JP2011148045A - ツール座標系の較正装置及び較正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業ロボットに於けるツール座標系の較正を適切に行えるようにして、その作業精度の向上を図る。
【解決手段】動作の基準となるツール座標系を備えた作業ロボット１に設けられる２次元変位センサ３ａと、該２次元変位センサ３ａにより断面形状が計測される較正冶具３０と、計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボット１に現在設定されているツール座標系１９と本来設定されるべきツール座標系２０との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算する演算手段と、該演算手段による演算結果に基づいて、前記ツール座標系１９を較正する較正手段とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ツールが装備される作業ロボットに設定されたツール座標系を適切に較正することのできるツール座標系の較正装置及び較正方法に関する。

一般に、作業ロボットのアームには、ワークに対して各種作業を行うツールが取付けられ、作業ロボットにはその動作の基準となる座標系（ツール座標系）が設定される。しかるに、ツール自体は必ずしもアームに対して正確に取付けられるとは限らず、所謂取付誤差を有していることが多い。このような状態で作業が行われると作業精度の低下を招くため、作業開始時には取付誤差は極力解消されている必要がある。この場合、ツールの取付状態を調整するのは非常に厄介な作業となるために、通常、前記ツール座標系を較正するという手段が採用されている。

特許文献１に示す従来のものは、カメラと、平面部及び脚部を備えた較正冶具とを用いるものであり、先ず較正冶具の平面部を被測定対象部上に配置し、カメラで撮影した較正冶具の特定点（平面部の基準点と脚部端点）の座標値を読取り、これと冶具各部の既知寸法からカメラ光軸に対する被測定対象部平面の三次元の傾き（回転成分についての誤差）とを幾何学的に求める。そして、この傾きに基づく較正により、被測定対象部の長さ又は距離が測定できるようにしている。

特許第３４１５９２１号公報

しかしながら、上記従来のものは、カメラの光軸に対する平面部の傾きを求めることにより、その回転成分についての誤差を較正するに止まるものであり、平面部に生じている座標軸方向の移動成分に関する誤差は較正対象としていない。このため、かかる技術を作業ロボットの位置較正に適用することは困難であった。

それ故に、本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、作業ロボットに於けるツール座標系の較正を適切に行えるようにして、その作業精度の向上を図ることにある。

本発明に係るツール座標の較正装置は、動作の基準となるツール座標系を備えた作業ロボットに設けられる２次元変位センサと、該２次元変位センサにより断面形状が計測される較正冶具と、計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボットに現在設定されているツール座標系と本来設定されるべきツール座標系との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算する演算手段と、該演算手段による演算結果に基づいて、前記ツール座標系を較正する較正手段とを備えてなることを特徴としている。

このように、較正冶具の断面形状についての情報を用いることにより、作業ロボットのツール座標系に生じている回転成分の誤差のみならず、座標軸方向の移動成分の誤差についても演算によって求めることが可能になる。これにより、これらの全ての誤差を較正の対象に含めることができるために、較正手段によるツール座標系の較正が適切に行える。その結果、作業ロボットに取付けられる各種ツールによる作業精度が大幅に向上することになる。

また、本発明に係る較正装置は、ツールの種類や形状等の変化に影響を受けるようなこともなく、幅広く適用することができる。更に、較正冶具の断面形状を計測する手段としての２次元変位センサは、一般にワークの位置確認用として作業ロボットに装備されるものであるために、その有効利用を図ることができる。

尚、２次元変位センサもツールの一種であるが、作業ロボットにはワーク等に対して作業を行う他のツールが別途設けられるのが一般的である。また、作業ロボットとは、一般に種々のツールが装備されて、ワークに対して各種作業を行うことのできる機械である。

更に、前記較正冶具は、平面部と、該平面部に対して所定の角度で傾斜する斜面部とを備えた一対の計測部が上下に段差を有して並設されるように構成してもよい。

これによると、２次元変位センサにより較正冶具の平面部又は斜面部の断面形状が計測され、かかる断面形状についての情報からツール座標系に生じている誤差が演算手段により演算される。そして、この演算結果に基づいて、較正手段によりツール座標系が較正されることになる。前記較正冶具は、非常に簡易な構成からなるために、容易に且つ安価に製作することができる。

また、本発明に係るツール座標系の較正方法は、動作の基準となるように作業ロボットが備えるツール座標系を較正する方法であって、平面部と、該平面部に対して所定の角度で傾斜する斜面部とを備えた一対の計測部が上下に段差を有して並設された較正冶具を載置面に載置した後、前記作業ロボットに設けた２次元変位センサにより、前記較正冶具の計測部の断面形状を計測し、その後、計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボットに現在設定されている座標系と本来設定されるべき座標系との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算し、更に、演算結果に基づいて前記ツール座標系を較正することを特徴としている。

この場合も、作業ロボットのツール座標系に生じている回転成分の誤差のみならず座標軸方向の移動成分の誤差についても演算をして求め、これらの全ての誤差を較正の対象としているために、較正手段によるツール座標系の較正を適切に行えて、ツールによる作業精度が大幅に向上することになる。また、２次元変位センサによる較正冶具の計測が主たる作業となるように構成されているために、較正作業を複雑化せしめることなく、一連の作業を効率的に行うことができる。

更に、前記較正手段によるツール座標系の較正は、回転成分の誤差に基づいて較正を行った後に、座標軸方向の移動成分の誤差に基づいて較正を行うようにしてもよい。

これによれば、回転成分に関する誤差が解消されたツール座標系について、座標軸方向の移動成分に関する誤差の較正が行われるために、回転成分の誤差の影響を受けることはなく、移動成分に関して適正な較正を行うことができる。即ち、較正精度の向上を図ることが可能になる。

また、前記ツール座標系は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸からなる３次元直交座標によって規定され、前記回転成分の誤差は、較正冶具の平面部及び斜面部の断面情報から演算され、前記座標軸方向の移動成分のＹ軸とＺ軸に関する各誤差は、Ｘ軸を回転中心として前記２次元変位センサを回転させて複数計測した前記較正冶具の平面部の断面情報から演算され、前記Ｘ軸に関する誤差は、前記Ｙ軸を回転中心として前記２次元変位センサを回転させて複数計測した前記較正冶具の平面部の断面情報から演算されるようにしても構わない。

これによると、較正冶具の平面部及び斜面部の断面情報を演算することにより、回転成分の誤差を求めることができる。また、２次元変位センサを所定の座標軸を回転中心として回転させて、較正冶具の平面部について複数の断面情報を演算することにより、座標軸方向の移動成分の誤差を求めることができる。何れも非常に容易に求めることができるために、一連の較正作業を複雑化せしめることはない。

以上のように、本発明によれば、作業ロボットに於けるツール座標の較正を適切に行うことが可能となり、その作業精度の向上を図ることができる。

本発明に係るツール座標系の較正装置の一実施形態を示す斜視図である。 載置面に載置した較正冶具の一実施形態を示す斜視図である。 較正装置の使用例を示す側面図である。 一連の較正作業の流れを示すフローチャートである。 較正冶具の平面部の計測状態を示し、（ａ）は斜視図で、（ｂ）は側面図である。 計測した較正冶具の断面形状を示す説明図である。 （ａ）は較正冶具の斜面部の計測状態を示す斜視図で、（ｂ）は計測した較正冶具の断面形状を示す説明図である。 （ａ）及び（ｂ）はツール座標系の座標軸方向の移動成分に関する誤差を較正する手順を示す模式図である。 （ａ）〜（ｃ）はツール座標系の座標軸方向の移動成分に関する誤差を較正する手順を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態について図面に従って説明する。図１に示すように、作業ロボット１は所謂多自由度ロボットであり、そのアーム２にはツール３としての２次元変位センサ３ａが取付けられている。本実施形態では、２次元変位センサ３ａとして２次元レーザセンサを使用しており、これは帯状のレーザ光を計測対象物に照射し、その反射光をＣＣＤで撮像することにより、計測対象物の任意の断面形状を計測することのできる非接触型センサである。但し、本発明はこれに限定されるものでなく、その他の２次元変位センサ３ａを使用しても構わない。

作業ロボット１のアーム２は、その動作の基準となる３次元直交ツール座標系（Ｘ_ｔ−Ｙ_ｔ−Ｚ_ｔ）を有しており、以下これを「現在設定されている座標系１９」という。これに対して、２次元変位センサ３ａも、その光軸を一軸とする３次元直交座標系、即ち２次元変位センサ３ａの位置姿勢により一義的に定まる３次元直交ツール座標系（Ｘ_ｔ′−Ｙ_ｔ′−Ｚ_ｔ′）を有している。以下、これを「本来設定されるべきツール座標系２０」という。これらの各ツール座標系１９、２０は、ツール３が取付けられる、アーム２の取付面に定義されたメカニカルインターフェース座標系を基準とした座標系である。本来、２次元変位センサ３ａは、作業ロボット１のアーム２に対して正確に取付けられるべきものであるが、例えばアーム２への２次元変位センサ３ａの取付不備等により、両者間に誤差が生じる場合がある。かかる誤差が公差範囲内であれば特に問題はないが、これを越えた場合は、現在設定されているツール座標系１９を本来設定されるべきツール座標系２０に一致させるべく、後述するようにしてその較正がなされる。尚、作業ロボット１は、その底面に設定される３次元直交ベース座標系（Ｘ_ｂ−Ｙ_ｂ−Ｚ_ｂ）（以下、「ベース座標系２１」という）を有している。

アーム２には、ワークＷに対して例えば溶接や研磨等の作業を行うための他のツール３ｂが取付けられている。また、作業ロボット１は、２次元変位センサ３ａにより計測された計測対象物の断面形状に関する情報に基づいて所定の演算を行う演算手段としての演算部４と、この演算結果に基づいて現在設定されているツール座標系１９を較正する較正手段としての較正部５とを有する制御装置６を備えている。本実施形態に於ける制御装置６は、パーソナルコンピュータで構成されている。

図２に示すように、計測対象物たる較正治具３０は、一対の計測部３４ａ、３４ｂを有している。計測部３４ａ、３４ｂは、作業ロボット１及び較正冶具３０が載置される平面状の載置面３１に対して平行に形成された平面部３２と、載置面３１に対して所定の角度で傾斜する斜面部３３とを有している。計測部３４ａ、３４ｂは、上下に段差３５を有して幅方向に並設されている。段差３５の大きさはＨに設定されており、各斜面部３３の載置面３１に対する傾斜角度αは６０°に設定されている。但し、段差３５の大きさや、斜面部３３の傾斜角度αはこれに限定されるものではなく、適宜変更が可能である。かかる較正冶具３０は、非常に簡易な構成からなるために、その製作も容易に且つ安価に行えるという利点がある。

本実施形態に係るツール座標系の較正装置は、以上のように構成されている。次に、これを使用して作業ロボット１に現在設定されているツール座標系１９を較正する方法について説明する。

図２及び図３に示すように、較正治具３０を載置面３１に設置するのであるが、この場合は較正冶具３１の斜面部３３が位置する前面側がロボット１に略正対するように配置する。また、Ｙ_ｔＺ_ｔ平面とＸ_ｂＺ_ｂ平面とが平行、且つＺ_ｔ軸とＺ_ｂ軸とが平行となるように配置する。この状態で一連の較正作業が開始される。但し、較正冶具３０の設置に関しては、決してこれに限定されるものではなく、要はベース座標系２１との関係が明らかであれば、どのように設置しても構わない。先ず、現在設定されているツール座標系１９に於ける回転成分に関する誤差について較正を行う。この時に検出される誤差（θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ）は、設定されるべき座標系２０からみた誤差として演算される。即ち、設定されるべき座標系２０をＸ_ｔ′軸回りにθ_ｘ回転させ、回転後のＹ_ｔ′軸回りにθ_ｙ回転させ、その回転後のＺ_ｔ′軸回りにθ_ｚ回転させると、現在設定されているツール座標系１９と一致することになる。

＜回転成分に関する誤差の較正＞
図４に示すように、本較正はステップ１００から開始される。先ず、回転成分の誤差のうちＸ_ｔ′軸に関する回転成分の誤差θ_ｘを求める。作業ロボット１のアーム２を操作して、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、２次元変位センサ３ａにより較正冶具３０の平面部３２にレーザを照射する。この場合、レーザは少なくとも何れか一方の平面部３２に照射すればよいが、本実施形態では両平面部３２にレーザを照射している。また、レーザは平面部３２の特定の部位に照射する必要はなく、任意の部位に照射すればよい。

これにより、図６に示すようなＹ_ｔ′Ｚ_ｔ′平面上の断面形状に関する情報を得ることができる。この断面情報は、平面部３２の外形線上にある任意の点の座標（ｙ_ｓ，ｚ_ｓ）と、平面部３２の各断面形状間の段差Δｚ_０とを内容としている。Ｙ_ｔ′Ｚ_ｔ′平面上に於ける平面部３２の断面情報の傾きをｍ_０とすると、これらには、ｚ_ｓ＝ｍ_０ｙ_ｓ＋Δｚ_０１、ｚ_ｓ＝ｍ_０ｙ_ｓ＋Δｚ_０２という関係式が各平面部３２で成立する。この関係式を満たす傾きｍ_０と切片Δｚ_０１、Δｚ_０２が、演算部４により最小二乗法を用いて求められる。以上のようにして得られた演算結果を利用して、Ｘ_ｔ′軸に関する回転成分の誤差θ_ｘは、θ_ｘ＝ａｒｃｔａｎ（ｍ_０）という関係式から求められる。尚、以下で説明する演算は全て演算部４によって行われる。

次に、残りの回転成分の誤差θ_ｙ、θ_ｚを求める。この場合は、２次元変位センサ３ａを移動させて、図７（ａ）に示すように、両斜面部３３を跨ぐようにレーザを照射する。これにより、図７（ｂ）に示すような、Ｙ_ｔ′Ｚ_ｔ′平面上の断面形状に関する情報を得ることができる。この断面情報も、斜面部３３の外形線上にある任意の点の座標点（ｙ_ｓ，ｚ_ｓ）と、斜面部３３の各断面形状間の段差Δｚとを内容としている。Ｙ_ｔ′Ｚ_ｔ′平面上に於ける斜面部３３の断面情報の傾きをｍとすると、これらには、ｚ_ｓ＝ｍｙ_ｓ＋Δｚ_１、ｚ_ｓ＝ｍｙ_ｓ＋Δｚ_２という関係式が各斜面部３３で成立する。前述と同様にして、最小二乗法により傾きｍと切片Δｚ_１、Δｚ_２が求められ、切片Δｚ_１、Δｚ_２より段差Δｚを求めることができる。但し、この場合、斜面部３３の外形線は平面部３２の傾きに従って補正する必要があり、補正して求める傾きをｍ′とし、段差Δｚ′とすると、これらはｍ′＝ｔａｎ（ａｒｃｔａｎ（ｍ）−θ_ｘ）、Δｚ′＝Δｚ＊ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（ｍ））／ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（ｍ）−θ_ｘ）という関係式から夫々求められる。以上のようにして得られた結果を利用して、求めるべき回転成分の誤差θ_ｙ、θ_ｚは、以下の数式１から得ることができる（ステップ１０１）。尚、数式１に於けるｘ_０は、ｘ_０＝（段差Ｈ）＊ｃｏｓ（斜面部３３の傾斜角度α）＊ｓｉｎ（斜面部３３の傾斜角度α）を示し、ｚ_０は、ｚ_０＝（段差Ｈ）＊ｃｏｓ（斜面部３３の傾斜角度α）＊ｃｏｓ（斜面部３３の傾斜角度α）を示している。

以上のようにして求めた各回転成分の誤差（θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ）が公差の範囲内である場合は（ステップ１０２）、座標軸方向の移動成分の誤差（ａ，ｂ，ｃ）の較正に移行する（ステップ１０３）。これに対して、公差の範囲外である場合は、前記演算結果に基づいて較正部５により現在設定されているツール座標系１９を較正した後（ステップ１０４）、ステップ１０１に戻って再度各回転成分の誤差を求める。その結果、全ての回転成分の誤差が公差内であれば、ステップ１０３に移行する。

＜座標軸方向の移動成分に関する誤差の較正＞
先ず、Ｘ_ｔ軸、Ｙ_ｔ軸、Ｚ_ｔ軸方向の移動成分の誤差（ａ，ｂ，ｃ）のうち、Ｙ_ｔ軸及びＺ_ｔ軸成分の誤差（ｂ，ｃ）を求める。図８（ａ）に示すように、現在設定されているツール座標系１９のＸ_ｔ軸を回転中心として２次元変位センサ３ａを所定角度回転させて、較正冶具３０の平面部３２について少なくとも３箇所の断面形状を計測し、その断面情報を取得する。取得した断面情報は、同図（ｂ）に示すように、３本の直線Ａ、Ｂ、Ｃとして得ることができる。そして、直線ＡとＢ及び直線ＢとＣの各交点に於いて形成される角度の二等分線の交点Ｐが求められる。この交点Ｐが現在設定されているツール座標系１９の原点Ｑ（ｙ，ｚ）に相当し、これが移動成分の誤差（ｂ，ｃ）となる。この誤差が公差内にあれば、次にステップ１０６に於いて残るＸ_ｔ軸方向の移動成分の誤差ａを求める。これに対して、公差から外れている場合は、求めた移動成分の誤差（ｂ，ｃ）に基づいて現在設定されているツール座標系１９を較正部５により較正した後（ステップ１０７）、ステップ１０３に戻って再度移動成分の誤差（ｂ，ｃ）を求める。その結果、移動成分の誤差（ｂ，ｃ）が公差内であれば、ステップ１０６に移行する。

以上の較正作業により、２次元変位センサ３ａと較正冶具３０の平面部３２とは、図９（ａ）に示すような関係となる。尚、同図（ａ）及び（ｃ）に於ける、ｄｚは現在設定されているツール座標系１９のツール原点Ｑと較正冶具３０の平面部３２との距離を示し、ｃ′は移動成分の誤差ｃの較正に於いて較正しきれなかったＺ_ｔ軸方向の移動成分の誤差を示す。これは、計測時や演算時等に於いて生じるものである。また、Ｌ_０は２次元変位センサ３ａと較正により本来設定されるべきツール座標系２０の原点Ｑ′との距離を示し、ａは求めるべきＸ_ｔ軸方向の移動成分の誤差を示しており、夫々定数である。これに対して、Ｌは２次元変位センサ３ａと較正冶具３０の平面部３２との距離であり、２次元変位センサ３ａにより計測される。θはＹ_ｔ軸を回転中心とする２次元変位センサ３ａの回転角度を示しており、夫々変数である。また、同図（ｃ）に示す状態に於いて、（Ｌ−Ｌ_０）＊ｃｏｓθ＝ａ＊ｓｉｎθ＋ｄｚ＋ｃ′＊ｃｏｓθという関係式が成立している。

この状態で、同図（ｃ）に示すように、現在設定されているツール座標系１９のＹ_ｔ軸を回転中心として、２次元変位センサ３ａを回転させる。この回転角θを変更しながら、２次元変位センサ３ａで複数箇所に於ける距離Ｌを計測する。かかる計測結果に基づいて最小二乗法を用いることにより、次の数式２からＸ_ｔ軸方向の移動成分の誤差ａ、距離ｄｚ及び較正しきれなかった移動成分の誤差ｃ′を求めることができる。

以上により求められた移動成分の誤差ａが公差の範囲内であれば（ステップ１０８）、これにより一連の較正作業は終了する（ステップ１１０）。これに対して、移動成分の誤差ａが公差から外れている場合は、かかる誤差ａに基づいて較正部５により現在設定されているツール座標系１９が較正された後（ステップ１０９）、ステップ１０６に戻って再度移動成分の誤差ａが求められる。その結果、移動成分の誤差ａが公差内であれば、較正作業は終了する（ステップ１１０）。尚、較正しきれなかった移動成分の誤差ｃ′に関しては、ツール３に要求される作業精度等を考慮しつつ、必要に応じて較正する。その後、作業ロボット１のツール３ｂによりワークＷに各種の作業が行われることになる。

以上で説明したように、本実施形態に係るツール座標系の較正装置は、較正冶具３０の断面形状についての情報を用いることにより、現在設定されているツール座標系１９に生じている回転成分の誤差のみならず、座標軸方向の移動成分の誤差についても演算によって求めることが可能になる。これにより、これらの全ての誤差を較正の対象に含めることができるために、較正部５によるツール座標系の較正が適切に行える。その結果、各種ツール３による作業精度が大幅に向上することになる。

また、本実施形態の較正装置は、ツール３の種類や形状等の変化に影響を受けるようなこともなく、幅広く適用することができる。

更に、較正冶具３０の断面形状を計測する手段としての２次元変位センサ３ａは、一般にワークＷの位置確認用として作業ロボット１に装備されるものであるために、その有効利用を図ることができる。

また、２次元変位センサ３ａによる較正冶具３０の計測が主たる作業となるように構成されているために、較正作業を複雑化せしめることなく、一連の作業を効率的に行うことができる。

尚、較正冶具３０の形状等の具体的な構成は、決して上記実施形態に限定されるものではない。

その他、作業ロボット１の形状等の各部の構成も、本発明の意図する範囲内に於いて任意に設計変更自在である。

１ 作業ロボット
３ ツール
３ａ ２次元変位センサ
３ｂ ツール
４ 演算手段（演算部）
５ 較正手段（較正部）
１９ 現在設定されているツール座標系
２０ 本来設定されるべきツール座標系
３０ 較正冶具
３１ 載置面
３２ 平面部
３３ 斜面部
３４ａ、３４ｂ 計測部
３５ 段差

Claims (5)

1. 動作の基準となるツール座標系を備えた作業ロボットに設けられる２次元変位センサと、
   該２次元変位センサにより断面形状が計測される較正冶具と、
   計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボットに現在設定されているツール座標系と本来設定されるべきツール座標系との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算する演算手段と、
   該演算手段による演算結果に基づいて、前記ツール座標系を較正する較正手段とを備えてなることを特徴とするツール座標系の較正装置。
2. 前記較正冶具は、平面部と、該平面部に対して所定の角度で傾斜する斜面部とを備えた一対の計測部が上下に段差を有して並設されている請求項１記載のツール座標系の較正装置。
3. 動作の基準となるように作業ロボットが備えるツール座標系を較正する方法であって、
   平面部と、該平面部に対して所定の角度で傾斜する斜面部とを備えた一対の計測部が上下に段差を有して並設された較正冶具を載置面に載置した後、
   前記作業ロボットに設けた２次元変位センサにより、前記較正冶具の計測部の断面形状を計測し、
   その後、計測された前記断面形状についての情報に基づいて、前記作業ロボットに現在設定されている座標系と本来設定されるべき座標系との、回転成分及び座標軸方向の移動成分に関する誤差を演算し、
   更に、演算結果に基づいて前記ツール座標系を較正することを特徴とするツール座標系の較正方法。
4. 前記較正手段によるツール座標系の較正は、回転成分の誤差に基づいて較正を行った後に、座標軸方向の移動成分の誤差に基づいて較正を行う請求項３記載のツール座標系の較正方法。
5. 前記ツール座標系は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸からなる３次元直交座標によって規定され、
   前記回転成分の誤差は、較正冶具の平面部及び斜面部の断面情報から演算され、前記座標軸方向の移動成分のうちＹ軸とＺ軸に関する各誤差は、Ｘ軸を回転中心として前記２次元変位センサを回転させて複数計測した前記較正冶具の平面部の断面情報から演算され、前記Ｘ軸に関する誤差は、前記Ｙ軸を回転中心として前記２次元変位センサを回転させて複数計測した前記較正冶具の平面部の断面情報から演算される請求項３又は４記載のツール座標系の較正方法。

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