JP2010151766A - Method for detecting position of tool of robot, method for detecting relative position of robot and object, their apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボットのツール位置検出方法、ロボットと対象物との相対位置検出方法及びそれらの装置に関するものである。 The present invention relates to a method for detecting a tool position of a robot, a method for detecting a relative position between a robot and an object, and devices thereof.
従来、複数の関節を有するアームの先端にツール(例えば、溶接トーチやエンドミル等)を取り付け、生産現場等で使用される産業用ロボットが知られている。この産業用ロボットでは、作業者が予めティーチングペンダントを用いて作業動作をロボットに教示しておき、本作業においてロボットが当該作業動作を再生することで、作業の自動化が図られるようになっている(例えば、特許文献1等参照)。
2. Description of the Related Art Conventionally, industrial robots are known that are used at production sites and the like by attaching a tool (for example, a welding torch or end mill) to the tip of an arm having a plurality of joints. In this industrial robot, an operator teaches a work operation in advance using a teaching pendant, and the robot reproduces the work operation in the main work, thereby automating the work. (For example, refer
ロボットがツールでワークに対して作業をする際には、ツールの先端位置及び姿勢が正確に把握されている必要があるが、ツールに寸法誤差がある場合やツールが変形している場合などが考えられるため、予め作業者がツール先端位置及び姿勢を教示するようにしている。具体的には、先端が尖ったツールの場合には、針状の治具の先端に対してツールの先端を姿勢を変えて正確に点接触させ、それらの接触時の教示点からツール先端位置及び姿勢を求めるようにしている。また、その他には、三次元計測器を用いてツールの寸法等を正確に計測するという方法もある。 When a robot works on a workpiece with a tool, it is necessary to accurately grasp the tip position and posture of the tool. However, there are cases where the tool has a dimensional error or the tool is deformed. For this reason, the operator teaches the tool tip position and posture in advance. Specifically, in the case of a tool with a sharp tip, change the posture of the tool tip with respect to the tip of the needle-shaped jig to accurately make point contact, and the tool tip position from the teaching point at the time of the contact And the attitude is requested. In addition, there is a method of accurately measuring the dimensions of the tool using a three-dimensional measuring instrument.
さらに、ロボットがツールでワークに対して作業をする際には、ロボットとワークとの相対位置関係も正確に把握されている必要がある。そこで、予め作業者がロボットに取り付けられたツールを、ワーク上における複数の特徴点(マーキング部、尖部、角部など)に正確に接触させて、それらの接触時の教示点からロボットとワークとの相対位置関係を求めるようにしている。また、その他には、ロボットに視覚センサを取り付け、その視覚センサによりワーク上の特徴点を計測し、ロボットとワークとの相対位置関係を求めるという方法もある。
しかしながら、作業者がツール先端位置及び姿勢を教示する際には、ツールの先端を治具の先端に正確に位置決めする必要があり、非常に時間が掛かる。また、非熟練作業者がその作業を行うと、ツールを治具に押し付けすぎてツールが撓んだり、ツールと治具との間に隙間が生じたりして、位置決めが正確に行われない場合があり、教示精度にバラツキが生じる。さらに、三次元計測器を用いる場合には、ツールを一度外して計測作業を行わねばならず面倒であると共に、その装置が大型であると作業現場に持っていくことが困難となる等の問題もある。 However, when the operator teaches the tool tip position and posture, it is necessary to accurately position the tool tip on the tip of the jig, which is very time consuming. In addition, when an unskilled worker performs the work, the tool may be bent too much due to the tool being bent, or a gap may be formed between the tool and the jig, resulting in inaccurate positioning. There are variations in teaching accuracy. Furthermore, when using a three-dimensional measuring instrument, the measurement work must be done once the tool is removed, and it is difficult to bring it to the work site if the device is large. There is also.
また、作業者がワーク上の特徴点を教示する際も同様に、非常に時間が掛かると共に、非熟練作業者が行うと教示精度にバラツキが生じる。さらに、視覚センサを用いる場合には、計測精度に光などの影響を受けやすく、作業環境の悪い場所では使用できないと共に、センサが高価であるという問題もある。 Similarly, when an operator teaches feature points on a workpiece, it takes a very long time, and if an unskilled worker performs it, the teaching accuracy varies. Furthermore, when a visual sensor is used, there is a problem that the measurement accuracy is easily affected by light and the like, and it cannot be used in a poor working environment, and the sensor is expensive.
そこで本発明は、ツール位置やロボットと対象物との相対位置を簡単かつ高精度に検出できるようにすることを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to make it possible to easily and accurately detect the tool position and the relative position between the robot and the object.
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係るロボットのツール位置検出方法は、ロボットのアーム先端のツール取付部に、球面部又は尖部からなる先端部を有するツールを取り付け、前記ツール取付部から前記先端部の中心までのツールベクトルの成分に未知数を設定し、前記先端部を平面に対して前記ツールの姿勢を変えて少なくとも前記未知数の数と同じ回数当接させ、前記当接時の前記ロボットのアームの関節角度に基づいて前記当接時の前記ツール取付部の位置をそれぞれ求め、特定の座標系において、前記平面のZ位置と前記先端部の曲率半径との和から得られる前記先端部の中心のZ位置が、前記ツール取付部のZ位置と前記ツールベクトルのZ成分との和から得られる前記先端部の中心のZ位置に等しいことを意味する連立方程式を少なくとも前記未知数の数と同じ回数連立させ、前記連立方程式を解くことで前記ツールベクトルの成分を求めることを特徴とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a robot tool position detection method according to the present invention attaches a tool having a tip portion made of a spherical surface or a point to a tool mounting portion at the tip of a robot arm. Setting an unknown to the component of the tool vector from the tool mounting portion to the center of the tip, and changing the posture of the tool with respect to a plane at least as many times as the number of unknowns, Based on the joint angle of the arm of the robot at the time of contact, the position of the tool mounting portion at the time of contact is obtained, and in a specific coordinate system, the Z position of the plane and the radius of curvature of the tip portion The center Z position of the tip obtained from the sum is equal to the center Z position of the tip obtained from the sum of the Z position of the tool mounting portion and the Z component of the tool vector. The meaning simultaneous equations is the same number of simultaneous and at least the number of the unknowns, and obtains the components of the tool vector by solving the simultaneous equations.
これによれば、一方向であるZ位置のみに着目するだけでも、ツールを姿勢を変えて平面に当接させて連立方程式を解くことでツールベクトルの成分を求めることができる。そして、Z位置のみに着目することで、ツールの先端部を平面上のどの位置に当接させてもよく(前回の当接位置に対してX,Y位置がずれてもよい)、教示作業をラフに行うことが可能となる。よって、教示作業が簡単となり作業時間の短縮化が図れるとともに、検出精度を向上させることができる。なお、ツールの先端部が尖部である場合には、前記曲率半径はゼロであるとして扱うとよい。 According to this, even if only focusing on the Z position that is one direction, the tool vector component can be obtained by solving the simultaneous equations by changing the posture of the tool and contacting the plane. Then, by focusing only on the Z position, the tip of the tool may be brought into contact with any position on the plane (the X and Y positions may be deviated from the previous contact position), and teaching work Can be performed roughly. Therefore, the teaching work can be simplified, the working time can be shortened, and the detection accuracy can be improved. In addition, when the front-end | tip part of a tool is a pointed part, it is good to treat the said curvature radius as zero.
略法線方向に変位可能な平板と、前記平板の変位を検出可能な変位センサとを用い、前記平面は、前記平板の当接面からなり、前記平面のZ位置を前記変位センサの出力に基づいて求めてもよい。 A flat plate that can be displaced in a substantially normal direction and a displacement sensor that can detect the displacement of the flat plate are used. The flat surface is a contact surface of the flat plate, and the Z position of the flat surface is used as an output of the displacement sensor. You may ask based on.
これによれば、ツールの先端部を平板の当接面に当接させた際、平板が変位可能であるため、その当接圧が吸収される。よって、ツールが撓まずに正確な検出が行えるとともに、治具(本発明では平板等)の変形等を防止することができる。また、前記当接は、球面部又は尖部からなる先端部と平面との間で行われるので、平板及び変位センサを1自由度の安価なものとすることができる。 According to this, when the tip of the tool is brought into contact with the contact surface of the flat plate, the flat plate can be displaced, so that the contact pressure is absorbed. Therefore, the tool can be accurately detected without being bent, and deformation of the jig (a flat plate or the like in the present invention) can be prevented. Further, since the abutment is performed between the tip portion formed of the spherical surface portion or the tip portion and the flat surface, the flat plate and the displacement sensor can be made inexpensive with one degree of freedom.
光学エリアセンサを用い、前記平面は、前記光学エリアセンサの感知面からなり、前記ツールの前記先端部が前記感知面に接触した時点で、前記ロボットのアームの関節角度を検出してもよい。 An optical area sensor may be used, and the flat surface may be a sensing surface of the optical area sensor, and the joint angle of the robot arm may be detected when the tip of the tool contacts the sensing surface.
これによれば、光学的に形成された平面(感知面)にツールの先端部が当接したことを検知すればよいため、ツールの先端部を機械的に平面に接触させずに済み、ツールやセンサに負荷が掛かるのを防止することができる。 According to this, since it is only necessary to detect that the tip of the tool is in contact with the optically formed plane (sensing surface), it is not necessary to mechanically contact the tip of the tool with the plane. It is possible to prevent the sensor from being loaded.
前記平面に前記先端部が当接していないときにおける前記平面のZ位置と、前記先端部の曲率半径とをさらに未知数とし、前記先端部を平面に対して前記ツールの姿勢を変えて少なくとも全未知数の数と同じ回数当接させ、前記連立方程式を少なくとも全未知数の数と同じ回数連立させてもよい。 The Z position of the plane when the tip is not in contact with the plane and the radius of curvature of the tip are further unknown, and at least all unknowns are obtained by changing the attitude of the tool with respect to the tip. The simultaneous equations may be contacted at the same number of times as at least as many as the number of all unknowns.
これによれば、ツールの姿勢を変えて平面に先端部を当接させる回数を増やして、連立方程式の数を増やすだけで、平面のZ位置及び先端部の曲率半径を予め知る必要がなくなり、教示作業をより簡素化することができる。 According to this, it is not necessary to know the Z position of the plane and the radius of curvature of the tip in advance by simply increasing the number of simultaneous equations by increasing the number of times that the tip is brought into contact with the plane by changing the posture of the tool, Teaching work can be further simplified.
前記ツール取付部に寸法形状が既知の基準ツールを取り付け、前記基準ツールを前記平面内で移動させて前記基準ツールを前記平面の複数箇所に当接させることで、前記平面上のX,Y位置とZ位置との相関関係を予め求め、前記基準ツールに代えて前記ツールを前記ツール取付部に取り付けて前記ツールを前記平面に当接させ、その当接箇所の平面内におけるX,Y位置を、前記検出されたツール取付部の位置および前記ツールの概略寸法形状から求め、前記相関関係により前記X,Y位置に対応するZ位置を求め、その求めたZ位置を前記連立方程式における前記平面のZ位置に代入してもよい。 A reference tool having a known dimensional shape is attached to the tool attachment portion, the reference tool is moved in the plane, and the reference tool is brought into contact with a plurality of locations on the plane, whereby X and Y positions on the plane are obtained. And the Z position are obtained in advance, the tool is attached to the tool mounting portion instead of the reference tool, the tool is brought into contact with the plane, and the X and Y positions in the plane of the contact location are determined. The Z position corresponding to the X and Y positions is obtained from the correlation, and the obtained Z position is determined from the plane of the simultaneous equations. It may be substituted for the Z position.
これによれば、平面上のX,Y位置とZ位置との相関関係を予め求め、ツールの先端部が当接した平面上のX,Y位置から前記相関関係を用いてZ位置を補正するため、平面の法線方向が前記特定の座標系におけるZ方向に一致していない場合であっても、正しくツールベクトルの成分を求めることができる。 According to this, the correlation between the X, Y position on the plane and the Z position is obtained in advance, and the Z position is corrected using the correlation from the X, Y position on the plane with which the tip of the tool abuts. Therefore, even if the normal direction of the plane does not coincide with the Z direction in the specific coordinate system, the component of the tool vector can be obtained correctly.
また本発明のロボットと対象物との相対位置検出方法は、ロボットのアーム先端のツール取付部に平面を有する部材を取り付け、球面部又は尖部からなる当接部を有するターゲットを対象物に取り付け、前記当接部の位置及び方向を示すターゲットベクトルの成分に未知数を設定し、前記当接部に対して前記平面を前記部材の姿勢を変えて少なくとも前記未知数の数と同じ回数当接させ、前記当接時の前記ロボットのアームの関節角度に基づいて前記当接時の前記ツール取付部の位置をそれぞれ求め、特定の座標系において、前記ターゲットベクトルのZ成分から得られる前記当接部の中心のZ位置が、前記ツール取付部のZ位置と前記平面のZ位置と前記当接部の曲率半径との和から得られる前記当接部の中心のZ位置に等しいことを意味する連立方程式を少なくとも前記未知数の数と同じ回数連立させ、前記連立方程式を解くことで前記ターゲットベクトルの成分を求めることを特徴とする。 In the relative position detection method between the robot and the object according to the present invention, a member having a flat surface is attached to the tool attachment part at the tip of the robot arm, and a target having an abutting part consisting of a spherical surface or a point is attached to the object. , Setting an unknown to the component of the target vector indicating the position and direction of the abutting part, changing the attitude of the member to the abutting part at least as many times as the number of unknowns, Based on the joint angle of the arm of the robot at the time of contact, the position of the tool mounting portion at the time of contact is obtained, and in a specific coordinate system, the position of the contact portion obtained from the Z component of the target vector Meaning that the center Z position is equal to the center Z position of the contact portion obtained from the sum of the Z position of the tool mounting portion, the Z position of the plane, and the radius of curvature of the contact portion. That simultaneous equations is the same number of simultaneous as the number of at least the unknowns, and obtains the component of the target vector by solving the simultaneous equations.
これによれば、一方向であるZ位置のみに着目するだけでも、部材の姿勢を変えて平面をターゲットの当接部に当接させて連立方程式を解くことでターゲットベクトルの成分を求めることができる。そして、Z位置のみに着目することで、ターゲットの当接部を平面上のどの位置に当接させてもよく(前回の当接位置に対してX,Y位置がずれてもよい)、教示作業をラフに行うことが可能となる。よって、教示作業が簡単となり作業時間の短縮化が図れるとともに、検出精度を向上させることができる。なお、ターゲットの当接部が尖部である場合には、前記曲率半径はゼロであるとして扱うとよい。 According to this, even if paying attention only to the Z position which is one direction, the component of the target vector can be obtained by changing the posture of the member and bringing the plane into contact with the contact portion of the target and solving the simultaneous equations. it can. Then, by paying attention only to the Z position, the contact portion of the target may be brought into contact with any position on the plane (the X and Y positions may be deviated from the previous contact position). The work can be performed roughly. Therefore, the teaching work can be simplified, the working time can be shortened, and the detection accuracy can be improved. In addition, when the contact part of a target is a point part, it is good to treat the said curvature radius as zero.
略法線方向に変位可能な平板と、前記平板の変位を検出する変位センサとを前記ツール取付部に取り付け、前記平面は、前記平板の当接面からなり、前記平面のZ位置を前記変位センサの出力に基づいて求めてもよい。 A flat plate displaceable in a substantially normal direction and a displacement sensor for detecting the displacement of the flat plate are attached to the tool mounting portion, and the flat surface is formed by a contact surface of the flat plate, and the Z position of the flat surface is displaced. You may obtain | require based on the output of a sensor.
これによれば、平板をターゲットの当接部に当接させた際、平板が変位可能であるため、その当接圧が吸収される。よって、ターゲットが撓まずに正確な検出が行えるとともに、治具(本発明では平板等)の破壊を防止することができる。また、前記当接は、球面部又は尖部からなる先端部と平面との間で行われるので、平板及び変位センサを1自由度の安価なものとすることができる。 According to this, when the flat plate is brought into contact with the contact portion of the target, the flat plate can be displaced, so that the contact pressure is absorbed. Therefore, accurate detection can be performed without bending the target, and destruction of the jig (a flat plate or the like in the present invention) can be prevented. Further, since the abutment is performed between the tip portion formed of the spherical surface portion or the tip portion and the flat surface, the flat plate and the displacement sensor can be made inexpensive with one degree of freedom.
光学エリアセンサを前記ツール取付部に取り付け、前記平面は、前記光学エリアセンサの感知面からなり、前記感知面が前記ターゲットに接触した時点で、前記ロボットのアームの関節角度を検出してもよい。 An optical area sensor may be attached to the tool attachment portion, and the plane may be a sensing surface of the optical area sensor, and when the sensing surface contacts the target, the joint angle of the robot arm may be detected. .
これによれば、光学的に形成された平面(感知面)にターゲットの当接部が当接したことを検知すればよいため、ターゲットの当接部を機械的に平面に接触させずに済み、センサやターゲットに負荷が掛かるのを防止することができる。 According to this, since it is only necessary to detect that the contact portion of the target is in contact with the optically formed flat surface (sensing surface), it is not necessary to mechanically contact the target contact portion with the flat surface. It is possible to prevent the sensor and the target from being loaded.
前記平面が前記ターゲットに当接していないときにおける前記平面のZ位置と、前記ターゲットの曲率半径とをさらに未知数とし、前記当接部に対して前記平面を前記部材の姿勢を変えて少なくとも全未知数の数と同じ回数当接させ、前記連立方程式を少なくとも全未知数の数と同じ回数連立させてもよい。 The Z position of the plane when the plane is not in contact with the target and the radius of curvature of the target are further unknown, and at least all unknowns are obtained by changing the attitude of the member with respect to the contact portion. The simultaneous equations may be contacted at the same number of times as at least as many as the number of all unknowns.
これによれば、部材の姿勢を変えて平面にターゲットの当接部を当接させる回数を増やして、連立方程式の数を増やすだけで、平面のZ位置及び先端部の曲率半径を予め知る必要がなくなり、教示作業をより簡素化することができる。 According to this, it is necessary to know in advance the Z position of the plane and the radius of curvature of the tip by merely increasing the number of simultaneous equations by changing the posture of the member and bringing the target abutting portion into contact with the plane. The teaching work can be simplified.
前記対象物は、ワークであってもよい。 The object may be a workpiece.
これによれば、ロボットとワークとの相対位置関係を求めることができ、ロボットによるワークの取り扱いを正確に行うことができる。 According to this, the relative positional relationship between the robot and the workpiece can be obtained, and the workpiece can be handled accurately by the robot.
また本発明のロボットのツール位置検出装置は、アーム先端のツール取付部に球面部又は尖部からなる先端部を有するツールが取り付けられるロボットと、前記ロボットを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記ツール取付部から前記先端部の中心までのツールベクトルの成分に未知数を設定し、前記先端部を平面に対して前記ツールの姿勢を変えて少なくとも前記未知数の数と同じ回数当接させるよう前記ロボットを駆動し、前記当接時の前記ロボットのアームの関節角度に基づいて前記当接時の前記ツール取付部の位置をそれぞれ求め、特定の座標系において、前記平面のZ位置と前記先端部の曲率半径との和から得られる前記先端部の中心のZ位置が、前記ツール取付部のZ位置と前記ツールベクトルのZ成分との和から得られる前記先端部の中心のZ位置に等しいことを意味する連立方程式を少なくとも前記未知数の数と同じ回数連立させ、前記連立方程式を解くことで前記ツールベクトルの成分を求めることを特徴とする。 Further, the robot tool position detection apparatus of the present invention comprises a robot to which a tool having a tip portion made of a spherical surface or a tip is attached to a tool attachment portion at the tip of an arm, and a control means for controlling the robot, The control means sets an unknown number for a component of the tool vector from the tool mounting portion to the center of the tip portion, and changes the posture of the tool with respect to the plane with respect to the plane, and applies at least as many times as the number of unknowns. The robot is driven to contact, and the position of the tool mounting portion at the time of contact is determined based on the joint angle of the arm of the robot at the time of contact, and the Z position of the plane in a specific coordinate system And the center Z position of the tip obtained from the sum of the radius of curvature of the tip and the sum of the Z position of the tool mounting portion and the Z component of the tool vector. The simultaneous equations means is the same number of simultaneous and at least the number of the unknowns is equal to the Z position of the center of the tip portion, and obtains the components of the tool vector by solving the simultaneous equations to be.
これによれば、前述したツール位置検出方法と同様に、一方向であるZ位置のみに着目するだけでも、ツールを姿勢を変えて平面に当接させて連立方程式を解くことでツールベクトルの成分を求めることができる。そして、Z位置のみに着目することで、ツールの先端部を平面上のどの位置に当接させてもよく(前回の当接位置に対してX,Y位置がずれてもよい)、教示作業をラフに行うことが可能となる。よって、教示作業が簡単となり作業時間の短縮化が図れるとともに、検出精度を向上させることができる。 According to this, as in the tool position detection method described above, the component of the tool vector can be obtained by solving the simultaneous equations by changing the posture of the tool and bringing it into contact with a plane even if only focusing on the Z position in one direction. Can be requested. Then, by focusing only on the Z position, the tip of the tool may be brought into contact with any position on the plane (the X and Y positions may be deviated from the previous contact position), and teaching work Can be performed roughly. Therefore, the teaching work can be simplified, the working time can be shortened, and the detection accuracy can be improved.
また本発明のロボットと対象物との相対位置検出装置は、アーム先端のツール取付部に平面を有する部材が取り付けられるロボットと、前記ロボットを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、対象物に取り付けられた球面部又は尖部からなる当接部を有するターゲットの前記当接部の位置及び方向を示すターゲットベクトルの成分に未知数を設定し、前記当接部に対して前記平面を前記部材の姿勢を変えて少なくとも前記未知数の数と同じ回数当接させ、前記当接時の前記ロボットのアームの関節角度に基づいて前記当接時の前記ツール取付部の位置をそれぞれ求め、特定の座標系において、前記ターゲットベクトルのZ成分から得られる前記当接部の中心のZ位置が、前記ツール取付部のZ位置と前記平面のZ位置と前記当接部の曲率半径との和から得られる前記当接部の中心のZ位置に等しいことを意味する連立方程式を前記検出の回数分連立させ、前記連立方程式を解くことで前記ターゲットベクトルの成分を求めることを特徴とする。 Further, the relative position detection apparatus for a robot and an object of the present invention includes a robot in which a member having a flat surface is attached to a tool attachment portion at the tip of an arm, and a control means for controlling the robot, An unknown value is set for the component of the target vector indicating the position and direction of the abutting portion of the target having the abutting portion consisting of a spherical surface or a pointed portion attached to the object, and the plane is Change the posture of the member to contact at least as many times as the number of unknowns, and determine the position of the tool attachment part at the time of contact based on the joint angle of the robot arm at the time of contact, respectively In the coordinate system, the Z position of the center of the contact portion obtained from the Z component of the target vector is the Z position of the tool mounting portion, the Z position of the plane, and the contact portion. Obtaining a target vector component by solving a simultaneous equation for the number of detection times and solving the simultaneous equation, which means that it is equal to the Z position of the center of the contact portion obtained from the sum of the radius of curvature. Features.
これによれば、前述した相対位置検出方法と同様に、一方向であるZ位置のみに着目するだけでも、部材の姿勢を変えて平面をターゲットの当接部に当接させて連立方程式を解くことでターゲットベクトルの成分を求めることができる。そして、Z位置のみに着目することで、ターゲットの当接部を平面上のどの位置に当接させてもよく(前回の当接位置に対してX,Y位置がずれてもよい)、教示作業をラフに行うことが可能となる。よって、教示作業が簡単となり作業時間の短縮化が図れるとともに、検出精度を向上させることができる。 According to this, as in the relative position detection method described above, even if only focusing on the Z position that is one direction, the simultaneous equations are solved by changing the posture of the member and bringing the plane into contact with the contact portion of the target. Thus, the component of the target vector can be obtained. Then, by paying attention only to the Z position, the contact portion of the target may be brought into contact with any position on the plane (the X and Y positions may be deviated from the previous contact position). The work can be performed roughly. Therefore, the teaching work can be simplified, the working time can be shortened, and the detection accuracy can be improved.
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ツール位置やロボットと対象物との相対位置を簡単かつ高精度に検出することができる。 As is apparent from the above description, according to the present invention, the tool position and the relative position between the robot and the object can be detected easily and with high accuracy.
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係るロボットのツール位置検出装置を示す模式図である。図1に示すように、ロボットのツール位置検出装置1は、産業用のロボット2と、ロボット2を制御する制御手段3とを備えている。制御手段3は、ロボット2に接続されたコントローラ4と、コントローラ4に接続されたコンピュータであるパソコン5とを有している。ロボット2は、地面等の設置面Gに設置される基台6と、基台6から突出するアーム7とを有し、基台6が設置された設置面Gを基準にした座標系をベース座標系と設定している。アーム7にはコントローラ4からの指令により角度変更するように駆動される複数の関節7a〜7dが設けられていると共に、その先端にはフランジ状のツール取付部7eが設けられている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view showing a tool position detecting device for a robot according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the robot tool
ロボット2には、関節7a〜7dの角度を検出可能なエンコーダ(図示せず)などが組み込まれており、関節7a〜7dの角度と、アーム7を構成するリンクの寸法とにより、ツール取付部7eのベース座標系における位置及び姿勢が分かるようになっている。ツール取付部7eには、球面部又は尖部からなる先端部を有するツール8が取り付け固定されている。具体的には、ツール8には、先端に球面部を有する溶接トーチや、先端に尖部を有するエンドミルなどが使用される。本実施形態では、球面部8aからなる先端部を有するツール8を用いて説明する。なお、ツール取付部7eを基準とした座標系をツール座標系として設定している。
The
ロボット2の設置面Gには、タッチセンサ10が設置されている。タッチセンサ10は、ハウジング11と、ハウジング11内に収容されたバネ受板12と、バネ受板12を上方に付勢するバネ13と、バネ受板12からハウジング11を貫通して上方に突出したロッド14と、ロッド14の上下方向の変位量を検出可能な変位センサ15とを備えている。タッチセンサ10の具体例としては、例えば、キーエンス社製の接触式デジタルセンサ(型番:GT2-H12L)などを使用することができる。タッチセンサ10のロッド14の先端には、上面を当接面とする平板16が固定されている。変位センサ15の出力は、パソコン5に入力されるように構成されている。
A
なお、本実施形態では、タッチセンサ10の変位検出方向および平板16の当接面16a(上面)の法線方向が、ベース座標系のZ方向と一致するように設けられているが、必ずしも一致させる必要はない。例えば、タッチセンサの変位検出方向がベース座標系のZ方向に一致していない場合には、それを一致させるための行列を予め計測しておき、該行列を用いてタッチセンサ10の座標系をベース座標系に変換するようにパソコン5を設定しておくとよい。
In this embodiment, the displacement detection direction of the
次に、ツール位置検出装置1によるツール位置検出手順について説明する。図2は図1に示す装置1によるツール位置検出方法を説明する図面である。図1及び2に示すように、まず、コントローラ4によりロボット2を操作して、ツール8の球面部8aをタッチセンサ10の平板16の当接面16aに当接させる。その当接時には、タッチセンサ10のロッド14がバネ13の弾性力により上下に変位可能であることで平板16が下方に移動するため、当接時にツール8に掛かる力が緩和される。さらに、当接は、球面部8aと平板16との間で行われるので、平板16及びタッチセンサ10を1自由度の安価なものとすることができる。
Next, the tool position detection procedure by the tool
また、図3(a)に示すように、平板16と球面部8aとの当接力は、常に平板16の法線方向であるバネ13の伸縮方向にのみ作用するため、ツール8の変形が防止されて正確な計測が行える。つまり、図3(b)の比較例のように、球同士(球面部8aと球体B)の当接の場合等には、球面部8aの中心に向かった力が発生し、当接力がバネ13の伸縮方向に作用するとは限らないため、ツールが変形してしまう場合が考えられるが、本実施形態によればそれが防止される。
Further, as shown in FIG. 3A, the contact force between the
次いで、図2に戻り、ツール8の球面部8aを平板16の当接面16aに当接させた時点において、ツール取付部7dの位置及び姿勢をロボット2の関節7a〜7dの角度に基づいて計測すると共に、変位センサ15の出力も計測する。そして、そのツール取付部7dの位置及び姿勢と変位センサ15の出力とをパソコン5に記録する。次いで、ロボット2によりツール8の姿勢を変えて、ツール取付部7dの位置及び姿勢と変位センサ15の出力との計測・記録を複数回(後述する連立方程式(3)における未知数の数以上の回数)繰り返す。その際、ツール8の球面部8aが平板16の当接面16aに当接しさえすれば、各回ごとに当接面16a内における当接位置がずれていてもよい。また、球面部8aを繰り返し平板16に当接させる際の各回のツール8の姿勢は、同一軸線周りの回転にならないよう選ぶようにする(例えば、ツール8が、鉛直方向下向き、X軸周りに±45度、Y軸周りに±45度の5姿勢など)。
Next, returning to FIG. 2, when the
次いで、繰り返し回数分得たツール取付部7dの位置及び姿勢と変位センサ15の出力のデータを用いて後述の連立方程式(3)を解くことで、ツール8の球面部8aの中心の位置、即ち、ツール取付部7dから球面部8aの中心までのツールベクトルtXtcの成分を求める。図2から分かるように、各ベクトルをベース座標系におけるZ方向の線分上に投影すると、ツール8の姿勢に関わらず、常に以下の数式1が成り立つ。
Next, the position and orientation of the
ここで、数式1における記号や変数は、以下の通り定義される。
“・”:ベクトルの内積
“*”:行列とベクトルの積
Nbz :ベース座標系のZ方向に平行な単位ベクトル、即ち、(0,0,1)の転置ベクトル
bXbt:ツール取付部までのベクトル(計測データごとに既知)
Rbt :ベース座標系とツール座標系との間の座標変換行列(計測データごとに既知)
tXtc:ツールベクトル(各成分は未知数)
L0:タッチセンサの自然長(出力0のときの長さ:未知または既知のどちらでも可)
δL:タッチセンサの出力(縮む方向を正、計測データごとに既知)
Rc:球面部の曲率半径(未知または既知のどちらでも可)
この数式1は、ベース座標系において、平板16の当接面16aのZ位置と球面部8aの曲率半径Rcとの和から得られる球面部の中心のZ位置が、ツール取付部7eのZ位置とツールベクトルtXtcのZ成分との和から得られる球面部8aの中心のZ位置に等しいことを意味している。
Here, the symbols and variables in
“・”: Inner product of vector “*”: product of matrix and vector
Nbz: Unit vector parallel to the Z direction of the base coordinate system, that is, a transposed vector of (0,0,1)
bXbt: Vector to the tool attachment (known for each measurement data)
Rbt: Coordinate transformation matrix between base coordinate system and tool coordinate system (known for each measurement data)
tXtc: Tool vector (each component is unknown)
L0: Natural length of touch sensor (length when output is 0: either unknown or known)
δL: Touch sensor output (Positive shrinking direction, known for each measurement data)
Rc: radius of curvature of the spherical surface (either unknown or known)
そして、内積は表現するベクトルを変えても同じ値であるので、後述する連立方程式(3)を後述する数式4にまとめ易くするため、数式1をツール座標系に変換した数式2に書き換える。
Since the inner product is the same value even if the vector to be expressed is changed, the
ここで、Rtb :Rbtの逆行列(計測データごとに既知)である。 Here, Rtb is an inverse matrix of Rbt (known for each measurement data).
図4は図1に示す装置1においてツール8を平板16に対して姿勢を変えて当接させることを説明する図面である。図4に示すように、ロボット2を動作させてツール8の姿勢を複数回変えて計測すると、数式2は計測回数Nと同じ数だけ連立させた以下の連立方程式(3)を得ることができる(Nは未知数の数)。
FIG. 4 is a view for explaining that the
そして、この連立方程式(3)は一般的に以下のように整理できる。 This simultaneous equation (3) can be generally organized as follows.
X,A,Bは、タッチセンサ10の自然長L0(即ち、平板16の初期Z位置)と球面部8aの曲率半径Rcとを未知数として設定する場合には、以下の数式5〜7で表される。
X, A, and B are expressed by the following
一方、タッチセンサ10の自然長L0と球面部8aの曲率半径Rcとを共に既知として設定する場合には、X,A,Bは以下の数式8〜10で表される。
On the other hand, when both the natural length L0 of the
そして、行列Aが正則の場合(N=未知数の数)は、未知数のベクトルXは、以下の数式11で表される。
When the matrix A is regular (N = the number of unknowns), the unknown vector X is expressed by the following
一方、行列Aが非正則の場合(N>未知数の数)は、未知数のベクトルXは、以下の数式12で表される。
On the other hand, when the matrix A is irregular (N> the number of unknowns), the vector X of unknowns is expressed by
なお、A+は、以下の数式13に示すようにAの擬似逆行列であり、これにより最小2乗法で求めるとの同じように精度の高い解を得ることができる。
A + is a pseudo inverse matrix of A as shown in
そして、数式11または数式12により、ツールベクトルtXtcの各成分が求められる。
Then, each component of the tool vector tXtc is obtained by
以上によれば、一方向であるZ位置のみに着目するだけでも、ツール8を姿勢を変えて平板16に当接させて連立方程式を解くことでツールベクトルtXtcの各成分を求めることができる。そして、Z位置のみに着目することで、ツール8の球面部8aを平板16の当接面16a上の何れの位置に当接させてもよく(前回の当接位置に対してX,Y位置がずれてもよい)、教示作業をラフに行うことが可能となる。よって、教示作業が簡単となり作業時間の短縮化が図れるとともに、検出精度を向上させることができる。また、タッチセンサ10の自然長L0(即ち、平板16の初期Z位置)と球面部8aの曲率半径Rcとを未知数として設定すれば、当接回数を増やして連立方程式の数を増やすだけで、L0及びRcを予め知る必要がなくなり、教示作業をより簡素化することができる。
As described above, each component of the tool vector tXtc can be obtained by solving the simultaneous equations by changing the posture of the
なお、本実施形態では、ツール8の先端部を球面部8aとしたが、ツールの先端部が尖部であってもよい(例えば、ツールをエンドミルとした場合等)。その場合には、前記した曲率半径Rcをゼロであるとして扱えば、その他のツール位置検出手順は前記同様である。また、本実施形態では、連立方程式(3)をツール座標系で解いたが、ベース座標系で解いてもよい。
In the present embodiment, the tip portion of the
(第2実施形態)
図5(a)(b)は本発明の第2実施形態のツールの平板への当接状態を説明する図面である。図5(a)(b)に示すように、本実施形態は、平板16の法線方向がベース座標系のZ方向に対して傾いた状態でタッチセンサ10のロッド14に固定された場合を想定している。この場合、ツール8の先端の球面部8aを高さが一定となるように動かした場合でも、平板16は上下に変位し、変位センサ15の出力値がLb分だけ変化してしまう。(センサ値として得られるδLの値が右側の(b)図ではLbだけ増加して検出される。)そこで、この影響を補正するために、基礎式である数式2を以下の数式14にように修正する。
(Second Embodiment)
FIGS. 5A and 5B are views for explaining a contact state of a tool according to a second embodiment of the present invention with a flat plate. As shown in FIGS. 5A and 5B, the present embodiment is a case where the normal direction of the
そして、ツール8の球面部8aの中心のX,Y位置を入力とし、変位センサ15の出力値の補正量Lbを出力とする補正テーブルまたは補正関数を、以下のように予め求めておく。
Then, a correction table or a correction function that uses the X and Y positions of the center of the
まず、ロボット2のツール取付部7eに寸法形状が既知の基準ツール(図示せず)を取り付ける。次いで、ロボット2により基準ツールを平板16に当接させ、その当接時における基準ツールの先端部の位置(bXbc, bYbc, bZbc)と、変位センサ15の出力値δLとを記録する(図5(a)参照)。なお、基準ツールの先端部の位置は、基準ツールの概略寸法形状が既知であるため、以下の数式15のようにロボット2のツール取付部7eの位置及び姿勢から求めることができる。
First, a reference tool (not shown) having a known dimensional shape is attached to the
なお、tXtc0はツール取付部7eから基準ツールの先端部の中心までの基準ツールベクトルであり、基準ツールの寸法形状及びツール取付部7eの姿勢から求められる。
Note that tXtc0 is a reference tool vector from the
そして、基準ツールの先端部のZ位置を変えないようにXY平面内(ベース座標系)で基準ツールを移動させ、基準ツールを平板16の当接面16aの複数箇所に当接させ、その当接時における基準ツールの先端部の位置(bXbc, bYbc, bZbc)と、変位センサ15の出力値δLとを記録する(図5(b)参照)。実際には、基準ツールをXY平面に平行に移動させずに、一度、基準ツールを平板から離してから平行移動させ、同じ高さまで戻すことでツールの変形を防ぐ。この操作を繰り返すことにより、数式4の未知数の数以上の回数の計測を行う。このようにして得られた計測結果を元に、平板16の傾きを補正するための、平板16上におけるX,Y位置とZ位置との間の相関関係を求める。
Then, the reference tool is moved in the XY plane (base coordinate system) so as not to change the Z position of the tip portion of the reference tool, and the reference tool is brought into contact with a plurality of locations on the
具体的には、ツール先端位置とそれに対応したセンサ値は、計測した数だけ得られるので、ツール先端部のX,Y位置(bXbc, bYbc)を入力として、変位センサ15の出力値の補正量Lbを出力する線形補間テーブルを求める。または、テーブルの代わりに、数式16に示すような平面の方程式を求めてもよい。
Specifically, since the tool tip position and the sensor values corresponding to the tool tip position can be obtained, the correction amount of the output value of the
なお、A、B,Z0は係数であり、この3つの値は、計測した回数だけ得られている基準ツールの先端位置X,Yとセンサ出力値δLで求まるベクトル(X、Y,Z)=(bXbc,bYbc,δL+bZbc)を数式16に代入して得られる連立方程式を解くことで求めることができる。
A, B, and Z0 are coefficients, and these three values are a vector (X, Y, Z) = determined from the tip position X, Y of the reference tool and the sensor output value δL obtained as many times as measured. It can be obtained by solving simultaneous equations obtained by substituting (bXbc, bYbc, δL + bZbc) into
次いで、ロボット2のツール取付部7eに取り付けられた基準ツールを計測対象のツール8に交換し、第1実施形態と同様に、ツール8の球面部8aを平板16に対して少なくとも未知数の数と同じ回数当接させ、第1実施形態の数式2を数式8に置き換えた(即ち、数式2中のδLをδL−Lbに置き換えた)うえで数式4を求める。その際のLbの値については、前記線形補間テーブルまたは数式16を用いて、当接時のX,Y位置に対応するLbを求める。そして、この連立方程式を解くことで、ツールベクトルの仮の値を算出する。それ以降は、この得られたツールベクトルの値を用いて同様の計測を繰り返せば、さらにツールベクトルの算出精度を向上させることができる。なお、他の構成・手順等は前述した第1実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。
Next, the reference tool attached to the
(第3実施形態)
図6は本発明の第3実施形態の光学エリアセンサを示す斜視図である。図6に示すように、本実施形態では、平板16を取り付けたタッチセンサ10の代わりに、非接触の光学エリアセンサ20を用いている。詳しくは、光学エリアセンサ20は、複数の光線を平行に照射する複数の発光部を有する発光装置21と、それら光線を受光する複数の受光部を有する受光装置22とを備えた光電スイッチであり、複数の光線を含む仮想平面が感知面23となっている。そして、光線を受光しない受光部が発生することで、ツール8の球面部8aが感知面23に接触したことを検知できるようになっている。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a perspective view showing an optical area sensor according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, in this embodiment, a non-contact
この光学エリアセンサ20は、その感知面23がベース座標系のXY平面と平行になるように任意の高さに設置する。次いで、ロボット2のツール取付部7eに計測対象のツール8を取り付けて、光学エリアセンサ20の上方からゆっくりとアプローチさせる。そして、ツール8の球面部8aが光線を遮ったことを受光装置22で検知した時点で、ロボット2の関節角度を検出することによりツール取付部7eの位置及び姿勢を記録する。この計測は、姿勢を変えて少なくとも3回(又はL0とRcが未知数の場合には少なくとも4回)以上行う。そして、そのツール取付部7eの位置及び姿勢情報を数式2に代入して連立方程式(4)を算出する。この際、センサ出力値δLの値はゼロとして計算する。それ以降は、第1実施形態に記載手順に従って連立方程式を解くことでツールベクトルが求まる。なお、他の構成・手順等は前述した第1実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。
The
(第4実施形態)
図7は本発明の第4実施形態のロボット2とワークWとの相対位置検出装置30を示す模式図である。なお、第1実施形態と共通する構成については同一符号を付している。図7に示すように、相対位置検出装置30は、産業用のロボット2と、ロボット2を制御する制御手段103とを備えている。制御手段103は、ロボット2に接続されたコントローラ4と、コントローラ4に接続されたコンピュータであるパソコン105とを有している。ロボット2のツール取付部7eには、タッチセンサ10が取り付け固定されている。タッチセンサ10のロッド14の先端には、平板16が固定されている。タッチセンサ10の変位センサ15の出力は、パソコン105に入力されるように構成されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a schematic diagram showing a relative
なお、本実施形態では、タッチセンサ10の変位検出方向および平板16の当接面16aの法線方向が、ツール座標系のZ方向と一致するように設けられているが、必ずしも一致させる必要はない。例えば、タッチセンサ10の変位検出方向がツール座標系のZ方向に一致していない場合には、それを一致させるための行列を予め計測しておき、該行列を用いてタッチセンサ10の座標系をツール座標系に変換するようにパソコン105を設定しておくとよい。
In this embodiment, the displacement detection direction of the
また、ロボット2の作業範囲内にはワークWが設けられている。ワークWには、球面部又は尖部からなる当接部を有するターゲットTが3個以上取り付けられている。具体的には、ターゲットTは、球面部Taと、その球面部Taから下方に突出する軸部Tbとを有する金属部材からなり、ワークWに形成された3個以上の基準穴Hに軸部Tbをそれぞれ差し込むことで、各ターゲットTを位置決めしている。そして、ワークWを基準としたワーク座標系に対する球面部Taの位置を三次元計測器などで予め計測しておく。
A work W is provided in the work range of the
次に、相対位置検出装置30によるロボット2とワークWとの相対位置の検出手順について説明する。図8は図7に示す装置30による相対位置検出方法を説明する図面である。図8に示すように、まず、コントローラ4によりロボット2を操作して平板16をターゲットTの球面部Taに当接させる。その当接時には、タッチセンサ10のロッド14がバネ13の弾性力により変位可能であることで平板16が法線方向に移動するため、当接による負荷が緩和される。さらに、当接は、球面部Taと平板16との間で行われるので、平板16及びタッチセンサ10を1自由度の安価なものとすることができる。
Next, a procedure for detecting the relative position between the
平板16の当接面16aにターゲットTの球面部Taに当接させた時点において、ツール取付部7dの位置及び姿勢をロボット2の関節7a〜7dの角度に基づいて計測すると共に、変位センサ15の出力も計測する。そして、そのツール取付部7dの位置及び姿勢と変位センサ15の出力とをパソコン105に記録する。次いで、ロボット2によりツール8の姿勢を変えて、ツール取付部7dの位置及び姿勢と変位センサ15の出力との計測・記録を複数回(後述する連立方程式(18)における未知数の数以上の回数)繰り返す。その際、平板16の当接面16aがターゲットTの球面部Taに当接しさえすれば、各回ごとに当接面16a内における当接位置がずれていてもよい。また、平板16を繰り返し球面部Taに当接させる際の各回の平板16の姿勢は、同一軸線周りの回転にならないよう選ぶようにする。
When the
次いで、繰り返し回数分得たツール取付部7dの位置及び姿勢と変位センサ15の出力のデータを用いて後述の連立方程式(18)を解くことで、ターゲットTの球面部Taの中心の位置、即ち、ベース座標系における球面部Taの中心の位置及び方向を示すターゲットベクトルbXbcの成分を求める。図8から分かるように、各ベクトルをツール座標系におけるZ方向の線分上に投影すると、平板16の姿勢に関わらず、常に以下の数式17が成り立つ。
Next, the position and orientation of the
ここで、数式17における記号や変数は、以下の通り定義される。
“・”:ベクトルの内積
Ntz :ツール座標系のZ方向に平行な単位ベクトル
bXbc:ターゲットベクトル(各成分は未知数)
bXbt:ツール取付部までのベクトル(計測データごとに既知)
L0:タッチセンサの自然長(出力0での長さ:未知または既知のどちらでも可)
δL:タッチセンサの出力(縮む方向を正、計測データごとに既知)
Rc:球面部の曲率半径(未知または既知のどちらでも可)
この数式17は、ツール座標系において、ターゲットベクトルbXbtのZ成分から得られる球面部Taの中心のZ位置が、ツール取付部7aのZ位置と平板16の当接面16aのZ位置と球面部Taの曲率半径Rcとの和から得られる球面部Taの中心のZ位置に等しいことを意味している。
Here, symbols and variables in Expression 17 are defined as follows.
“・”: Inner product of vectors
Ntz: Unit vector parallel to the Z direction of the tool coordinate system
bXbc: Target vector (each component is unknown)
bXbt: Vector to the tool attachment (known for each measurement data)
L0: Natural length of touch sensor (length at output 0: either unknown or known)
δL: Touch sensor output (Positive shrinking direction, known for each measurement data)
Rc: radius of curvature of the spherical surface (either unknown or known)
In the tool coordinate system, Equation 17 indicates that the Z position of the center of the spherical surface Ta obtained from the Z component of the target vector bXbt is the Z position of the
図9は図7に示す装置30において平板16をターゲットTに対して姿勢を変えて当接させることを説明する図面である。図9に示すように、ロボット2を動作させて平板16の姿勢を複数回変えて計測すると、数式17は計測回数Nと同じ数だけ連立させた以下の連立方程式(18)を得ることができる(Nは未知数の数)。
FIG. 9 is a view for explaining that the
そして、この連立方程式(18)は一般的に以下のように整理できる。 The simultaneous equations (18) can be generally arranged as follows.
X,A,Bは、タッチセンサ10の自然長L0(即ち、平板16の初期Z位置)と球面部Taの曲率半径Rcとを未知数として設定する場合には、以下の数式20〜22で表される。
X, A, and B are expressed by the following
一方、タッチセンサ10の自然長L0と球面部8aの曲率半径Rcとを共に既知として設定する場合には、X,A,Bは以下の数式23〜25で表される。
On the other hand, when both the natural length L0 of the
そして、数式19を解くことでターゲットベクトルbXbcの各成分が求められる。 Then, each component of the target vector bXbc is obtained by solving Equation 19.
以上によれば、一方向であるZ位置のみに着目するだけでも、タッチセンサ10の姿勢を変えて平板16をターゲットTの球面部Taに当接させて連立方程式を解くことでターゲットベクトルの成分を求めることができる。そして、Z位置のみに着目することで、ターゲットTの球面部Taを平板16上のどの位置に当接させてもよく(前回の当接位置に対してX,Y位置がずれてもよい)、教示作業をラフに行うことが可能となる。よって、教示作業が簡単となり作業時間の短縮化が図れるとともに、検出精度を向上させることができる。また、タッチセンサ10の自然長L0(即ち、平板16の初期Z位置)と球面部Taの曲率半径Rcとを未知数として設定すれば、当接回数を増やして連立方程式の数を増やすだけで、L0及びRcを予め知る必要がなくなり、教示作業をより簡素化することができる。
According to the above, even if attention is paid only to the Z position that is one direction, the orientation of the
なお、本実施形態では、ターゲットTの当接部を球面部Taとしたが、尖部としてもよい。その場合には、前記した曲率半径Rcをゼロであるとして扱えば、その他の手順は前記同様である。また、本実施形態ではタッチセンサ10及び平板16を用いたが、その代わりに第3実施形態のような光学エリアセンサ20をツール取付部7eに取り付けて用いてもよい。
In the present embodiment, the contact portion of the target T is the spherical surface portion Ta, but it may be a pointed portion. In this case, if the radius of curvature Rc is treated as zero, the other procedures are the same as described above. In the present embodiment, the
(第5実施形態)
図10(a)〜(d)は本発明の第5実施形態の相対位置検出方法を説明する図面である。図10(a)〜(d)に示すように、本実施形態では、ワークが設置されるテーブル41を回転可能な駆動軸42で支持したポジショナ40を計測対象物としている。そして、テーブル41にターゲットTを取り付け、テーブル41を回転させてターゲットTを少なくとも3つの位置に移動させ、その3つの位置におけるターゲットベクトルa1,a2,a3の成分を求める。このようにすれば、3つの位置におけるターゲットベクトルa1,a2,a3の成分からポジショナ40の運動方向(駆動軸42の回転中心及び軸心ベクトルなど)を求めることができる。なお、他の構成は前述した第4実施形態と同様であるため説明を省略する。
(Fifth embodiment)
FIGS. 10A to 10D are diagrams for explaining a relative position detection method according to the fifth embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 10A to 10D, in the present embodiment, a
(第6実施形態)
図11(a)〜(c)は本発明の第6実施形態の相対位置検出方法を説明する図面である。図11(a)〜(c)に示すように、本実施形態では、ロボット2は、床面に設置された走行レール50上を走行可能に設けられている。そして、計測対象物は、走行レール50が設置された床面としている。ロボット2を走行レール50上で少なくとも2つの位置に移動させ、その2つの位置におけるターゲットベクトルb1,b2の成分を求める。このようにすれば、2つの位置におけるターゲットベクトルb1,b2の成分からロボット2の走行軸の位置及びベクトルを求めることができる。なお、他の構成は前述した第4実施形態と同様であるため説明を省略する。
(Sixth embodiment)
FIGS. 11A to 11C are diagrams for explaining a relative position detection method according to the sixth embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 11A to 11C, in this embodiment, the
以上のように、本発明に係るロボットのツール位置検出方法、ロボットと対象物との相対位置検出方法、及びそれらの装置は、ツール位置やロボットと対象物との相対位置を簡単かつ高精度に検出可能である優れた効果を有しており、生産現場で使用される産業用ロボット等の分野に広く適用すると有益である。 As described above, the robot tool position detection method, the robot-to-target relative position detection method, and the devices thereof according to the present invention can easily and accurately determine the tool position and the relative position between the robot and the target. It has an excellent effect that it can be detected, and is useful when applied widely to fields such as industrial robots used in production sites.
1 ツール位置検出装置
2 ロボット
3,103 制御手段
7 アーム
7a〜7d 関節
7e ツール取付部
8 ツール
8a 球面部(先端部)
10 タッチセンサ
13 バネ
16 平板
16a 当接面
20 光学エリアセンサ
23 感知面
30 相対位置検出装置
T ターゲット
Ta 球面部(当接部)
W ワーク(対象物)
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
W Work (object)
Claims (12)
前記ツール取付部から前記先端部の中心までのツールベクトルの成分に未知数を設定し、
前記先端部を平面に対して前記ツールの姿勢を変えて少なくとも前記未知数の数と同じ回数当接させ、
前記当接時の前記ロボットのアームの関節角度に基づいて前記当接時の前記ツール取付部の位置をそれぞれ求め、
特定の座標系において、前記平面のZ位置と前記先端部の曲率半径との和から得られる前記先端部の中心のZ位置が、前記ツール取付部のZ位置と前記ツールベクトルのZ成分との和から得られる前記先端部の中心のZ位置に等しいことを意味する連立方程式を少なくとも前記未知数の数と同じ回数連立させ、
前記連立方程式を解くことで前記ツールベクトルの成分を求めることを特徴とするロボットのツール位置検出方法。 Attach a tool with a tip part consisting of a spherical part or a point to the tool attachment part at the tip of the robot arm,
Set an unknown to the component of the tool vector from the tool attachment to the center of the tip,
Changing the posture of the tool with respect to the plane with respect to the plane, and abutting at least as many times as the number of unknowns,
Based on the joint angle of the arm of the robot at the time of contact, the position of the tool attachment portion at the time of contact is determined,
In a specific coordinate system, the center Z position of the tip obtained from the sum of the Z position of the plane and the radius of curvature of the tip is the Z position of the tool mounting portion and the Z component of the tool vector. A simultaneous equation that means equal to the Z position of the center of the tip obtained from the sum is made at least as many times as the number of unknowns;
A tool position detection method for a robot, wherein the tool vector component is obtained by solving the simultaneous equations.
前記平面は、前記平板の当接面からなり、
前記平面のZ位置を前記変位センサの出力に基づいて求めることを特徴とする請求項1に記載のロボットのツール位置検出方法。 Using a flat plate displaceable in a substantially normal direction and a displacement sensor capable of detecting the displacement of the flat plate,
The plane is composed of a contact surface of the flat plate,
2. The robot tool position detection method according to claim 1, wherein the Z position of the plane is obtained based on an output of the displacement sensor.
前記平面は、前記光学エリアセンサの感知面からなり、
前記ツールの前記先端部が前記感知面に接触した時点で、前記ロボットのアームの関節角度を検出することを特徴とする請求項1に記載のロボットのツール位置検出方法。 Using an optical area sensor,
The plane consists of a sensing surface of the optical area sensor,
The robot tool position detection method according to claim 1, wherein the joint angle of the robot arm is detected when the tip of the tool comes into contact with the sensing surface.
前記先端部を平面に対して前記ツールの姿勢を変えて少なくとも全未知数の数と同じ回数当接させ、前記連立方程式を少なくとも全未知数の数と同じ回数連立させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のロボットのツール位置検出方法。 The Z position of the plane when the tip is not in contact with the plane and the radius of curvature of the tip are further unknowns,
2. The tip is brought into contact with a plane at least as many times as the number of all unknowns by changing the attitude of the tool, and the simultaneous equations are set as many times as at least as many as all unknowns. 4. The robot tool position detection method according to any one of 3 above.
前記基準ツールに代えて前記ツールを前記ツール取付部に取り付けて前記ツールを前記平面に当接させ、その当接箇所の平面内におけるX,Y位置を、前記検出されたツール取付部の位置および前記ツールの概略寸法形状から求め、
前記相関関係により前記X,Y位置に対応するZ位置を求め、その求めたZ位置を前記連立方程式における前記平面のZ位置に代入することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のロボットのツール位置検出方法。 A reference tool having a known dimensional shape is attached to the tool attachment portion, the reference tool is moved in the plane, and the reference tool is brought into contact with a plurality of locations on the plane, whereby X and Y positions on the plane are obtained. The correlation between the Z position and the Z position in advance,
Instead of the reference tool, the tool is attached to the tool attachment portion, the tool is brought into contact with the plane, and the X and Y positions in the plane of the contact portion are determined by the position of the detected tool attachment portion and Obtained from the approximate size and shape of the tool,
5. The Z position corresponding to the X and Y positions is obtained from the correlation, and the obtained Z position is substituted into the Z position of the plane in the simultaneous equations. 6. Tool position detection method for robots.
球面部又は尖部からなる当接部を有するターゲットを対象物に取り付け、
前記当接部の位置及び方向を示すターゲットベクトルの成分に未知数を設定し、
前記当接部に対して前記平面を前記部材の姿勢を変えて少なくとも前記未知数の数と同じ回数当接させ、
前記当接時の前記ロボットのアームの関節角度に基づいて前記当接時の前記ツール取付部の位置をそれぞれ求め、
特定の座標系において、前記ターゲットベクトルのZ成分から得られる前記当接部の中心のZ位置が、前記ツール取付部のZ位置と前記平面のZ位置と前記当接部の曲率半径との和から得られる前記当接部の中心のZ位置に等しいことを意味する連立方程式を少なくとも前記未知数の数と同じ回数連立させ、
前記連立方程式を解くことで前記ターゲットベクトルの成分を求めることを特徴とするロボットと対象物との相対位置検出方法。 Attach a flat member to the tool attachment part at the tip of the robot arm,
Attach a target having an abutting part consisting of a spherical part or a point to a target,
Set an unknown to the component of the target vector indicating the position and direction of the abutment,
Changing the posture of the member with respect to the abutting portion and abutting at least as many times as the number of unknowns;
Based on the joint angle of the arm of the robot at the time of contact, the position of the tool attachment portion at the time of contact is determined,
In a specific coordinate system, the Z position of the center of the contact portion obtained from the Z component of the target vector is the sum of the Z position of the tool mounting portion, the Z position of the plane, and the radius of curvature of the contact portion. A simultaneous equation that means that it is equal to the Z position of the center of the contact portion obtained from
A method for detecting a relative position between a robot and an object, wherein the component of the target vector is obtained by solving the simultaneous equations.
前記平面は、前記平板の当接面からなり、
前記平面のZ位置を前記変位センサの出力に基づいて求めることを特徴とする請求項6に記載のロボットと対象物との相対位置検出方法。 A flat plate displaceable in a substantially normal direction and a displacement sensor for detecting the displacement of the flat plate are attached to the tool mounting portion,
The plane is composed of a contact surface of the flat plate,
The method for detecting a relative position between a robot and an object according to claim 6, wherein the Z position of the plane is obtained based on an output of the displacement sensor.
前記平面は、前記光学エリアセンサの感知面からなり、
前記感知面が前記ターゲットに接触した時点で、前記ロボットのアームの関節角度を検出することを特徴とする請求項6に記載のロボットと対象物との相対位置検出方法。 Attach an optical area sensor to the tool mounting part,
The plane consists of a sensing surface of the optical area sensor,
The method according to claim 6, wherein the joint angle of the arm of the robot is detected when the sensing surface comes into contact with the target.
前記当接部に対して前記平面を前記部材の姿勢を変えて少なくとも全未知数の数と同じ回数当接させ、前記連立方程式を少なくとも全未知数の数と同じ回数連立させることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載のロボットと対象物との相対位置検出方法。 The Z position of the plane when the plane is not in contact with the target and the radius of curvature of the target are further unknowns,
The surface of the member is changed with respect to the contact portion by changing the posture of the member at least as many times as the number of all unknowns, and the simultaneous equations are set at least as many times as the number of all unknowns. The relative position detection method of the robot and target object in any one of 6 thru | or 8.
前記ロボットを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記ツール取付部から前記先端部の中心までのツールベクトルの成分に未知数を設定し、
前記先端部を平面に対して前記ツールの姿勢を変えて少なくとも前記未知数の数と同じ回数当接させるよう前記ロボットを駆動し、
前記当接時の前記ロボットのアームの関節角度に基づいて前記当接時の前記ツール取付部の位置をそれぞれ求め、
特定の座標系において、前記平面のZ位置と前記先端部の曲率半径との和から得られる前記先端部の中心のZ位置が、前記ツール取付部のZ位置と前記ツールベクトルのZ成分との和から得られる前記先端部の中心のZ位置に等しいことを意味する連立方程式を少なくとも前記未知数の数と同じ回数連立させ、
前記連立方程式を解くことで前記ツールベクトルの成分を求めることを特徴とするロボットのツール位置検出装置。 A robot to which a tool having a tip portion composed of a spherical surface or a cusp is attached to the tool attachment portion at the tip of the arm;
Control means for controlling the robot,
The control means includes
Set an unknown to the component of the tool vector from the tool attachment to the center of the tip,
Driving the robot to bring the tip into contact with the plane at least as many times as the number of unknowns by changing the attitude of the tool;
Based on the joint angle of the arm of the robot at the time of contact, the position of the tool attachment portion at the time of contact is determined,
In a specific coordinate system, the center Z position of the tip obtained from the sum of the Z position of the plane and the radius of curvature of the tip is the Z position of the tool mounting portion and the Z component of the tool vector. A simultaneous equation that means equal to the Z position of the center of the tip obtained from the sum is made at least as many times as the number of unknowns;
A tool position detecting device for a robot, wherein the tool vector component is obtained by solving the simultaneous equations.
前記ロボットを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
対象物に取り付けられた球面部又は尖部からなる当接部を有するターゲットの前記当接部の位置及び方向を示すターゲットベクトルの成分に未知数を設定し、
前記当接部に対して前記平面を前記部材の姿勢を変えて少なくとも前記未知数の数と同じ回数当接させ、
前記当接時の前記ロボットのアームの関節角度に基づいて前記当接時の前記ツール取付部の位置をそれぞれ求め、
特定の座標系において、前記ターゲットベクトルのZ成分から得られる前記当接部の中心のZ位置が、前記ツール取付部のZ位置と前記平面のZ位置と前記当接部の曲率半径との和から得られる前記当接部の中心のZ位置に等しいことを意味する連立方程式を前記検出の回数分連立させ、
前記連立方程式を解くことで前記ターゲットベクトルの成分を求めることを特徴とするロボットと対象物との相対位置検出装置。
A robot to which a member having a flat surface is attached to the tool attachment portion at the end of the arm;
Control means for controlling the robot,
The control means includes
Setting an unknown to the component of the target vector indicating the position and direction of the contact portion of the target having a contact portion comprising a spherical surface or a cusp attached to the object;
Changing the posture of the member with respect to the abutting portion and abutting at least as many times as the number of unknowns;
Based on the joint angle of the arm of the robot at the time of contact, the position of the tool attachment portion at the time of contact is determined,
In a specific coordinate system, the Z position of the center of the contact portion obtained from the Z component of the target vector is the sum of the Z position of the tool mounting portion, the Z position of the plane, and the radius of curvature of the contact portion. A simultaneous equation that means equal to the Z position of the center of the contact portion obtained from
An apparatus for detecting a relative position between a robot and an object, wherein a component of the target vector is obtained by solving the simultaneous equations.
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