JP2016187845A - ロボットおよびロボットシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】校正開始指示を受け付ける指示受付部と、基準点を示すマーカーが設けられたツールを装着可能であり、前記校正開始指示が受け付けられると、前記マーカーと撮像部との位置関係を変化させるアームと、を備え、前記マーカーは、前記ツールの前記アームに対向する面に設けられ、前記撮像部と前記マーカーの位置関係が変化した後に前記撮像部によって前記マーカーが撮像された画像に基づいて、前記撮像部の座標系とロボットの座標系との校正が行われる、ロボット。
【選択図】図1
Description
基準点を示すマーカーが設けられたツールを装着可能であり、前記校正開始指示が受け付けられると、前記マーカーと撮像部との位置関係を変化させるアームと、を備え、前記マーカーは、前記ツールの前記アームに対向する面に設けられ、前記撮像部と前記マーカーの位置関係が変化した後に前記撮像部によって前記マーカーが撮像された画像に基づいて、前記撮像部の座標系とロボットの座標系との校正が行われる。
1.第一実施例
1−1.概要
本発明の第一実施例としてのロボットシステムは、図1に示すように、ロボット1と、撮像部2と、校正装置としてのPC(Personal Computer)3とを備えている。
図1Aに簡略化して示すように、ロボット1は、アーム111、112、113、114、115とからなるアーム11と基台110とを備えている。基台110は、第一アーム111の回転軸部材121を支持している。基台110は図1に示すxyz座標系において動かない構成であれば良く、例えばアーム11を直接支持する台座と台座が上部に固定されて床面に設置されるフレームとを有する構成としても良いし、作業台9と一体の構造物として構成しても良いし、作業台9やベルトコンベヤのフレームや他のロボットが設置されるセルと一体の構造物としても良い。第一アーム111は回転軸部材121の中心軸を中心にして回転軸部材121とともに基台110に対して回転する。第一アーム111は、第二アーム112の回転軸部材122を支持している。第二アーム112は、回転軸部材122の中心軸を中心にして回転軸部材122とともに第一アーム111に対して回転する。第二アーム112は、第三アーム113の回転軸部材123を支持している。第三アーム113は、回転軸部材123の中心軸を中心にして回転軸部材123とともに第二アーム112に対して回転する。第三アーム113は、第四アーム114の回転軸部材124を支持している。第四アーム114は、回転軸部材124の中心軸を中心にして回転軸部材124とともに第三アーム113に対して回転する。第四アーム114は、第五アーム115の回転軸部材125を支持している。第五アーム115は、回転軸部材125の中心軸を中心にして回転軸部材125とともに第四アーム114に対して回転する。第五アーム115は、回転軸部材126を支持している。マニピュレーターの先端にあたる回転軸部材126には図2にツールの取付面が示されているツールチャック1261が設けられている。ツールチャック1261にはワークを操作するための各種のツールが取り付けられる。図2に示すように、ツールチャック1261の取付面は、4分割されており、その中央部にツールの軸が挿入される。ツールチャック1261の取付面の中心がTCPに相当する。
・垂直状態:基準平面と撮像部2の光軸が垂直な状態
・合焦状態:基準平面に撮像部2が合焦する状態
1−3−1.全体の流れ
次に上述したロボットシステムを用いた自動校正の全体の流れについて図4を参照しながら説明する。
次に図5を参照しながら低精度傾き補正の詳細を説明する。
まず、目標値導出部32は、基準平面を設定し、設定した基準平面に属する9つの基準点にマーカーとしてのTCPを移動させるための目標値を導出する。続いて、出力部33がロボット1の制御部14に目標値を出力し、各基準点にTCPが位置する状態で撮像された9つの画像を画像取得部31が撮像部2から取得する(ステップS21)。TCPの移動先である基準点は、校正開始指示が入力された時点でのツールチャック1261の位置と姿勢(TCPの位置と姿勢)に基づいて導出される。具体的には例えば、中央の基準点P5を校正開始指示が入力された時点でのTCPの位置に設定し、校正開始指示が入力された時点での回転軸部材126と垂直な平面を基準平面としてその他の基準点を導出する。出力部33は、このようにして導出された9つの基準点のロボット座標系での座標を制御部14に目標値として出力する。
次に図6を参照しながら焦点調整の詳細を説明する。
はじめに目標値導出部32は現在のTCPの位置と姿勢を保存する(ステップS31)。すなわち、図7に示すように低精度傾き補正が終了した時点における基準平面F(1)に対応するTCPの位置と姿勢が保存される。
次に高精度傾き補正について図9を参照しながら詳細に説明する。
はじめに目標値導出部32は、現在の傾き指標H1を導出する(ステップS401)。傾き指標は、同一の基準平面に属する中央の基準点P5とその近傍の4つの基準点P2、P4、P6、P8の基準平面の座標系の座標と撮像部2の座標系の座標とを用いて導出される。基準平面が撮像部2の光軸に垂直であって、中央の基準点P5を撮像部2の光軸が通る状態で撮像部によって撮像される画像において(図8D参照)、ツールチャック1261が示す各基準点の間隔d1、d2、d3、d4は等しくなる。そしてこのとき、基準点Pnの座標をp(n)で表すとすれば、次式が成立する。
v1=v2
ただし、
u1=p(5)−p(4)
u2=p(6)−p(5)
v1=p(5)−p(2)
v2=p(8)−p(5)
Hx=|u1−u2|
Hy=|v1−v2|
次に9点校正について説明する。高精度傾き補正が成功した状態では、基準平面は撮像部2の光軸に対して正確に垂直になっている。このことは、高精度傾き補正が完了するまでに得られる基準点の座標に基づいて、ロボット座標系と撮像部2の座標系が基準平面においては回転成分と拡大縮小成分について校正できることを意味する。9点校正では、基準平面上の任意の点について、レンズ201の歪みも加味して、正確にロボット座標系と撮像部2の座標系とを校正する。すなわち、9点校正では、ロボット座標系と撮像部2の座標系との線形の関係性を非線形に補正するためのパラメーターが、ロボット座標系の9つの基準点の座標と撮像部2の座標系の9つの基準点の座標とを用いて導出される。具体的には、出力部33は、9つの基準点にTCPを移動させるための目標値をロボット1に出力してアーム111〜115を動かし、画像取得部31は各基準点に位置するツールチャック1261を撮像した9つの画像を取得する。校正部34は、各画像を解析してツールチャック1261が示す基準点を検出する。続いて校正部34は、出力部33がロボット1に出力した目標値の座標と、画像を解析して取得した基準点の座標とに基づいて、最終的な校正のための補正パラメーターを導出する。なお、このような非線形補正に用いるパラメーターを導出するために用いる基準点の数が多いほど校正の精度は高くなる。
なお、撮像部2の位置と姿勢がロボット座標系において固定されていれば、上述した方法で撮像部2の座標系とロボット座標系とを校正することができることはいうまでもない。すなわち、アーム11が動く座標系において固定された点に撮像部2が設けられる限りにおいて、第一実施例で説明した自動校正を実施することができる。例えば、撮像部2を室内の壁に、光軸が水平になるように固定して、垂直な基準平面を設定しても良い。また例えば、撮像部2を室内の天井に、鉛直下向きに固定して、水平な基準平面を設定しても良い。また例えば、ロボット1が設置される部屋の床に撮像部2を固定しても良いし、ロボット1の基台110に撮像部2を固定しても良いし、ロボット1が固定されるセルのフレームに撮像部2を固定しても良いし、ロボット1に併設されるベルトコンベヤなどの装置に撮像部2を固定しても良い。ベルトコンベヤなどの外部装置に撮像部2を固定すれば、ロボット1と外部装置とを協働させて作動させるためにロボット1と外部装置との位置合わせをすることが容易になる。
そしてアーム11が動く座標系において固定された点に撮像部2が設けられる場合には、第一実施例で説明したようにロボット1を制御するためのxyz座標系の特定点にアーム11によってマーカーを位置づけて自動校正が実施される。なおこの場合、マーカーをアーム11のどの部分に固定してもよい。例えば上記実施例ではTCPをマーカーとして用いたが、第一アーム111、第二アーム112、第三アーム113、第四アーム114、第五アーム115のいずれにマーカーを固定しても良い。
第二実施例では、撮像部22をロボット1の可動部であるアーム11に装着したロボットシステムについて説明する。本実施例では、図10に示すように撮像部22の光軸が回転軸部材126と平行になるように撮像部22がアーム111にステー等で固定されているものとする。第一実施例ではロボット座標系に固定された撮像部2のロボットビジョンを校正するために基準点をロボット座標系で動かしながら校正対象となる基準平面を設定した。これに対して第二実施例では校正対象となる基準平面がロボット座標系に対してはじめから固定されているため、校正対象となる基準平面に対して光軸が垂直な状態になるように撮像部22をロボット1で動かした状態で校正が実行される。
本実施例の自動校正は、撮像部22の光軸が回転軸部材126と凡そ平行になっていることを前提として実施される。校正開始指示を入力する前の準備段階でアーム115に対する撮像部22の撮像位置と撮像姿勢を環境情報として設定する必要がある。撮像位置は撮像部22の光軸とエリアイメージセンサー202が交わる位置とする。撮像姿勢は光軸の姿勢とする。ただし、環境情報として設定される撮像部22のアーム115に対する撮像位置と撮像姿勢が、自動校正を開始する時点で、撮像部22のアーム115への取り付け状態と厳密に対応している必要はない。
2−1.変形例
なお、撮像部2がアーム11に固定されていれば、上述した方法で撮像部2の座標系とロボット座標系とを校正することができることはいうまでもない。すなわち、第一アーム111、第二アーム112、第三アーム113、第四アーム114、第五アーム115のいずれかに固定された点に撮像部2が設けられる限りにおいて、第一実施例で説明した自動校正を実施することができる。
そしてアーム11に対して固定された点に撮像部2が設けられる場合には、第二実施例で説明したようにロボット1を制御するためのxyz座標系(アームが動く座標系)の特定点にマーカーを固定して自動校正が実施される。この場合、マーカーは、ロボット1を制御するためのxyz座標系のどの点に固定しても良い。ロボット1が設置される部屋の床にマーカーを固定しても良いし、ロボット1の基台110にマーカーを固定しても良いし、ロボット1が固定されるセルのフレームにマーカーを固定しても良いし、ロボット1に併設されるベルトコンベヤなどの装置にマーカーを固定しても良い。ベルトコンベヤなどの外部装置にマーカーを固定すれば、ロボット1と外部装置とを協働させて作動させるためにロボット1と外部装置との位置合わせをすることが容易になる。
ロボット1の状態は、種々のツールが装着されるツールチャック1261の位置と姿勢(すなわちTCPの位置と姿勢)を示す目標値がロボット1に入力されることによって制御される。したがって、ツールチャック1261やその他の部位に装着されるツールの位置と姿勢を制御するためには、TCPに対するツールの位置と姿勢を予め環境情報として設定しておき、ツールの位置と姿勢を、TCPの対応する位置と姿勢に変換して目標値をロボット1に入力する必要がある。本実施例では、各種のツールのTCPに対する位置と姿勢をロボットビジョンを用いて検出して自動設定する方法について述べる。各種ツールのTCPに対する位置と姿勢をロボットビジョンを用いて検出するにあたっては、それ以前に、ロボット座標系と撮像部の座標系の校正が基準平面についてできていることが前提となる。そこで本実施例では、第一実施例で説明したようにテーブル9に固定された撮像部2の光軸に対して垂直な基準平面Fが設定され、設定された基準平面F上の9つの基準点について校正が完了しているとする。この状態で、TCPに対して位置と姿勢が固定されたツールのTCPに対する位置と姿勢をロボットビジョンを用いて検出する方法について図15を参照しながら説明する。本実施例において「ツールのTCPに対する位置と姿勢」は、基準平面上にあるツールの位置と姿勢を、TCPの位置と姿勢(x,y,z,u,v,w)から特定するためのオフセット(ΔX、ΔY、ΔU)によって表される。ここで(x,y,z,u,v,w)はロボット座標系、(ΔX、ΔY、ΔU)は基準平面の座標系であるが、既に述べたとおりロボット座標系と基準平面の座標系の関係は線形である。したがって、ツールの位置と姿勢をロボット座標系と基準平面の座標系のいずれの座標系で定めるかにおいて幾何学的に何ら違いはない。なお、ΔUは基準平面に垂直なZ軸周りの回転成分である。
第四実施例では、第一実施例において鉛直上向きに設置されていた撮像部2が図16に示すようにアーム11より上に、アーム11を撮像可能な姿勢で設けられるロボットシステムについて、ロボット座標系と撮像部2の座標系を校正する方法について説明する。今、図16に示すように撮像部2がアーム11の可動範囲よりも上において鉛直下向きに設置されていて、撮像部2によってワークを撮像しながらアーム11の下方にあるワークに対してロボット1による処理がなされるとする。この場合、ツールチャック1261のツールの取付面を下に向けた状態でワークを処理することになるが、その状態では、第一実施例でマーカーとして用いたツールチャック1261のツールの取付面を撮像部2によって撮像することはできない。そこで本実施例では、撮像部2の座標系とロボット座標系とを校正するために必要な画像を取得するために、ツールチャック1261のツールの取付面を下に向けた状態でも撮像部2によって撮像可能なマーカー50を設けたマーカーツール50をツールチャック1261に装着する。そしてツール50のTCPに対するオフセットを導出した後に、第一実施例と同様に撮像部2の座標系とロボット座標系の校正が行われる。
ツールセットは、オペレーターがツールセット開始指示をPC3に入力することによって起動し、それ以後、オペレーターに一切の操作を要求することなく、あるいは、簡単な操作で完了する。ツールセット開始指示を入力する前にオペレーターに求められるのは、ツール50の取付部53をツールチャック1261に正しく装着し、撮像部2によってマーカー51を撮像可能な位置にジョグ送り操作でTCPを動かすことと、回転軸部材126の回転軸と平行な1軸の方向についてTCPに対するツール50のオフセット成分を設定することである。
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
Claims (16)
- 校正開始指示を受け付ける指示受付部と、
基準点を示すマーカーが設けられたツールを装着可能であり、前記校正開始指示が受け付けられると、前記マーカーと撮像部との位置関係を変化させるアームと、
を備え、
前記マーカーは、前記ツールの前記アームに対向する面に設けられ、
前記撮像部と前記マーカーの位置関係が変化した後に前記撮像部によって前記マーカーが撮像された画像に基づいて、前記撮像部の座標系とロボットの座標系との校正が行われる、
ロボット。 - 前記アームは、前記校正開始指示が受け付けられると、前記位置関係を予め決められた状態に変化させ、
前記校正は、前記位置関係が前記予め決められた状態にあるときに前記撮像部によって前記マーカーが撮像された画像に基づいて行われる、
請求項1に記載のロボット。 - 前記アームは、前記撮像部によって前記マーカーが撮像された画像に基づいて導出された目標値を取得し、前記目標値に基づいて前記位置関係を前記予め決められた状態に変化させる、
請求項2に記載のロボット。 - 前記校正開始指示は、前記位置関係を前記予め決められた状態に変化させるための目標値を含まない、
請求項2または3に記載のロボット。 - 前記予め決められた状態は、前記撮像部が前記マーカーに合焦する状態を含む、
請求項1から4のいずれか一項に記載のロボット。 - 前記アームは、前記校正開始指示が受け付けられると、前記撮像部によって前記マーカーが撮像された画像から切り出された部分画像に基づいて導出された目標値を取得し、前記目標値に基づいて前記位置関係を前記撮像部が前記マーカーに合焦する状態に変化させる、
請求項5に記載のロボット。 - 前記アームは、3つ以上の前記基準点を含む平面と垂直な第一方向に前記撮像部と前記マーカーの位置関係を変化させた後に前記第一方向と逆向きの第二方向に前記撮像部と前記マーカーの位置関係を変化させることによって前記撮像部を前記マーカーに合焦させる、
請求項5または6に記載のロボット。 - 前記予め決められた状態は、3つ以上の前記基準点を含む平面と、前記撮像部の光軸とが垂直な状態を含む、
請求項1から7のいずれか一項に記載のロボット。 - 前記予め決められた状態は、前記撮像部の光軸が前記平面を通る位置が互いに異なる3つ以上の状態を含む、
請求項8に記載のロボット。 - 前記撮像部は、前記アームに設けられる、
請求項1から9のいずれか一項に記載のロボット。 - 前記撮像部は、重力方向において前記アームより上側から、前記アームを撮像可能に設けられる、
請求項1から10のいずれか一項に記載のロボット。 - 前記撮像部は、重力方向において前記アームより下側から前記アームを撮像可能に設けられる、
請求項1から10のいずれか一項に記載のロボット。 - 校正開始指示を受け付ける指示受付部と、
前記校正開始指示が受け付けられると、基準点を示すマーカーと撮像部との位置関係を変化させるアームと、
を備えるロボットと、
前記撮像部と前記マーカーの位置関係が変化した後に、前記マーカーが前記撮像部によって撮像された画像に基づいて前記撮像部の座標系と前記ロボットの座標系との校正を行う校正装置と、を備え、
前記マーカーの位置が前記アームに対して固定されている場合、前記撮像部は前記アームが動く座標系において固定された点に設けられ、
前記マーカーの位置が前記アームが動く座標系に対して固定されている場合、前記撮像部は前記アームに対して固定された点に設けられる、
ロボットシステム。 - 3つ以上の基準点を示すマーカーが設けられたツールを装着可能であり、前記マーカーと撮像部との位置関係を、
前記3つ以上の基準点を含む平面と前記撮像部の光軸とが垂直な第一状態、
前記撮像部が前記3つ以上の基準点の少なくともいずれかを示す前記マーカーに合焦する第二状態、
前記撮像部の光軸が前記平面上の第一点を通る第三状態、
前記撮像部の光軸が前記平面上の第二点を通る第四状態、
前記撮像部の光軸が前記平面上の第三点を通る第五状態、
の少なくともいずれかに自動で変化させるアームを備え、
前記マーカーは、前記ツールの前記アームに対向する面に設けられ、
前記第三状態、前記第四状態および前記第五状態において前記撮像部によって前記マーカーが撮像された画像に基づいて前記撮像部の座標系とロボットの座標系との校正が行われる、
ロボット。 - 前記アームは、前記位置関係を前記第一状態、前記第二状態、前記第三状態、前記第四状態および前記第五状態に自動で変化させる、
請求項14に記載のロボット。 - 前記アームは、前記撮像部によって前記マーカーが撮像された画像に基づいて導出される目標値を取得し、前記目標値に基づいて前記位置関係を自動で変化させる、
請求項14または15に記載のロボット。
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