JP2003117861A - ロボットの位置補正システム - Google Patents

ロボットの位置補正システム

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JP2003117861A
JP2003117861A JP2001316750A JP2001316750A JP2003117861A JP 2003117861 A JP2003117861 A JP 2003117861A JP 2001316750 A JP2001316750 A JP 2001316750A JP 2001316750 A JP2001316750 A JP 2001316750A JP 2003117861 A JP2003117861 A JP 2003117861A
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Takashi Sato
敬 佐藤
Toshihiko Koyama
俊彦 小山
Yuji Kawaguchi
裕司 川口
Toshihiko Tsukada
敏彦 塚田
Hiroshi Ito
伊藤　　博
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Denso Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1692—Calibration of manipulator
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
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    • B25J9/1638—Programme controls characterised by the control loop compensation for arm bending/inertia, pay load weight/inertia

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  • Manipulator (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単で安価な構成で、ロボット本体の
位置検出ひいては位置補正を十分な精度で行う。 【解決手段】 ロボット本体１１の各軸（アーム１４〜
１８）に、例えば同心円からなるターゲット２４を設け
る。各軸のターゲット２４部分を撮像するためのＣＣＤ
カメラ２５を設け、その画像データから各ターゲット２
４の位置を検出する視覚認識装置を設ける。例えば重力
の影響により、エンコーダにより得られる角度と現実の
角度との間で差が生じ、ロボットの指令ポーズと実現ポ
ーズとの間に誤差が生ずる場合、まずロボット本体１１
の１軸上のターゲット２４の位置を３点以上検出するこ
とに基づいて、設置パラメータの導出が行われ、次に、
ロボットの動作時に、例えば２軸、３軸上のターゲット
２４の位置検出を行うことに基づき、その結果得られる
各軸の角度の誤差を用いてポーズを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、視覚認識を用いて
ロボット本体の位置誤差の補正を行うようにしたロボッ
トの位置補正システムに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】産業用ロボット例えば
組立用の多関節（６軸）型ロボットを用いたシステムに
おいては、近年、ロボット本体に対する教示作業を、計
算機による仮想環境で行うことが可能となってきた。と
ころが、実際には、例えば、温度変動によるリンク長さ
の変動や、ロボット本体の姿勢に起因する負荷変動（重
力の影響）等によって、ロボットアームが、理論上（計
算機環境上）の位置から若干の位置ずれを生ずる場合が
ある。このため、精度を要求される組立て等の用途にお
いては、実工程においてロボットを教示し直す必要が生
ずる。
【０００３】この場合、ロボット本体の先端のエンドエ
フェクタ（手先部）の位置及び姿勢を直接的に検出（測
定）することは困難性を伴い、また、従来では、ロボッ
トが動作する領域を十分な精度で計測することは困難で
あった。あるいは、ロボットの位置を高精度で検出する
ことが可能であっても、そのための構成が極めて高価と
なることが予測された。
【０００４】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、比較的簡単で安価な構成で、ロボット
本体の位置検出ひいては位置補正を十分な精度で行うこ
とを可能としたロボットの位置補正システムを提供する
にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、視覚認識
に基づいてロボット本体の位置検出を行うにあたり、ロ
ボット本体の先端のエンドエフェクタを直接検出しなく
とも、各軸（関節）の位置（姿勢）を正確に検出できれ
ば、それら各軸の位置から手先の位置を高精度に求める
ことができることに着目し、ロボット本体の各軸に対応
して設けられた被観測点（ターゲット）を撮像手段によ
り撮像することにより、その画像データから各被観測点
の位置を検出し、これに基づいてロボット本体の位置検
出ひいては位置補正を十分な精度で行うことが可能であ
ることを確認し、本発明を成し遂げたのである。
【０００６】即ち、本発明の請求項１のロボットの位置
補正システムによれば、ロボット本体の各軸に対応して
被観測点を設けると共に、各被観測点を撮像する撮像手
段の撮像手段の画像データから、位置検出手段により各
被観測点の位置を検出し、その位置検出に基づいて補正
手段によりロボット本体の位置を補正する構成としたの
で、比較的簡単で安価な構成で、ロボット本体の位置検
出ひいては位置補正を十分な精度で行うことを可能とす
ることができたのである。
【０００７】また、この場合、撮像手段を複数設けて、
被観測点を複数方向から撮像可能に構成することにより
（請求項２の発明）、撮像手段から被観測点までの距離
を正確に検出することが可能となり、この結果、被観測
点の位置及び姿勢を求める際の精度を高めることができ
る。さらには、撮像手段を移動させる移動手段を設ける
と共に、ロボット本体の各軸の動作範囲情報に基づいて
その移動手段を制御する移動制御手段を設ける構成とし
ても良く（請求項３の発明）、これにより、各軸の動作
範囲において撮像手段による被観測点の撮像を効果的に
行うことができるようになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を例えば組立用の垂
直多関節（６軸）型ロボットの位置補正に適用した一実
施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、
本実施例に係る位置検出装置の位置検出対象となるロボ
ット本体１１が、組立作業設備の設置面（作業台）１２
上に設置されている様子（外観）を概略的に示してお
り、まず、このロボット本体１１の全体構成について簡
単に述べる。
【０００９】このロボット本体１１は、前記設置面１２
上に固定設置されたベース１３（リンク０）上に、第１
〜第６アーム１４〜１９（リンク１〜６）を、関節１〜
６を介して順に連結して構成されている。この場合、各
関節１〜６（各軸）は、全て回転機構で構成されてい
る。具体的には、ベース１３上には、第１アーム１４
（リンク１）が、垂直方向の回転軸Ｊ１を有する関節１
により回動（旋回）可能に設けられ、その第１アーム１
４の先端には、第２アーム１５（リンク２）が、水平方
向の回転軸Ｊ２を有する関節２により回動可能に設けら
れ、その第２アーム１５の先端に、第３アーム１６（リ
ンク３）が、水平方向の回転軸Ｊ３を有する関節３によ
り回動可能に設けられている。
【００１０】さらに、その第３アーム１６の先端面部
に、第４アーム１７（リンク４）が、回転軸Ｊ４を有す
る関節４により同軸回転可能に設けられ、第４アーム１
７の先端には、第５アーム１８（リンク５）が、回転軸
Ｊ５を有する関節５により回転可能に設けられ、第５ア
ーム１８の先端面に第６アーム１９（リンク６）が、回
転軸Ｊ６を有する関節６により同軸回転可能に設けられ
て構成されている。そして、前記第６アーム１９の先端
（手先）のエンドエフェクタ取付面（メカニカルインタ
フェース）には、図示しないハンド等のエンドエフェク
タが着脱（交換）自在に取付けられるようになってい
る。
【００１１】また、上記したロボット本体１１の各アー
ム１４〜１９（関節１〜６）は、エンコーダ付きのサー
ボモータ（図示せず）によりそれぞれ駆動されるように
なっており、それら各サーボモータは、ロボット制御装
置（コントローラ）２０（図２にのみ図示）によりフィ
ードバック制御されるようになっている。このロボット
制御装置２０は、マイコンを主体として構成され、図２
に示すように、前記ロボット本体１１を制御する制御部
２１や、作業プログラムや作業位置データ等が記憶され
る記憶部２２を備えて構成されている。
【００１２】このとき、ロボット制御装置２０は、各エ
ンコーダの出力から各モータ（出力軸）の現在位置（各
軸毎に設定された原点からの回転角度θ1 〜θ6 ）を
得、エンドエフェクタ取付面のポーズ（位置及び姿勢）
を算出するようになっている。これにて、ロボット制御
装置２０は、記憶部２２に記憶された作業プログラムに
従い、作業位置データに基づいてロボット本体１１を制
御し、以て、部品の組立作業等を自動的に実行させるよ
うになっている。
【００１３】さて、上記ロボット本体１１の計算機環境
上の位置（指令ポーズ）と現実の位置（実現ポーズ）と
の間に例えば重力の影響等によりずれが生ずる場合、そ
の位置補正を行うための、本実施例に係る位置補正シス
テム２３の構成について、以下述べる。ここで、まず図
１に示すように、ロボット本体１１の外壁面には、被観
測点となるターゲット２４がこの場合複数個設けられる
ようになっている。本実施例では、これらターゲット２
４は、例えば同心円を平面上に表示して構成され、この
場合、前記ベース１３、第１〜第５アーム１４〜１８の
外壁に夫々設けられている。
【００１４】前記位置補正システム２３は、図２に示す
ように、前記各ターゲット２４部分を撮像する撮像手段
たるＣＣＤカメラ２５や、マイコンを主体としてなり前
記ＣＣＤカメラ２５からの画像データを処理する視覚認
識装置２６等から構成される。前記ＣＣＤカメラ２５
は、図１に示すように、設備の設置面１２上に、前記ロ
ボット本体１１に対向して各ターゲット２４を撮像可能
な位置（且つ作業の邪魔にならない位置）に設けられ
る。
【００１５】このとき、本実施例では、このＣＣＤカメ
ラ２５は、ロボット本体１１に向って左右に２個が設け
られており、詳しい説明は省略するが、これら２台のＣ
ＣＤカメラ２５を用いることにより、ＣＣＤカメラ２５
から各ターゲット２４までの距離をも高精度に検出でき
るようになっている。さらに、各ＣＣＤカメラ２５は、
垂直軸を中心に回動（旋回）可能に設けられると共に、
水平軸を中心に上下方向に回動（角度変更）可能に設け
られており、移動手段たるカメラ駆動装置２７によっ
て、各ターゲット２４を撮像できる向きとなるように移
動されるようになっている。
【００１６】前記視覚認識装置２５は、図２に示すよう
に、前記ＣＣＤカメラ２５により撮像された各ターゲッ
ト２４の画像データを記憶する画像記憶部２８や、その
画像データを処理する演算処理部２９等を備えて構成さ
れる。また、前記演算処理部２９は、前記カメラ駆動装
置２７の駆動制御をも行うようになっており、移動制御
手段としても機能するようになっている。この際、各Ｃ
ＣＤカメラ２５の位置（三次元的な撮影角度）を自ら認
識できることは勿論である。
【００１７】そして、詳しくは後の作用説明にて述べる
ように、この視覚認識装置２６（演算処理部２９）は、
そのソフトウエア構成（処理プログラムの実行）によ
り、前記ＣＣＤカメラ２５により各ターゲット２４部分
を撮像し、その画像データを処理して、各軸のターゲッ
ト２４の位置を夫々検出し、それらターゲット２４の検
出位置から、実際のロボット本体１１の手先の位置（及
び姿勢）を得て位置補正を行うようになっている。従っ
て、演算処理部２９が位置検出手段及び補正手段として
機能するようになっている。
【００１８】次に、上記構成の作用について述べる。
尚、ここで使用する用語については、JIS B 0134-1993
に準拠する。ここで、ロボット本体１１の運動を記述す
る方法として、デナビット・ハーテンバーグ(Denavit,H
artenberg)により提案された表記法が知られている(J.D
enavit and R.S.Hartenberg. kinematic notation forl
ower pair mechanisms based on matrices.ASME Journa
l of Applied Mechanics,215-221,1955) 。この表記法
では、座標系ｉから座標系（ｉ−１）への同次変換行列
は、各軸毎に４つのパラメータ（θ、ｄ、ａ、α）で導
出される次の４×４行列で与えられる。
【００１９】
【数１】
【００２０】ロボット制御装置２０は、ロボット本体１
１の各軸のモータのエンコーダから得られるモータの現
在位置（角度θ1 〜θ6 ）から、次式により、メカニカ
ルインタフェースのポーズ（位置及び姿勢）を算出する
ことができる。
【数２】 ただし、（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）は、ロボットベース座標
系でのメカニカルインタフェースの中心座標、（Ｎ
Ｘ１，ＮＹ１，ＮＺ１）、（ＯＸ１、ＯＹ１、Ｏ
Ｚ １）、（ＡＸ１、ＡＹ１、ＡＺ１）は、それぞれメカ
ニカルインタフェース座標系のＸm 軸、Ｙm 軸、Ｚm 軸
の方向余弦である。
【００２１】上記（２）式は、ロボットのベース座標で
の記述であるが、任意の座標系での座標は、同様の記法
で、
【数３】 により計算することができる。以下、これを測定機座標
系での記述とする。
【００２２】従来では、ロボット制御装置２０は、機構
設計時に決定されるパラメータ（ｄ，ａ，α）、及び、
モータのエンコーダから得られる出力軸回転角度（θ）
を用いて、上記（３）式によりメカニカルインタフェー
スのポーズを計算している。ところが、現実には、例え
ば温度変動によるリンク長さの変動や、ロボット本体１
１の姿勢に起因する負荷変動（重力の影響）等によっ
て、計算により得られるポーズと実現ポーズとの間に誤
差が生ずる場合がある。特に、本実施例におけるロボッ
ト本体１１の構成では、２軸及び３軸の実際の角度θ
が、重力の影響により、エンコーダにより得られる角度
との間で差が生じ、結果として、ロボットの指令ポーズ
と実現ポーズとの間に誤差が生ずる。
【００２３】そこで、本実施例では、位置補正システム
２３により、ロボット本体１１の各軸（アーム１４〜１
８の外壁部）に設けられたターゲット２４の三次元位置
を検出することに基づき、上記誤差の補正が行われるよ
うになっている。ターゲット２４の位置検出にあたって
は、ロボット制御装置２０からのロボット本体１１の各
軸の動作範囲情報に基づいて、前記カメラ駆動装置２７
により、前記ＣＣＤカメラ２５がターゲット２４をその
視野のほぼ中央部にて撮像できる向きに移動される。
【００２４】そして、その状態で、ＣＣＤカメラ２５に
よりターゲット２４部分を撮像し、視覚認識装置２６に
よりその画像データを処理してターゲット２４の中心位
置を算出することに基づいて行われる。また、このと
き、詳しい説明は省略するが、２台のＣＣＤカメラ２５
により、ターゲット２４を２方向から撮像することに基
づき、ＣＣＤカメラ２５からターゲット２４（投影面）
までの距離Ｌが正確に検出されるようになっている。
【００２５】ここで、ロボット本体１１におけるターゲ
ット２４の表示面が、ＣＣＤカメラ２５に対して正対せ
ずに傾斜して位置している場合には、斜めに投影された
画像を撮像してしまい、ターゲット２４の画像が真円で
はなく歪みを有した状態となり、その重心を求めても、
ターゲット２４の真の中心位置φに一致しない不都合が
生ずる。ところが、本実施例では、ターゲット２４を半
径の異なる同心円から構成したので、ターゲット２４の
表示面に傾斜があっても、以下のようにしてターゲット
２４の真の中心位置φを検出することができる。
【００２６】即ち、説明が煩雑となることを避けるた
め、詳しい説明を省略して結論のみを述べるが、カメラ
座標系を、ＣＣＤカメラ２５の視点を原点とし、その光
軸をｚ軸に一致させ（投影面がｘｙ平面となる）、ター
ゲット２４の表示面がｘ軸方向に対して角度ｂ傾いてい
るものと設定し、また視点（原点）から投影面までの距
離をＬとすると、半径ｒの円の真の中心位置に対する画
像の重心位置の誤差の角度成分Δφは、次の（４）式で
近似できる。
【数４】
【００２７】そして、ターゲット２４が、半径ｒ1 の外
円Ｃ1 と、半径ｒ2 の内円Ｃ2 （但しｒ2 ＝ｍｒ1 （０
＜ｍ＜１））とからなる同心円から構成され、検出され
た各円Ｃ1 ，Ｃ2 の重心位置をφ1 ，φ2 とすると、タ
ーゲット２４の真の中心位置φは、次の（５）式で求め
ることができる。
【数５】 これにより、ターゲット２４の位置を高精度で検出する
ことができるのである。尚、上記計算に必要なデータ
は、予め演算処理部２９に入力、記憶されていることは
勿論である。
【００２８】さて、位置補正を行うにあたっては、ま
ず、ロボット本体１１の１軸（第１アーム１４）におけ
る設置パラメータの導出が行われる。この導出は、第１
アーム１４を回転させて第１アーム１４に設けられたタ
ーゲット２４の位置を３点以上検出することに基づいて
行われる。このとき、デナビット・ハーテンバーグ法に
よれば、１軸座標系Ｃ１からみた２軸座標系Ｃ２の原点
の座標がｄ１であり、１軸上に設置したターゲット２４
は、１軸の回転に伴いその原点と一緒に動くので、Ｃ２
原点からの相対位置をとり、Ｃ１からみたターゲット２
４の位置は、ａＴ １ｃｏｓ（θ１＋θＴ１），ａＴ１ｓ
ｉｎ（θ１＋θＴ１），ｄ１＋ｄＴ１）とすることがで
きる。
【００２９】ロボットの１軸を回転させたときのターゲ
ット２４の位置は、デナビット・ハーテンバーグ法に擬
してａ，θ，ｄのパラメータにより、次式で表される。
【数６】
【００３０】ここで、θＴ１、ｄＴ１は、ターゲット２
４の設置位置に依存する既知の定数、θＥ１は、１軸モ
ータのエンコーダから得られる１軸回転角度で既知の変
数、θο１は、ロボットの設置位置により変動する未知
の定数で、θ１＝θＥ１＋θ ο１である。従って、未知
のパラメータは、θ０、ｄ０、ａ０、α０、θο１、ｄ
１、ａＴ１の７つとなる。
【００３１】１回の計測で、上式により３つの式が得ら
れるので、３点以上の測定を行えば（あるいはａＴ１を
予め求めておけば、２点の測定で良い）、多点位置決め
法、対偶軸同定法（平成９年度通商産業省工業技術院委
託「プラント用知能ロボットの標準化に関する調査研
究」成果報告書（株）日本ロボット工業会、（１９９
８）２７）等により、ロボットの設置位置に依存するパ
ラメータθ０、ｄ０、ａ０、α０、θο１、ｄ１を求め
ることができる。尚、以上の設置位置に依存するパラメ
ータの導出は、ロボット設置時に１度だけ行えば良い。
【００３２】次に、ロボットの動作時（教示動作時ある
いは組立作業時の適宜の時期）に、２軸（第２アーム１
５）上のターゲット２４、及び、３軸（第３アーム１
６）上のターゲット２４の位置検出を上記と同様に行う
ことに基づき、その結果得られるθＥ２、θＥ３を用い
て、次のようにして、重力の影響を考慮したポーズを算
出することができる。
【００３３】即ち、上記した１軸の場合と同様に、２軸
上に設置したターゲット２４の位置は、
【数７】 として、
【数８】 で表される。
【００３４】この式から、エンコーダから得られる角度
θ２と実現角度の誤差θＥ２を求めることができる。式
は省略するが、３軸上のターゲット２４の位置も同様に
して表すことができ、エンコーダから得られる角度θ３
と実現角度の誤差θＥ３を求めることができる。
【００３５】そして、求められたθＥ２、θＥ３を用い
て、
【数９】 を定義する。
【００３６】これにより、２軸、３軸に対する重力の影
響を考慮したメカニカルインタフェースのポーズは、
【数１０】 で算出することができるのである。
【００３７】このように本実施例によれば、ロボット本
体１１の各軸（アーム１４〜１８）にターゲット２４を
設け、そられ各ターゲット２４の視覚認識に基づいて、
ロボット本体１１の位置検出ひいては位置補正を正確に
行うことができ、この結果、高精度の作業を行うことが
できるようになり、また、ＣＣＤカメラ２５及び視覚認
識装置２６を設けるといった比較的簡単で安価な構成で
実現することができるものである。
【００３８】尚、上記実施例では、２軸及び３軸に誤差
が生ずる場合を具体例としてあげたが、全ての軸につい
てエンコーダから得られる角度と実現角度の誤差を求め
ることにより、より正確な位置補正を行うことができる
など、必要に応じて各軸上のターゲットの測定を行うこ
とができる。また、必要な軸にのみターゲットを設ける
ようにしても良い。その他、本発明は、上記したような
６軸型のロボットに限らず各種構成のロボットに適用す
ることができ、さらには、撮像手段を移動させる移動手
段の構成としても様々な変形例が考えられる等、要旨を
逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、ロボット本体
及びＣＣＤカメラの設置状態を示す斜視図
【図２】システムの電気的構成を概略的に示すブロック
図
【符号の説明】
図面中、１１はロボット本体、１３はベース、１４〜１
９はアーム、２０はロボット制御装置、２３は位置補正
システム、２４はターゲット（被観測点）、２５はＣＣ
Ｄカメラ（撮像手段）、２６は視覚認識装置、２７はカ
メラ駆動装置（移動手段）、２９は演算処理部（位置検
出手段、補正手段、移動制御手段）を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 俊彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 川口 裕司 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 塚田 敏彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 伊藤 博 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA06 AA17 AA37 BB05 BB15 BB27 CC00 EE00 FF09 FF65 JJ03 JJ05 JJ26 NN20 PP05 QQ00 QQ24 3C007 AS06 BS12 KS16 KT02 KT06 LT11 5H269 AB21 AB33 BB03 CC02 CC09 JJ09 JJ20 5H303 AA10 BB03 BB09 BB15 CC02 DD01 GG06 GG11 GG14 HH05 JJ05 KK09 KK22 LL03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 視覚認識に基づいてロボット本体の位置
    補正を行うためのシステムであって、 前記ロボット本体に、その各軸に対応して被観測点を設
    けると共に、 前記各被観測点を撮像する撮像手段と、この撮像手段の
    画像データから前記各被観測点の位置を検出する位置検
    出手段と、 この位置検出手段の検出に基づいて前記ロボット本体の
    位置を補正する補正手段とを具備することを特徴とする
    ロボットの位置補正システム。
  2. 【請求項２】 前記撮像手段は、複数設けられており、
    前記被観測点を複数方向から撮像可能とされていること
    を特徴とする請求項１記載のロボットの位置補正システ
    ム。
  3. 【請求項３】 前記撮像手段を移動させる移動手段と、
    前記ロボット本体の各軸の動作範囲情報に基づいて前記
    移動手段を制御する移動制御手段とを備えることを特徴
    とする請求項１又は２記載のロボットの位置補正システ
    ム。
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