JP2018012152A - ロボットの原点位置較正装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に６軸以上の原点位置較正を実施する。
【解決手段】ロボットの複数の姿勢において、ロボットのベース座標系の所定の座標に配置された第１位置合わせ点に、ロボットのフランジ座標系の所定の座標に配置された第２位置合わせ点を一致させたときの、各姿勢におけるロボットの各軸の位置データを記録する軸位置記録部１４と、軸位置記録部１４に記憶された複数組の位置データに基づいて、ロボットの各軸の原点位置の真の原点位置からのズレ量を算出する位置ズレ算出部１５とを備えるロボットの原点位置較正装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットの原点位置較正装置および方法に関するものである。

従来、ロボットの手首フランジに取り付けた較正治具と、ロボットのベースに取り付けた較正治具とが所定の位置関係になるように、較正治具間の間隔を示す複数のダイヤルゲージを見ながら、作業者が手動送りで位置合わせを行い、その位置をロボットの各軸の所定位置に置き換えることにより、原点位置を較正するロボットの原点位置較正装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平６−１３４６８３号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、手動により６軸分の原点位置較正を同時に行う作業は困難であり、熟練を要するという不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易に６軸以上の原点位置較正を実施することができるロボットの原点位置較正装置および方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、ロボットの複数の姿勢において、該ロボットのベース座標系の所定の座標に配置された第１位置合わせ点に、前記ロボットのフランジ座標系の所定の座標に配置された第２位置合わせ点を一致させたときの、各前記姿勢における前記ロボットの各軸の位置データを記録する軸位置記録部と、該軸位置記録部に記憶された複数組の前記位置データに基づいて、前記ロボットの各軸の原点位置の真の原点位置からのズレ量を算出する位置ズレ算出部とを備えるロボットの原点位置較正装置を提供する。

本態様によれば、ロボットの複数の姿勢において、ロボットのベース座標系の所定の座標に配置された第１位置合わせ点に、ロボットのフランジ座標系の所定の座標に配置された第２位置合わせ点を一致させ、各姿勢においてロボットの各軸の位置データを記録することにより、軸位置記録部には、複数組のロボットの各軸の位置データが取得される。１つの姿勢において３次元の位置データが取得されるので、６軸ロボットであれば、２以上、７軸ロボットであれば３以上の姿勢によってロボットの各軸の原点位置の真の原点位置からのズレ量を算出するために必要な位置データを得ることができる。

そして、このようにして得られた位置データに基づいて、位置ズレ算出部によりロボットの各軸の原点位置の真の原点位置からのズレ量が算出されるので、算出されたズレ量だけロボットの各軸の原点位置を補正することにより、原点位置を較正することができる。
すなわち、本態様によれば、６個のダイヤルゲージの読みを同時に所定の範囲内に収めるような手動によるロボット操作が不要となり、簡易に６軸以上の原点位置較正を実施することができる。

上記態様においては、前記ロボットが７軸ロボットであり、前記軸位置記録部が、３以上の姿勢において前記第１位置合わせ点を前記第２位置合わせ点に一致させたときの前記ロボットの各軸の前記位置データを記録してもよい。
このようにすることで、第１位置合わせ点を第２位置合わせ点に一致させるという１種類の位置合わせ作業をロボットの姿勢を異ならせて３回実施することによって、７軸分の原点位置較正を実施することができる。

また、上記態様においては、前記ロボットのベースに固定され前記第１位置合わせ点を提供する第１較正治具と、前記ロボットの手首フランジに固定され前記第２位置合わせ点を提供する第２較正治具とを備えていてもよい。
このようにすることで、ロボットのベースに第１較正治具を取り付けることでベース座標系の所定の位置に第１位置合わせ点が提供され、ロボットの手首フランジに第２較正治具を取り付けることでフランジ座標系の所定の位置に第２位置合わせ点が提供される。これにより、第１位置合わせ点に第２位置合わせ点を一致させるようにロボットの姿勢を設定することができる。

また、上記態様においては、前記第１較正治具が、前記第１位置合わせ点に配置される第１尖端を備え、前記第２較正治具が、前記第２位置合わせ点に配置される第２尖端を備えていてもよい。
このようにすることで、ロボットを手動によって動作させ、ベースに固定された第１較正治具の第１尖端に、手首フランジに固定された第２較正治具の第２尖端を目視によって一致させることで、第１位置合わせ点と第２位置合わせ点とを容易に一致させることができる。

また、上記態様においては、前記第１較正治具が、３次元測定装置により測定可能な３箇所の測定ターゲットを備え、前記第２較正治具が、３次元測定装置により測定可能な１箇所の測定ターゲットを備えていてもよい。
このようにすることで、ベースに取り付けられた第１較正治具に備えられた３つの測定ターゲットを３次元測定装置により測定することで、ベースに固定された第１位置合わせ点を空間上に設定することができる。そして、手首フランジに取り付けられた第２較正治具に備えられた１箇所の測定ターゲットを、空間上に設定された第１位置合わせ点に一致させることにより、第１位置合わせ点と第２位置合わせ点との位置合わせを行うことができる。

すなわち、３次元測定装置によって第２較正治具の測定ターゲットの位置を確認しながら、空間上に設定された第１位置合わせ点に一致させる作業は、手動のみならず自動で行うこともできる。したがって、自動で位置合わせ作業を行うことにより、作業者の個人差による較正精度のバラツキを低減し、作業者の負担も軽減できる。

また、上記態様においては、前記第２較正治具が、カメラを備え、前記第１較正治具が、前記カメラによって計測可能な幾何学的特徴を有していてもよい。
このようにすることで、ベースに取り付けられた第１較正治具に備えられた幾何学的特徴を手首フランジに取り付けられたカメラによって撮影し、認識することにより、カメラと幾何学的特徴との相対位置関係、すなわち、ベースに固定された第１位置合わせ点と手首フランジに固定された第２位置合わせ点との相対位置関係を精度よく認識して一致させることができる。

すなわち、カメラによって第１較正治具の幾何学的特徴を認識しながら、空間上に設定された第１位置合わせ点と第２位置合わせ点とを一致させる作業は、手動のみならず自動で行うこともできる。したがって、自動で位置合わせ作業を行うことにより、作業者の個人差による較正精度のバラツキを低減し、作業者の負担も軽減できる。

また、本発明の他の態様は、ロボットの複数の姿勢において、該ロボットのベース座標系の所定の座標に配置された第１位置合わせ点に、前記ロボットのフランジ座標系の所定の座標に配置された第２位置合わせ点を一致させる位置合わせステップと、該位置合わせステップにより、各前記姿勢において、前記第１位置合わせ点と前記第２位置合わせ点とが一致したときに前記ロボットの各軸の位置データを記録する軸位置記録ステップと、該軸位置記録ステップにより記憶された複数組の前記位置データに基づいて、前記ロボットの各軸の原点位置の真の原点位置からのズレ量を算出する位置ズレ算出ステップとを含むロボットの原点位置較正方法を提供する。

上記態様においては、前記ロボットが７軸ロボットであり、前記軸位置記録ステップが、３以上の姿勢において前記第１位置合わせ点を前記第２位置合わせ点に一致させたときの前記ロボットの各軸の前記位置データを記録してもよい。

本発明によれば、簡易に６軸以上の原点位置較正を実施することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットの原点位置較正装置が備えられたロボットシステムを示す全体構成図である。 図１の原点位置較正装置の演算部を示すブロック図である。 図１の原点位置較正装置を用いた本発明の一実施形態に係る原点位置較正方法を説明するフローチャートである。 従来の原点位置較正方法による１軸分の原点位置較正作業を説明する図である。 従来の原点位置較正方法による６軸分の原点位置較正作業を説明する図である。 図１の原点位置較正装置の第１の変形例を示す斜視図である。 図１の原点位置較正装置の第２の変形例を示す斜視図である。 図７の原点位置較正装置におけるカメラを較正するための較正治具の一例を示す斜視図である。

本発明の一実施形態に係るロボット２の原点位置較正装置１および方法について、図面を参照しながら以下に説明する。
本実施形態に係るロボット２の原点位置較正装置１は、７軸ロボットの原点位置を較正する装置であって、図１に示されるロボットシステム１００に備えられ、ロボット２のベース３に固定される第１較正治具４と、手首フランジ５に固定される第２較正治具６と、ロボット２に接続された制御装置７に備えられた演算部８とを備えている。図中、符号９は操作者が手動でロボット２を操作する際に用いる教示操作盤である。

第１較正治具４は、図１に示す例では、ロボット２のベース３に一端が固定される帯板状のブラケット部１０と、該ブラケット部１０の他端近傍から鉛直上方に立ち上がり、上端が尖鋭に形成された第１尖端１１ａを有する丸棒状のシャフト部１１とを備えている。また、第２較正治具６は、ロボット２の手首フランジ５に一端が固定される帯板状のブラケット部１２と、該ブラケット部１２の他端にブラケット部１２の板厚方向の手首フランジ５とは反対側に延び、先端に尖鋭に形成された第２尖端１３ａを有する丸棒状のシャフト部１３とを備えている。

第１較正治具４および第２較正治具６のブラケット部１０，１２およびシャフト部１１，１３の寸法は、図１に示されるように、第１尖端１１ａと第２尖端１３ａとを一致する位置に配置可能な寸法に設定されている。第１較正治具４は、ブラケット部１０がロボット２のベース３に固定されることにより、シャフト部１１の第１尖端１１ａが、ベース座標系において所定の座標に配置される第１位置合わせ点を提供するようになっている。また、第２較正治具６は、ブラケット部１２がロボット２の手首フランジ５に固定されることにより、シャフト部１３の第２尖端１３ａが、フランジ座標系において所定の座標に配置される第２位置合わせ点を提供するようになっている。
第１較正治具４および第２較正治具６の形状は、相互に一致する位置に配置可能な第１尖端１１ａと第２尖端１３ａとを備えていれば任意でよい。

演算部８は、図２に示されるように、ロボット２の各軸のモータに備えられているエンコーダ（図示略）により検出された各軸の位置データが記憶される記録部（軸位置記録部）１４と、該記録部１４に記録された位置データに基づいて、ロボット２の各軸の原点位置の真の原点位置からのズレ量を算出する位置ズレ算出部１５と、該位置ズレ算出部１５により算出されたズレ量に基づいて、ロボット２の各軸の位置データを補正する補正部１６とを備えている。

記録部１４は、操作者が教示操作盤９を手動操作してロボット２を動作させ、例えば、図１に示されるように、第１較正治具４の第１尖端１１ａと、第２較正治具６の第２尖端１３ａとが一致する第１の姿勢に設定された状態で、教示操作盤９において記録指令を入力することにより、その時点でエンコーダによって検出されている１組目の各軸の位置データを記録するようになっている。

次いで、操作者が、教示操作盤９を手動操作してロボット２の姿勢を変更し、第１の姿勢とは異なる第２の姿勢において第１尖端１１ａと第２尖端１３ａとを一致させた状態で、教示操作盤９において記録指令を入力することにより、その時点でエンコーダによって検出されている２組目の各軸の位置データを記録部１４に記録するようになっている。
同様にして、操作者が、第１の姿勢および第２の姿勢とは異なる第３の姿勢において第１尖端１１ａと第２尖端１３ａとを一致させた状態で、教示操作盤９において記録指令を入力することにより、その時点でエンコーダによって検出されている３組目の各軸の位置データを記録部１４に記録するようになっている。

記録部１４は、異なる３つの姿勢において３組の位置データが記録された時点で、記録された３組の位置データを位置ズレ算出部１５に送るようになっている。位置ズレ算出部１５は、以下の通りにズレ量を算出するようになっている。
すなわち、ベース座標系における第１位置合わせ点の座標を（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）とし、フランジ座標系における第２位置合わせ点の座標を（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）とする。

また、仮に設定したロボット２の各軸の原点位置と、真の原点位置とのズレ量をΔθ＝（Δθ１，Δθ２，Δθ３，Δθ４，Δθ５，Δθ６，Δθ７）とする。
ロボット２を図１に示される第１の姿勢に配置した状態における第２の位置合わせ点のベース座標系から見た座標（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）は、検出されたロボット２の各軸の位置データを順変換し、さらに、第２較正治具６による第２位置合わせ点の座標（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）分の変換を加えることにより算出される。

この時点で、理想的には（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）と（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）とは等しくなるはずであるが、現実には等しくなく、異なるロボット姿勢でｍ回位置合わせしたときの差分は数１の通りとなる。

差分ｅｉは上述したズレ量Δθの関数であるため、数２の関係が成立する。

数２においては、ズレ量Δθは未知数であって、７つ存在し、差分ｅｉは１つの姿勢毎に３つ存在するので、３つの姿勢で取得した位置データによってズレ量Δθを求めることができる。ズレ量Δθは、例えば、ニュートン法やニューラルネットワーク等の公知の方法を用いて差分ｅｉが最も小さくなるズレ量Δθを算出することにより求められる。

補正部１６は、例えば、３組目の位置データを記録した時点のロボット２の各軸の位置データを、当該位置データからズレ量Δθを減算することにより新たな位置データを算出するようになっている。ロボット２の制御装置７は、ロボット２の各軸の位置データを、補正部１６により算出された新たな位置データに書き換えることにより、原点位置を較正することができるようになっている。

このように構成された本実施形態に係るロボット２の原点位置較正装置１を用いた原点位置較正方法について以下に説明する。
本実施形態に係るロボット２の原点位置較正方法は、図３に示されるように、大まかな原点位置を仮に設定し（ステップＳ１）、回数ｎを初期化する（ステップＳ２）。

次いで、教示操作盤９を手動操作してベース３に固定された第１較正治具４の第１尖端１１ａに、手首フランジ５に固定された第２較正治具６の第２尖端１３ａを一致させた第ｎの姿勢にロボット２を移動させる（位置合わせステップＳ３）。
この第ｎの姿勢において、ロボット２の各軸のエンコーダにより検出された位置データを記録部１４に記録する（軸位置記録ステップＳ４）。

回数ｎが予め設定されたｍ回（上記においてはｍ＝３）に一致しているか否かを判定し（ステップＳ５）、一致していない場合には回数ｎをインクリメントして（ステップＳ６）、ステップＳ３からの工程を繰り返す。
ステップＳ５において、回数ｎがｎ＝ｍである場合には、仮に設定されている現在の原点位置と真の原点位置とのズレ量Δθを位置ズレ算出部１５により算出し（位置ズレ算出ステップＳ７）、補正部１６により原点位置を補正する（ステップＳ８）。

このように、本実施形態に係るロボット２の原点位置較正装置１および方法によれば、従来のように６軸分のダイヤルゲージの読みを同時に所定範囲に収めるような姿勢を手動操作でロボット２にとらせる必要がなく、操作が簡単であるという利点がある。また、従来、７軸のロボットの場合には１軸分と６軸分に分けて２種類の原点位置較正作業を実施する必要があったが、本実施形態に係る原点位置較正装置１および方法によれば、１種類の原点位置較正作業を３回行えばよいので、操作がさらに簡単になる。

さらに、従来の７軸ロボットの原点位置較正方法では、ベース３に対して鉛直軸線回りの第１軸とそれ以外の６軸とを別々に原点位置較正していたが、例えば、図４および図５に示されるように、相互に平行な水平方向の軸線を有する第２軸Ａ、第３軸Ｂおよび第４軸Ｃを有する軸構成の７軸ロボットの場合には、第３軸Ｂ１軸分の原点位置較正作業と、それ以外の６軸Ａ，Ｃ分の原点位置較正作業とを別々の較正治具を着脱しながら実施する必要がある。これに対して、本実施形態によれば、１種類の原点位置較正作業に１種類の較正治具を使用して、較正治具の種類を減らすことができるとともに、較正治具として極めて簡易な構造のものを使用できて、低コストであるという利点もある。

なお、本実施形態においては、ベース座標系に固定された第１位置合わせ点と、フランジ座標系に固定された第２位置合わせ点とを提供するための第１較正治具および第２較正治具として、第１位置合わせ点に第１尖端１１ａを備える第１較正治具４と、第２位置合わせ点に第２尖端１３ａを備える第２較正治具６とを例示したが、これに代えて、以下の第１較正治具１７および第２較正治具１８を採用してもよい。

第１に、図６に示されるように、ロボット２の外部に配置された３次元測定装置１９を前提とし、第１較正治具１７として、３次元測定装置１９により測定される３箇所の測定ターゲットＰ１，Ｐ２，Ｐ３を備えたものを採用し、第２較正治具１８として、３次元測定装置１９により測定される１箇所の測定ターゲットＰ４を備えたものを採用してもよい。
すなわち、第１較正治具１７に備えられた３箇所の測定ターゲットＰ１，Ｐ２，Ｐ３を３次元測定装置１９によって測定することにより、空間上に、ベース座標系に固定された第１位置合わせ点を提供することができる。そして、第２較正治具１８に備えられた１箇所の測定ターゲットＰ４が、第２位置合わせ点を提供する。

これにより、第２較正治具１８に備えられた測定ターゲットＰ４を第１較正治具１７により提供された空間上の第１位置合わせ点に一致するように、３次元測定装置１９によって検出しながらロボット２を動作させればよい。ロボット２の移動は、上記と同様に操作者が教示操作盤９を操作して手動で行うことにしてもよいし、ロボット２の制御装置７が、３次元測定装置１９によって測定された情報に基づいて自動的に行うことにしてもよい。

ロボット２の制御装置７によって、原点位置較正のためのロボット２の姿勢を自動的に実現することにより、作業者の個人差による較正精度のバラツキを低減することができるとともに、作業者の負担を軽減することができるという利点がある。

第２に、図７に示されるように、第２較正治具２１として、カメラ２２を備えたものを採用し、第１較正治具２０として、カメラ２２によって計測可能な幾何学的特徴Ｏを有するものを採用してもよい。
すなわち、カメラ２２によって取得された第１較正治具２０の画像内に存在している幾何学的特徴Ｏを認識することにより、カメラ２２と第１較正治具２０との相対位置関係、すなわち、第１較正治具２０と第２較正治具２１との相対位置関係を検出することができる。

したがって、ロボット２の制御装置７が、カメラ２２によって取得された情報に基づいて、第１較正治具２０と第２較正治具２１とが所定の相対位置関係となるようにロボット２を動作させることにより、原点位置較正のためのロボット２の姿勢を自動的に実現することができる。
なお、カメラ２２を用いた原点位置較正を行う場合には、例えば、図８に示されるように、実際の第１較正治具２０と第２較正治具２１との位置関係を擬似的に達成可能なカメラ較正治具２３を用いて、予め、カメラ２２の画像認識による第１較正治具２０の幾何学的特徴Ｏを較正して記憶してもよい。

図８に示す例では、カメラ較正治具２３は、第１較正治具２０と同等の幾何学的特徴Ｏを下部に有する柱状に構成され、上端に第２較正治具２１を仮固定することにより、第２較正治具２１のカメラ２２が幾何学的特徴Ｏに対して所定の間隔をあけた位置に位置決めされるようになっている。

また、本実施形態においては、７軸ロボットを例示して説明したが、これに代えて、６軸ロボットおよび８軸以上のロボットに適用してもよい。
６軸ロボットの場合には、最小限で２つの姿勢、７軸ロボットの場合には最小限で３つの姿勢において各軸の位置データを記録すればよいが、それ以上の姿勢によって各軸の位置データを記録すれば、不確かさを小さくする効果、すなわち、原点較正の誤差低減を図ることができる。

また、上記実施形態においては、７軸ロボットおける未知数として７軸分の成分を有するズレ量Δθを例示したが、図１のＸ方向およびＺ方向についてロボット２が受ける重力の影響を考慮して、ズレ量Δθとして、数３を採用して数２の関数を解いてもよい。

数３によれば、現実的なＸｔ，Ｚｔ，Ｘｐ，Ｚｐに応じたズレ量Δθを求めることができる。この場合には、未知数が１１となるので、ロボット２を４以上の姿勢において位置合わせすればよい。

１ 原点位置較正装置
２ ロボット
３ ベース
４，１７，２０ 第１較正治具
５ 手首フランジ
６，１８，２１ 第２較正治具
１１ａ 第１尖端
１３ａ 第２尖端
１４ 記録部（軸位置記録部）
１５ 位置ズレ算出部
２２ カメラ
Ｏ 幾何学的特徴
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 測定ターゲット
Ｓ３ 位置合わせステップ
Ｓ４ 軸位置記録ステップ
Ｓ７ 位置ズレ算出ステップ

Claims (8)

1. ロボットの複数の姿勢において、該ロボットのベース座標系の所定の座標に配置された第１位置合わせ点に、前記ロボットのフランジ座標系の所定の座標に配置された第２位置合わせ点を一致させたときの、各前記姿勢における前記ロボットの各軸の位置データを記録する軸位置記録部と、
   該軸位置記録部に記憶された複数組の前記位置データに基づいて、前記ロボットの各軸の原点位置の真の原点位置からのズレ量を算出する位置ズレ算出部とを備えるロボットの原点位置較正装置。
2. 前記ロボットが７軸ロボットであり、
   前記軸位置記録部が、３以上の姿勢において前記第１位置合わせ点を前記第２位置合わせ点に一致させたときの前記ロボットの各軸の前記位置データを記録する請求項１に記載のロボットの原点位置較正装置。
3. 前記ロボットのベースに固定され前記第１位置合わせ点を提供する第１較正治具と、
   前記ロボットの手首フランジに固定され前記第２位置合わせ点を提供する第２較正治具とを備える請求項１または請求項２に記載のロボットの原点位置較正装置。
4. 前記第１較正治具が、前記第１位置合わせ点に配置される第１尖端を備え、
   前記第２較正治具が、前記第２位置合わせ点に配置される第２尖端を備える請求項３に記載のロボットの原点位置較正装置。
5. 前記第１較正治具が、３次元測定装置により測定可能な３箇所の測定ターゲットを備え、
   前記第２較正治具が、３次元測定装置により測定可能な１箇所の測定ターゲットを備える請求項３に記載のロボットの原点位置較正装置。
6. 前記第２較正治具が、カメラを備え、
   前記第１較正治具が、前記カメラによって計測可能な幾何学的特徴を有する請求項３に記載のロボットの原点位置較正装置。
7. ロボットの複数の姿勢において、該ロボットのベース座標系の所定の座標に配置された第１位置合わせ点に、前記ロボットのフランジ座標系の所定の座標に配置された第２位置合わせ点を一致させる位置合わせステップと、
   該位置合わせステップにより、各前記姿勢において、前記第１位置合わせ点と前記第２位置合わせ点とが一致したときに前記ロボットの各軸の位置データを記録する軸位置記録ステップと、
   該軸位置記録ステップにより記憶された複数組の前記位置データに基づいて、前記ロボットの各軸の原点位置の真の原点位置からのズレ量を算出する位置ズレ算出ステップとを含むロボットの原点位置較正方法。
8. 前記ロボットが７軸ロボットであり、
   前記軸位置記録ステップが、３以上の姿勢において前記第１位置合わせ点を前記第２位置合わせ点に一致させたときの前記ロボットの各軸の前記位置データを記録する請求項７に記載のロボットの原点位置較正方法。
   

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