JP2004082228A

JP2004082228A - ロボットの制御装置

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Publication number: JP2004082228A
Application number: JP2002243243A
Authority: JP
Inventors: Nobuhito Mori; 森　宣仁; Toshiyuki Ueno; 上野　俊幸; Nobuaki Oki; 大木　信昭
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】立ち上げ時間を短く、角度ずれを精度良く測定することができ、システムの安定化、簡略化を行うことができるロボットの制御装置を提供する。
【解決手段】ラインセンサ１ａ〜１ｃにより、基準となるマスターワーク６ａの所定の３つの計測点と固定治具５との相対的な位置変位を計測するとともに、マスターワーク６ａの各計測点と対応する実ワークの３つの計測点と固定治具５との相対的な位置変位を計測し、各計測点間のずれ量を演算し、ｙ軸方向のずれ量が零となるように実ワークを移動させた後、これによって一致した計測点Ａを中心にして実ワークをマスターワーク６ａと平行となるように回転させる。次に、ｘ軸方向のずれ量を演算し、このｘ軸方向のずれ量が零となるように実ワークを移動し、最後に実ワークを固定治具５のセット位置に移動させる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多関節ロボットを用いた自動化ライン等において、ワークとワークを装着する固定治具の両者の位置ずれを検出し、ワークを固定治具に確実に装着するような場合に用いられるロボットの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ＦＤＰ（フラットパネルディスプレイ）の液晶製造工程において、ガラスを１枚ずつ搬送するために用いる固定治具にガラスを取り付ける作業を多関節ロボットを用いて自動化する場合、この固定治具とロボットのハンドに持ったガラスとの位置ずれを計測し、この位置ずれを補正して確実にガラスを固定治具に装着する必要がある。従来、固定治具とロボットハンドに持ったガラスとの位置ずれの補正に際して、ガラスの位置計測点において、カメラで長方形のガラスの一角を見ることにより、ガラスが基準位置からどれだけずれているかを計測し、ガラスの位置と角度を補正していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように、カメラにより位置ずれを計測する場合、計測対象がガラスという透明な物体であるために、精度良く位置ずれを検出するためには、カメラの絞り、照明、あるいはカメラにより撮影された画像の処理の設定調整を厳密に行う必要があり、ラインの立ち上げに時間を要した。又、ガラスの位置ずれを高解像度で検出するために、カメラの視野を数ｍｍ〜数十ｍｍと狭くしており、検出誤差により角度の補正量が大きく変化した。さらに、ガラス搬送用の固定治具の位置ずれは、別に画像処理装置を設けたり、レーザ変位センサなどの変位センサを用いたりして、ガラスの位置ずれとは別に計測する必要があり、システムが複雑でコストアップになった。
【０００４】
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、立ち上げ時間が短く、角度ずれを精度良く測定することができ、かつシステムの安定化、簡略化を行うことができるロボットの制御装置を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るロボットの制御装置は、ワークを固定治具にセットするロボットの制御装置であって、基準となるマスターワークの所定の３つの計測点と固定治具との相対的な位置変位を計測するとともに、マスターワークの各計測点と対応する制御対象である実ワークの所定の３つの計測点と固定治具との相対的な位置変位を計測するラインセンサと、各計測点間のずれ量を演算する手段と、あるずれ量を零にする方向に実ワークを移動するとともに、これによって一致した計測点を中心にして実ワークがマスターワークと平行になるように回転させる手段と、ずれ量が零の方向と直角の方向のずれ量を演算する手段と、この直角方向のずれ量が零になるように実ワークを移動する手段と、実ワークが固定治具のセット位置となるように移動させる手段とを備えたものである。
【０００６】
請求項２に係るロボットの制御装置は、マスターワーク及び実ワークを四角形とし、それぞれの一辺に２つの計測点を設けるとともに、該辺と直交する辺に１つの計測点を設けたものである。
【０００７】
請求項３に係るロボットの制御装置は、３つの計測点に対応して３つのラインセンサを設けたものである。
【０００８】
請求項４に係るロボットの制御装置は、ラインセンサを１つ又は２つ設け、マスターワーク及び実ワークを所定量動かして各計測点での計測を行うものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施形態１
以下、この発明の実施の形態を図面とともに説明する。図１はこの発明の実施形態１によるロボットの制御装置の全体構成図を示し、１はガラス（ワーク）と固定治具との間隔を測定するラインセンサである。即ち、ラインセンサ１を用いて、比較的容易に透明なガラスと不透明な固定治具の両者を確実に判定し、両者の相対的な位置変位を計測することによって、固定治具に対する相対的なガラスのずれ量を求める。２はラインセンサ１のサンプリング、データ変換を行うセンサコントローラ、３はセンサコントローラ２からラインセンサ１のデータを受け取り、ガラスをセットする位置と姿勢を演算し、ロボットアームを制御するロボットコントローラ、４はガラスを固定治具にセットするロボットアームである。
【００１０】
図２は固定治具５とガラス（ワーク）６との関係を示す模式図、図３、図４は固定治具５とガラス６との相対位置変位（平行移動）測定図を示し、実施形態１においては、３点を計測することによって、ｘ方向のずれ、ｙ方向のずれ、回転方向のずれを検出する。即ち、図３、図４に示すように、３個のラインセンサ１ａ〜１ｃを配置する。図３は固定治具５がフレームのみで構成されている場合に有効であり、図４は固定治具５がフレームと底板から構成されている場合に有効である。底板がある場合には、ラインセンサ１ａ〜１ｃが透過しないので、固定治具５の内側での計測ができないからである。但し、固定治具５に底板がある場合でも、底板に計測用の孔を開けておけば、ラインセンサ１ａ〜１ｃによる計測が可能である。ラインセンサ１ａ〜１ｃの配置は、四角形のワークの１辺に２個配置し、その辺に直交する辺に１個配置する。具体的には、長辺側に２個配置し、短辺側に１個配置している。これは、ずれ角を求める際に、センサ間の距離を用いて逆正接をとるので、センサ間の距離が長いほど、計測誤差の影響を小さくできるからである。
【００１１】
以下は、図３を用いて説明する。まず、計測点を点Ａ、点Ｂ、点Ｃとする。計測点は、必ずしもガラス６を固定治具５へセットする状態で計測する必要はなく、また逆に、セットする位置ではガラス６あるいは固定治具５のずれによって、ガラス６と固定治具５とが干渉する可能性があるので、ガラス６と固定治具５との干渉を避け、ラインセンサ１ａ〜１ｃの計測有効範囲に固定治具５とガラス６とを位置させ、かつ双方のずれの最大値を考慮した位置に計測位置を決定する。
計測点Ａは基準となる四角形のガラス（マスターワーク）６ａの一辺に設け、計測点Ｂ、Ｃはこの一辺と直交する辺に設けた。
【００１２】
次に、基準となるガラス（マスターワーク）６ａにおけるラインセンサ１ａ〜１ｃの計測値（基準値という。）、即ち計測点Ａ、Ｂ、Ｃから固定治具５の対向部分までの距離をｄ０１，ｄ０２，ｄ０３とし、他のガラス（実ワーク）６ｂにおけるラインセンサ１ａ〜１ｃの計測値をｄ１，ｄ２，ｄ３とする。ここで、計測点Ａからガラス６ａの端部までのｘ方向（図示したｘｙワーク座標系）の距離をＬ１、計測点Ｂからガラス６ａの端部までのｙ方向の距離をＬ２、計測点Ｂ，Ｃ間のｙ方向の距離をＬ３として、計測点Ａを原点としたときの計測点Ｂの位置^ＡＰ_Ｂは数１のように表される。なお、Ｌ１〜Ｌ３は正の値であり、ラインセンサ１ａ〜１ｃの取付位置とガラス６ａの位置によって一意的に定まる。
【００１３】
【数１】

【００１４】
次に、実ワークであるガラス６ｂが図５に示すように位置ずれしている場合の補正手順について説明する。ガラス６ｂにおけるラインセンサ１ａ〜１ｃの計測点（端点）をＡ１，Ｂ１，Ｃ１として、固定治具５との距離の測定結果をそれぞれｄ１，ｄ２，ｄ３とする。計測点Ａ１は四角形のガラス６ｂの一辺上に設け、計測点Ｂ１，Ｃ１はこの一辺に直交する一辺に設ける。計測点Ａ１からガラス６ａの端部までのｘ方向の距離はＬ１、計測点Ｂ１からガラス６ａの端部までのｙ方向の距離をＬ２、計測点Ｂ１，Ｃ１間のｙ方向の距離はＬ３である。マスターワークによる基準値と実ワークによる計測値とのずれ量を求めると、ａ＝ｄ０１−ｄ１，ｂ＝ｄ０２−ｄ２，ｃ＝ｄ０３−ｄ３となる。ここで、計測点Ａ１から見た計測点Ｂ１の位置^Ａ１Ｐ_Ｂ１は数２のように表される。
【００１５】
【数２】

【００１６】
次に、ラインセンサ１ａによって計測された、ずれ量ａだけガラス６ｂをｙ方向に並進移動する。このときの変換行列は数３となる。
【００１７】
【数３】

【００１８】
これにより、ガラス６ｂは移動して、図６の実線で示すようにガラス６ｃとなる。このとき、計測点Ａ１は計測点Ａに一致する。
【００１９】
次に、数４により補正回転角θを求め、得られた補正回転角θを用いて、ガラス６ｃを計測点Ａを中心にしてθだけ回転させる。
【００２０】
【数４】

【００２１】
この回転によって、ガラス６ｃは図７の実線で示すガラス６ｄとなり、マスターワークであるガラス６ａと平行になる。又、計測点Ａを中心にθの回転を施したことにより、計測点Ｂ１が計測点Ｂ２に、計測点Ｃ１が計測点Ｃ２に移動する。計測点Ｂ２の位置は数５で求められる。
【００２２】
【数５】

【００２３】
又、ｄ＝−Ｌ１−^Ａｘ_Ｂ２＝−Ｌ１−（^Ａｘ_Ｂ１ｃｏｓθ−^Ａｙ_Ｂ１ｓｉｎθ）＝−Ｌ１−（−Ｌ１−ｂ）ｃｏｓθ＋（Ｌ２−ａ）ｓｉｎθとして、ｘ軸方向の補正量ｄを求める。なお、誤差を小さくするために、点Ｃ２を用いて同様の演算を行っても良い。又、点Ｂ１と点Ｃ１の中点を設定し、誤差を平均することができる。
いずれの方法によっても、ｘ方向の並進移動量ｄを算出することができる。そして、図８に示すように、このように得られた移動量ｄだけ、ｘ方向に並進移動する。以上により、補正が完了する。この方式を用いれば、実ワークについては、１回の計測により並進及び回転の補正が可能となる。
【００２４】
上記のような手順をロボットコントローラ３内で実施するが、実施するためのデータ変換手順を以下に示す。まず、ワーク座標系を定義するが、３次元空間において、変換時のｚ成分を０にするために、ワーク座標系は計測ステーションのマスターワークに対する法線をｚ軸方向に合致させる。ｘ軸、ｙ軸は図３のように定める。原点は、任意に定めればよい。変換は、前述のように、ｙ軸方向の並進、ｚ軸周りの回転、ｘ軸方向の並進を行う。又、計測位置におけるロボットハンドの位置（ＴＣＰ（ツールセンターポイント）という。）を^ＷＴ_ｔとすると、ｙ方向への並進移動は数６と表して、計測値ａだけｙ軸方向に並進移動する。これにより、^ＷＴ_ｔは^ＷＴ_ｔ１へ移動する。
【００２５】
【数６】

【００２６】
次に、回転移動においては、回転量は前述の通りθであり、回転中心は計測点Ａである。^ＷＴ_ｔ１を点Ａ周りにθの回転を施すため、点Ａが原点に移るような平行移動を施す。ワーク座標系における点Ａを数７で表すと、点Ａを原点へ平行移動する変換は数８で表される。従って、計測点Ａをワーク座標系の原点とすれば、この変換は不要である。
【００２７】
【数７】

【００２８】
【数８】

【００２９】
ｙ軸方向へ並進移動したＴＣＰを点Ａの原点への位置変位分だけ平行移動したものを^ＷＡＴ_ｔ２で表すと、^ＷＡＴ_ｔ２は数９のようになる。
【００３０】
【数９】

【００３１】
このＴＣＰを原点周りにθだけ回転させると、数１０に示すように^ＷＡＴ_ｔ３になる。
【００３２】
【数１０】

【００３３】
次に、ＴＣＰを点Ａの位置変位分だけ元に戻さなければならない。この変換は、数１１に示すように^ＷＴ_ＷＡで表されるから、ＴＣＰは数１２に示すように^ＷＴ_ｔ４となり、ワーク座標系に戻る。
【００３４】
【数１１】

【００３５】
【数１２】

【００３６】
次に、ｘ方向に並進移動させるが、その並進移動量は前述のｄであり、ＴＣＰは数１３で示すように^ＷＴ_ｔ５表される。
【００３７】
【数１３】

【００３８】
以上のように変化させれば、ずれたワークをマスターワークに合致させるためのＴＣＰ位置^ＷＴ_ｔ５が求められる。従って、計測位置におけるＴＣＰ位置^ＷＴ_ｔから^ＷＴ_ｔ５へ移動し、ここから相対移動によりワークセット動作を行うことにより、確実にワークを固定治具５にセットできる。
【００３９】
実施形態１においては、ラインセンサ１を用いることにより、ガラス６という透明な対象物も、固定治具５という不透明な対象物も、同時に精度良く検出することができ、設定も比較的簡単であり、立ち上げ時間を短くすることができる。
又、ずれ角を求めるために、二つの測定点における位置ずれを用いるが、この測定点間の距離はワークサイズにもよるが、比較的大きく設定できるため、測定誤差が角度誤差に及ぼす影響は、狭視野の画像処理に比べて非常に小さく、角度ずれを精度良く検出することができる。さらに、処理が単純なので、比較的安定した補正が可能であり、信頼性が向上する。また、画像処理に比べて高速に処理することができ、タクトの短縮に寄与する。又、ワークの位置ずれを、ワーク搬送用の固定治具に対する相対的な位置として計測するので、固定治具の位置ずれも同時に補正することになり、システムが簡略化される。
【００４０】
実施形態２
実施形態１においては、ラインセンサを３個用いることで、１度の計測で必要なデータを得ることができるが、ラインセンサは高価であるので、ロボットでワークを移動させ、１個のラインセンサで複数回の計測を行うことにより、必要なデータをすべて得ることもできる。即ち、図９に示すように、教示した計測点Ａについてラインセンサ１ａによる計測を行った後、実施形態１と同様な手順で処理を行い、次に図１０に示すようにロボットによりガラス６を動かして、教示した計測点Ｂについてラインセンサ１ａによる計測を行った後、実施形態１と同様な手順で処理を行い、最後に図１１に示すようにロボットによりガラス６を動かして、教示した計測点Ｃについてラインセンサ１ａによる計測を行った後、実施形態１と同様な手順による処理を行うことにより、実ワークであるガラス６ｂのマスターワークであるガラス６ａに対する位置及び角度のずれを補正することができる。
【００４１】
実施形態３
実施形態３においては、例えば図１２に示すようにラインセンサ１ａ，１ｃにより計測点Ａ，Ｃの計測を行った後、図１３に示すようにロボットの移動によりガラス６を移動させ、ラインセンサ１ｃによりこのガラス６の計測点Ｂの計測を行うように教示し、この測定を行った後、実施形態１と同様な手順で処理を行うことにより、ガラス６の位置及び角度のずれの補正を行うことができる。
【００４２】
なお、ラインセンサの配置の方法は、この他にもいくつかあり、ラインセンサの取付の容易さや計測時の動作量の少なさ、機械的制約などを指標に自由に選定することができる。
【００４３】
実施形態４
実施形態１〜３においては、ロボットコントローラ３内で位置と角度の補正演算を実施していたが、実施形態４においては図１４に示すように、センサコントローラ２からラインセンサ１のデータを受け取り、ワークをセットする位置と姿勢を演算する位置補正演算装置７を設ける。この結果、ロボットコントローラ３は、位置補正演算装置７から演算結果が与えられ、この結果に従ってロボットアーム４を制御すればよい。従って、ロボットコントローラ３は自らのＣＰＵ負荷が軽減され、全体として演算速度が速められる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の請求項１〜３によれば、ラインセンサを用いることにより、ワーク及び固定治具の両者を同時に精度良く検出することができ、設定も容易であり、立ち上げ時間を短くすることができる。又、ずれ角を求めるために２つの測定点間の位置ずれを用いるが、この測定点間の距離が比較的大きいために、角度ずれを精度良く検出することができる。さらに、ワークの位置ずれも固定治具に対する相対的な位置ずれとして計測するので、ワークの位置ずれを補正すれば、固定治具の位置ずれも同時に補正され、システムが簡略化される。
【００４５】
請求項４によれば、ラインセンサの数を１個又は２個としたので、構成を安価にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態１によるロボットの制御装置の全体構成図である。
【図２】実施形態１による固定治具とガラスとの関係を示す模式図である。
【図３】実施形態１による固定治具とガラスとの相対位置変位測定図である。
【図４】実施形態１による固定治具とガラスとの相対位置変位測定図である。
【図５】実施形態１による実ワークの計測の模式図である。
【図６】実施形態１による実ワークをずれ量だけｙ軸方向に移動させた状態の図である。
【図７】実施形態１による実ワークを補正回転角だけ回転させた図である。
【図８】実施形態１による実ワークをｘ軸方向に移動させた状態の図である。
【図９】実施形態２による計測点Ａにおける計測を示す図である。
【図１０】実施形態２による計測点Ｂにおける計測を示す図である。
【図１１】実施形態２による計測点Ｃにおける計測を示す図である。
【図１２】実施形態３による計測点Ａ，Ｃにおける計測を示す図である。
【図１３】実施形態３による計測点Ｂにおける計測を示す図である。
【図１４】実施形態４によるロボットの制御装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１，１ａ〜１ｃ…ラインセンサ
２…センサコントローラ
３…ロボットコントローラ
４…ロボットアーム
５…固定治具
６，６ａ〜６ｄ…ワーク
７…位置補正演算装置

Claims

ワークを固定治具にセットするロボットの制御装置において、基準となるマスターワークの所定の３つの計測点と固定治具との相対的な位置変位を計測するとともに、マスターワークの各計測点と対応する制御対象である実ワークの所定の３つの計測点と固定治具との相対的な位置変位を計測するラインセンサと、各計測点間のずれ量を演算する手段と、あるずれ量を零にする方向に実ワークを移動するとともに、これによって一致した計測点を中心にして実ワークがマスターワークと平行になるように回転させる手段と、ずれ量が零の方向と直角の方向のずれ量を演算する手段と、この直角方向のずれ量が零になるように実ワークを移動する手段と、実ワークが固定治具のセット位置となるように移動させる手段とを備えたことを特徴とするロボットの制御装置。
マスターワーク及び実ワークを四角形とし、それぞれの一辺に２つの計測点を設けるとともに、該辺と直交する辺に１つの計測点を設けたことを特徴とする請求項１記載のロボットの制御装置。
３つの計測点に対応して３つのラインセンサを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のロボットの制御装置。
ラインセンサを１つ又は２つ設け、マスターワーク及び実ワークを所定量動かして各計測点での計測を行うことを特徴とする請求項１又は２記載のロボットの制御装置。