシスなどのより複雑な性質を処理する構成にな
った位置検出器も、光カーテンなどの表面センサ、レーザ・スキャナや、シート
・メタルなどの接触感知表面と同様に、使用することができる。
知器/センサを提供する。液体表面を用いることの特色となる利点は、セル(c
ell)較正のために非常に便利な特徴である、重力方向に対する液体表面の垂
直度である。
れが新しい検出器を考案した理由である。この新しい検出器は、個別にまたは順
次に検出することができる2本または数本の隣接しているが平行ではない線を使
用する較正検出器である。線の間の角度は知る必要はない。異なる線上の検出点
間の間隔は、検出が発生した検出器ラインに沿った個所に関して直接相対尺度を
提供する。計算作業が完了すると、両方またはすべての線の数学式、そして次い
で個別の位置合せが、検出が生じた線に沿った場所に関しても解かれる。
が、適当な点を登録する必要がある。スポット溶接の場合には、円筒表面に沿っ
てより多くの点が登録され、円筒軸の向きを識別することができる。点間の間隔
は最終精度の要求を満たすのに十分なものでなければならない。
、本発明はこの種の形状に制約されるものではない。限定した数のパラメータに
よって数学的に表現できる物体はすべて使用できる。原理は同じである。本発明
は正方物体または平行六面体などの角状物体にも適用可能である。ある場合には
、例えばつかみ装置に関しては、適当な場所に1つまたはいくつかの、つかみ装
置のツール変換部を明白に定義できる、好ましくは円筒状の対象物を導入するこ
とが有利であると思われる。通常は、つかみ装置はツール変換部全体に関して較
正される必要があり、この理由で3つの対象物の使用が推奨される。
ト座標位置合せは、ロボットのツール取付け板またはその他いずれかの知られた
ツール変換部に関係する。
れるかぎり、任意、反復可能、および反復不可能にすることができる。位置合せ
と記憶の工程は、(xyzabcまたは軸位置θ1、θ2、...θ6などの)
自由度6でツールの空間位置の明白な特定化を行なうのに十分なデータを与える
ことが好ましい。しかしこれは必要ではない。例えばxyzのみが利用可能であ
れば、数学をそのように適合させることができる。この方法を1次元の位置合せ
に適用することも可能であるが、これはある設備において数学的特異性の形の解
決不可能な問題などに遭遇する危険性を増加させる。
るならば、精度は著しく向上することになる。例えば軸4,5を鏡像状(軸空間
において反転した符号状)に置くことができるが、主軸は本質的に出発位置にお
けると同じ位置にあり、ツールが出発位置におけると同じ位置を再びとるように
軸6を調整することができる。或いは、軸1を180度に置き、軸2,3をヘッ
ドの上(「頭の上」)に置くことができる。
れるが、これは、これらのデータが例えば軸4,5におけるゼロ位置較正に特に
強力であるからである。この場合、登録工程は検知線において異なる回転移動を
含んではならない。この場合、高度の精度でロボットを軸4,5のゼロ位置に関
して較正することができる。また、軸6におけるゼロ位置も較正することができ
るが、この状況はツール変換部の回転移動と区別することはできない。しかしな
がら、希望する最終結果、すなわち既存のロボット・プログラムが較正後に有効
になること、は達成される。
法は上述に類似して行われる。
業課題に対して既知の正確な位置に置くように配置することによって、自動的セ
ル較正を実施することができる。完全なセル較正は2本の線を用いて実施され、
この場合にロボットとそのツールは問題のセルに適合している。垂直線と既知レ
ベルにおける液体表面も完全な較正を提供する。他の検出器も類似の方式で使用
することができる。
、設置基準として2本またはそれ以上の検出器ラインを設けることが特に有利で
ある。次に、これらの検出器ラインは、本発明の教示に従って較正されるロボッ
トによって使用され、こうしてオフライン・プログラムされたロボットのライン
稼動への投入が著しく容易になる。
ることなく本発明のいくつかの変形および変更ができることは、本技術分野にお
ける平均的な専門家には明白であるはずである。したがって、特許請求の範囲に
よって課されたものを、本発明の範囲に関する唯一の制限と見なすべきである。
ある。
Claims (16)
- 【請求項1】 ロボット・ツールのセル整列、識別、および較正のための方
法であって、 ロボットの一部分、好ましくはロボット・ツールの一部分を検出器に近い位置
に置く段階と、 前記ロボット部分を、検出器の検出器区域の限界を通り過ぎて繰返し移動させ
る段階と、 前記ロボット移動中に、前記ロボット・ツールの表面が検出区域と接線接触す
るたびに、ロボットの姿勢すなわち制御システムによって認識されるその機械的
位置を登録する段階と、 登録された姿勢と、検出器の検出区域およびロボット部分の空間における位置
に関する未知パラメータとの間の相関から成る多元決定された方程式系を形成す
る段階と、 誤差ベクトルを方程式系に導入する段階と、 前記の方程式系を解くと同時に、誤差ベクトルを好ましくは最小二乗の方向で
最小にして、前記未知のパラメータと誤差ベクトルを識別する段階と、 を含む方法。 - 【請求項2】 前記未知のパラメータがツールの動作点を決定するパラメー
タを含む請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記未知のパラメータが、ロボット軸の少なくとも1つのゼ
ロ点を含み、方程式系を解くことによって前記ゼロ点のいかなる移動も識別され
る請求項1または請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】 前記未知のパラメータが、ロボットの課題に関連してロボッ
トの取付け位置を決定するパラメータを含む前記請求項のいずれか一項に記載の
方法。 - 【請求項5】 ロボットの姿勢が少なくとも2つの異なる回転に関連して登
録される前記請求項のいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項6】 各回転によってロボット部分は、検出器の検出区域の限界を
通り過ぎて第1直線(A−B)に沿って、その後、検出器の検出区域の限界を通
り過ぎて第1直線に本質的に直角の第2直線(C−D)に沿って、最後は再び検
出器の検出区域の限界を通り過ぎて第1直線(A−B)に沿って移動する請求項
5に記載の方法。 - 【請求項7】 前記ロボット部分が本質的に円筒状である前記請求項のいず
れか一項に記載の方法。 - 【請求項8】 前記検出器がライン検出器を含み、ライン検出器の検出区域
が直線である前記請求項のいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項9】 前記検出器がいくつかのライン検出器を含み、これらライン
検出器は多数の異なる姿勢の登録を可能にする請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】 前記検出器が表面検出器を含む前記請求項のいずれか一項
に記載の方法。 - 【請求項11】 表面検出器が液体の表面である請求項10に記載の方法。
- 【請求項12】 前記ロボット部分を検出器の検出区域の先に繰返し移動さ
せる段階と、ロボット部分の表面が検出区域と接線接触するたびにロボットの位
置を登録する段階が、少なくとも2つの異なった軸構成について、例えば鏡像状
に位置する2つのロボット軸によって繰り返される前記請求項のいずれか一項に
記載の方法。 - 【請求項13】 検出器がロボットの課題に関連して既知の位置をとる、ロ
ボットをセル較正するための前記請求項のいずれか一項に記載の方法の使用。 - 【請求項14】 ツールの動作点を較正するための前記請求項のいずれか一
項に記載の方法の使用。 - 【請求項15】 ロボットにおける遊びなどの誤差や精度の欠陥を識別する
ための前記請求項のいずれか一項に記載の方法の使用。 - 【請求項16】 現場における事後較正に関していくつかのロボット・パラ
メータの1つを識別するための前記請求項のいずれか一項に記載の方法の使用。
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