JP2021013985A - ロボットシステム、ロボットシステムを用いた物品の製造方法、ロボットシステムの制御方法、ロボット装置の校正方法、入力装置、制御プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロボット装置の所定の一部の位置を外部の測定装置により測定して、ロボット装置のリンクパラメータを取得する際、取得するリンクパラメータの精度を向上することができるロボットシステムを提供する。【解決手段】 関節を有するロボット装置と、ロボット装置の所定の一部を測定し、位置に関する情報を出力する測定装置と、を備えたロボットシステムにおいて、一部には、測定装置により位置を測定するための、複数の測定ターゲットが備えられており、測定ターゲットにより、一部の所定の方向における傾きを測定する、ことを特徴とするロボットシステムを採用した。【選択図】 図３

Description

本発明は、ロボットシステムに関する。

近年、小型で複雑な構造をした電子機器等の製品の組立てに対し、ロボット装置を用いた組立て自動化の要求が高まっている。これらの製品の組立てにおいては、組み立てる製品の構造上、ロボット装置に対し精密な動作制御が求められる。このため、上記のような組立てに使用されるロボット装置は、ロボット装置を構成している各リンクのパラメータを精密に校正している。各リンクのパラメータとは各リンクの長さや、ねじれ角などのロボット装置における機構的な特性値のことであり、リンクパラメータとも呼称される。リンクパラメータは、ロボット装置の動作を制御する上で必要となる値であり、リンクパラメータを精密に校正することで、ロボット装置の動作制御の精度を向上させることができる。

特許文献１には、リンクパラメータを校正するために、３台のレーザー位計でロボットアームの先端の位置を測定するようなロボットアームの測定装置が開示されている。レーザー変位計のような３次元測定装置などで測定したロボットアームの手先位置の測定結果と、ロボットアームの関節角およびリンクパラメータから演算される手先位置の演算結果を比較することで、リンクパラメータの校正が実行される。そしてリンクパラメータを校正することでロボットアームの手先の位置精度の向上を図る。

特開平０７−１２１２１４号公報

しかしながら、特許文献１が開示している技術では、ロボットアームの先端位置を測定する際に、ロボットアームの手先が傾いている場合を想定していない。そのためロボットアームの手先の３次元的な位置を測定することはできているが、３次元的な姿勢を測定することはできていない。そのため組立てで要求される精度によって、校正したリンクパラメータの精度が足りず、校正したリンクパラメータが使用できないため、再校正が必要となる場合がある。

以上の課題を鑑み、本発明では、ロボット装置の所定の一部の位置を外部の測定装置により測定して、ロボット装置のリンクパラメータを取得する際、取得するリンクパラメータの精度を向上することができるロボットシステムを提供する。

上記課題を解決するために本発明においては、関節を有するロボット装置と、前記ロボット装置の所定の一部を測定し、前記位置に関する情報を出力する測定装置と、を備えたロボットシステムにおいて、前記一部には、前記測定装置により前記位置を測定するための、複数の測定ターゲットが備えられており、前記測定ターゲットにより、前記一部の所定の方向における傾きを測定する、ことを特徴とするロボットシステムを採用した。

本発明によれば、精度の高いリンクパラメータを取得することができる。

実施形態におけるロボットシステム１００の概略図である 実施形態における関節Ｊ_２の概略図である 実施形態における測定治具３００および測定装置６００の概略図である 実施形態におけるロボットシステム１００の制御ブロック図である 実施形態におけるロボットアーム本体２００の各関節の座標系を説明した図である 実施形態におけるロボットアーム本体２００の標準姿勢を示した図である 実施形態におけるエンコーダ２２２における関節角の演算方法を説明した図である 実施形態におけるロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を測定する様子を示した図である 実施形態におけるロボットシステム１００の制御ブロック図である 実施形態におけるロボットアーム本体２００の関節の原点のズレを説明した際の図である 実施形態における制御フローチャートである

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す構成はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態におけるロボットシステム１００を、ＸＹＺ座標系のある方向から見た平面図である。なお以下の図面において、図中の矢印Ｘ、Ｙ、Ｚはロボットシステム１００全体の座標系を示す。一般に、ロボット装置を用いたロボットシステムでは、ＸＹＺ３次元座標系は、設置環境全体のワールド座標系の他に、制御の都合などによって、ロボットハンド、指部、関節などに関して適宜ローカル座標系を用いる場合がある。本実施形態ではロボット装置１００全体の座標系であるワールド座標系をＸＹＺ、ローカル座標系をｘｙｚで表すものとする。

図１に示すように、ロボットシステム１００は、多関節のロボットアーム本体２００、測定治具３００、ロボットアーム本体２００の動作を制御するロボットアーム制御装置４００を備えている。また、測定装置６００と、後述する測定装置６００に配置される測定ターゲットの配置条件を変更する測定条件設定装置７００とを簡略化して表している。

さらに、ロボットアーム制御装置４００に教示データを送信する教示装置としての外部入力装置５００を備えている。外部入力装置５００の一例としてティーチングペンダントが挙げられ、作業者がロボットアーム本体２００の位置を指定するのに用いる。測定条件設定装置７００は、コンピュータのユーザインタフェースを例に取り説明する。

本実施形態では、エンドエフェクタとしてロボットアーム本体２００の先端部に設けられるものが、測定治具３００である場合について説明するが、これに限定するものではなく、適宜ロボットハンド、ロボットツール等に取り換えてよい。

ロボットアーム本体２００の基端となるリンク２０１は、基台２１０に設けられている。測定治具３００は、測定装置６００と共に用いることで、ロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を測定するものである。

ここで、ロボットアーム本体２００の手先とは、本実施形態では、測定治具３００のことである。エンドエフェクタとして取り付けられている測定治具を手先と呼称する。

測定治具３００はリンク２０６に接続され、リンク２０６が回転することで、測定治具３００も回転させることができる。

ロボットアーム本体２００は、複数の関節、例えば６つ関節（６軸）を有している。ロボットアーム本体２００は、各関節Ｊ_１〜Ｊ_６を各回転軸まわりにそれぞれ回転駆動させる複数（６つ）のモータ２１１〜２１６（図４）を有している。

ロボットアーム本体２００は、複数のリンク２０１〜２０６が各関節Ｊ_１〜Ｊ_６で回転可能に連結されている。ここで、ロボットアーム本体２００の基端側から先端側に向かって、リンク２０１〜２０６が順に直列に連結されている。

ロボットアーム本体２００は、可動範囲の中であれば、任意の３次元位置で任意の３方向の姿勢に、ロボットアーム本体２００のエンドエフェクタ（測定治具３００）を向けることができる。

そしてエンドエフェクタとしてロボットハンドを装着させることで、ロボットアーム本体２００によりロボットハンドを任意の位置に動作させ、所望の作業を行わせることができる。所望の作業とは例えば、対象物同士を組み付け物品の製造を行う等の作業である。

図２は、ロボットアーム２００の関節Ｊ_２を示す部分断面図である。以下、関節Ｊ_２を例に代表して説明し、他の関節Ｊ_１、Ｊ_３〜Ｊ_６については、同様の構成であるため、説明を省略する。

図２より関節Ｊ_２には、電動モータである回転モータ（以下、「モータ」という）２１２と、モータ２１２の回転軸２３２の回転を減速する減速機２３３と、を有している。また、モータ２１２の回転軸２３２（減速機２３３の入力軸）の回転角度を検出する角度検出部であるエンコーダ２２２を有する。モータ２１２は、サーボモータであり、例えばブラシレスＤＣサーボモータやＡＣサーボモータがあげられる。本実施形態におけるエンコーダ２２２はアブソリュート型のロータリーエンコーダであり、１回転の絶対角度エンコーダ、絶対角度エンコーダの回転総数のカウンタ、及びカウンタに電力を供給するバックアップ電池を有して構成される。

これによりロボットアーム本体２００への電源の供給がなくても、このバックアップ電池が有効であれば、ロボットアーム本体２００への電源供給に関係なく、カウンタにおいて回転総数が保持される。これによりエンコーダ２２２の検出結果に基づき、ロボットアーム本体２００の姿勢が制御可能となり、測定治具３００の位置の動作の制御が可能となる。なお、エンコーダ２２２は、モータ２１２に取り付けられているが、減速機２３３の入力軸に直接取り付けてもよい。

また、リンク２０１とリンク２０２とは、軸受２３７を介して回転自在に結合されている。本実施形態における軸受２３７はクロスローラーベアリングを用いている。

モータ２１２は、カバー２３８で覆われて保護されている。モータ２１２とエンコーダ２２２との間には、不図示のブレーキユニットが設けられている。ブレーキユニットの主な機能は、電源オフ時のロボットアーム本体２００の姿勢の保持である。

本実施形態における減速機２３３は、小型かつ軽量で減速比の大きい波動歯車減速機を用いている。減速機２３３は、回転軸２３２に結合されたウェブジェネレータ２４１と、リンク２０２に固定されたサーキュラスプライン２４２を備えている。さらにウェブジェネレータ２４１とサーキュラスプライン２４２との間に配置され、リンク２１１に固定されたフレクスプライン２４３を備えている。なお、サーキュラスプライン２４２は、リンク２０２に直結されているが、リンク２０２に一体に形成されていてもよい。

フレクスプライン２４３は、ウェブジェネレータ２４１の回転に対して減速比Ｎで減速され、サーキュラスプライン２４２に対して相対的に回転する。従って、モータ２１２の回転軸２３２の回転は、減速機２３３で１／Ｎの減速比で減速され、フレクスプライン２４３が固定されたリンク２０１に対して、サーキュラスプライン２４２が固定されたリンク２０２を相対的に回転運動させ、関節Ｊ_２を動作させる。つまり本実施形態ではサーキュラスプライン２４２を出力軸として使用している。なお、関節の形態によってはフレックススプライン２４３を出力軸として使用しても良い。

次に図３を用いて、測定治具３００および測定装置６００について説明する。図３（ａ）は測定治具３００の詳細図、図３（ｂ）は測定装置６００を用いてロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を測定している際の図である。図３（ｃ）は測定治具３００の測定ターゲット３０２、３０２の配置を変更した際の図である。図３に示した座標系は、ロボットシステム１００全体の座標系ＸＹＺである。

図３（ａ）より、ロボットアーム本体２００の所定の一部である手先に測定治具３００が設けられている。測定治具３００は、ブロック３０１、測定ターゲット３０２、３０３で構成されている。ブロック３０１は、測定ターゲット３０２、３０３を、図３（ａ）中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示した４箇所に選択的に配置できる構造となっている。図３（ａ）では、測定ターゲット３０２をＡの位置に、測定ターゲット３０３をＢの位置に配置している。

図３（ｂ）より、本実施形態において測定装置６００は複数設けられている。また本実施形態では測定装置６００としてレーザートラッカー６０２、６０３を使用している。上述の２箇所の測定ターゲット３０２、３０３の、レーザートラッカー６０２、６０３に対する位置は、ロボットアーム２００の状態に応じて変わる。これらの可変な位置を２台のレーザートラッカー６０２、６０３で測定ターゲット３０２、３０２にレーザーを照射し、追従することでロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を測定する。そして測定した位置および姿勢を所定の値に変換し、制御装置４００に出力する。

図３（ａ）に戻り、本実施形態では測定装置６００としてレーザートラッカーを使用しているため、測定ターゲット３０２、３０３としてはキャッツアイ反射鏡を用いている。ロボットアーム本体２００の手先の姿勢の方向である、長手方向ベクトルＨはＡおよびＢの２点間を結ぶベクトルとして定義される。

Ｂの位置に配置された測定ターゲット３０３の位置をレーザートラッカー６０３によって測定することで、ロボットアーム本体２００の手先の位置が測定できる。さらに、Ａの位置に配置された測定ターゲット３０２の測定結果との差分を求めることによって、長手方向ベクトルＨが測定できる。これによりロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢が測定できる。なお、位置Ｂはロボットアーム本体２００の制御の基礎となるＴＣＰ（ツールセンターポイント）に近い位置としている。そのため、本実施形態では、位置Ｂに配置された測定ターゲット３０３により、ロボットアーム本体２００の手先の位置を測定している。

また、図３（ｃ）より測定条件設定装置７００を用いて、測定ターゲット３０２、３０３の配置条件を変更することができる。図３（ｃ）では、測定ターゲット３０２はＤの位置に、測定ターゲット３０３はＣの位置に配置されている。これにより短手方向ベクトルＰも測定することができる。

図４は、本実施形態におけるロボットシステム１００の構成を示すブロック図である。ロボットアーム制御装置４００は、コンピュータで構成されており、制御部（処理部）としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０１を備えている。

また制御装置４００は、記憶部として、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０３、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）４０４を備えている。また、制御装置４００は、記録ディスクドライブ４０５、各種のインタフェース４０６〜４０９、４１１〜４１３を備えている。

ＣＰＵ４０１には、ＲＯＭ４０２、ＲＡＭ４０３、ＨＤＤ４０４、記録ディスクドライブ４０５、各種のインタフェース４０６〜４０９、４１１〜４１３が、バス４１０を介して接続されている。ＲＯＭ４０２には、ＢＩＯＳ等の基本プログラムが格納されている。ＲＡＭ４０３は、ＣＰＵ４０１の演算処理結果等、各種データを一時的に記憶する記憶装置である。

ＨＤＤ４０４は、ＣＰＵ４０１の演算処理結果や外部から取得した各種データ等を記憶する記憶装置であると共に、ＣＰＵ４０１に、演算処理を実行させるためのプログラム４３０を記録するものである。ＣＰＵ４０１は、ＨＤＤ４０４に記録（格納）されたプログラム４３０に基づいてロボット制御方法の各工程を実行する。

記録ディスクドライブ４０５は、記録ディスク４３１に記録された各種データやプログラム等を読み出すことができる。

外部入力装置５００はインタフェース４０６に接続されている。ＣＰＵ４０１はインタフェース４０６及びバス４１０を介して外部入力装置５００からの教示データの入力を受ける。

アーム用モータドライバ２３０は、インタフェース４０９に接続されている。ＣＰＵ４０１は、アーム用モータドライバ２３０、インタフェース４０９及びバス４１０を介して各センサ２２１〜２２６から検出結果を取得する。また、ＣＰＵ４０１は、各関節の指令値のデータを所定時間間隔でバス４１０及びインタフェース４０９を介してアーム用モータドライバ２３０に出力する。

測定装置６００は、インタフェース４１１に接続され、バス４１０を介してＣＰＵ４０１と通信可能に設けられている。ＣＰＵ４０１は、バス４１０及びインタフェース４１１を介して測定装置６００からの測定結果を取得する。また、ＣＰＵ４０１は、ロボットハンド本体３００の各指部の指令値のデータを所定時間間隔でバス４１０及びインタフェース４１１を介してハンド用モータドライバ３０１に出力する。

測定条件設定装置７００はインタフェース４１２に接続されている。ＣＰＵ４０１はインタフェース４１２及びバス４１０を介して測定条件設定装置７００からのデータの入力を受ける。

同様に測定治具３００も、インタフェース４１３に接続され、バス４１０を介してＣＰＵ４０１と通信可能に設けられている。ＣＰＵ４０１は、測定条件設定装置７００から取得したデータを測定治具３００に出力する。これにより、測定治具３００に設けられた測定ターゲット３０２、３０３の配置条件を変更する。また、測定条件設定装置７００は、バス４１０およびＣＰＵ４０１を介し、測定装置６００のレーザーの照射方向を変更することもできる。

インタフェース４０７には、モニタ４２１が接続されており、モニタ４２１には、ＣＰＵ４０１の制御の下、各種画像が表示される。インタフェース４０８は、書き換え可能な不揮発性メモリや外付けＨＤＤ等の記憶部である外部記憶装置４２２が接続可能に構成されている。

なお本実施形態では、コンピュータ読み取り可能な記録媒体がＨＤＤ４０４であり、ＨＤＤ４０４にプログラム４３０が格納される場合について説明するが、これに限定するものではない。プログラム４３０は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。

例えば、プログラム４３０を供給するための記録媒体としては、ＲＯＭ４０２、記録ディスク４３１、外部記憶装置４２２等を用いてもよい。具体例を挙げて説明すると、記録媒体として、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性メモリ、ＲＯＭ等を用いることができる。

また後述するが、ＣＰＵ４０１はその内部にリンクパラメータの校正演算を実行するための演算手段を含んでいる。演算手段は、測定ターゲットの配置に応じて、校正が可能なリンクパラメータを選択して校正演算を実行する。以下、本実施形態におけるリンクパラメータについて詳しく説明する。

図５は本実施形態におけるロボットアーム本体２００の各部に設定されたローカル座標系を示す。ワールド座標系Σ０はリンク２１０に設定され、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を有する。

座標系Σ１〜Σ６はそれぞれリンク２０１〜２０６に設定されている。設定位置は関節Ｊ_１〜Ｊ_６である。関節Ｊ_１〜Ｊ_６の動作はそれぞれ座標系Σ１〜Σ６のｚ軸回りの回転で示される。関節Ｊ_１の回転動作は、座標系Σ１がそのＺ軸回りに回転して座標系Σ０との相対的な姿勢が変わることで示される。

また、関節Ｊ２の屈曲動作は、座標系Σ２がそのｚ軸回りに回転して座標系Σ１との相対的な姿勢が変わることで示される。リンクパラメータとは機構的な意味でいうとリンク２０１〜２０６の長さやねじれ角のことであるが、運動学的には隣接関係にある座標系の間の相対的な位置と姿勢のことである。位置を表すパラメータはｘ、ｙ、ｚ方向の並進距離の３成分である。姿勢を表すパラメータもα、β、γの３成分がある。よって、１つのリンクのリンクパラメータは６成分で構成される。リンク２０１〜２０６は６つあるので、ロボットアーム本体２００はリンクパラメータとして３６成分が存在する。

図６は本実施形態におけるロボットアーム本体２００の標準姿勢を示す。座標系Σ０から座標系Σ３がｚ軸およびＺ軸方向の一直線上にあり、かつ、座標系Σ３から座標系Σ６がｘ軸方向の一直線上にあるような姿勢である。ロボットアーム本体２００が標準姿勢であるとき、関節Ｊ_１〜Ｊ_６の関節の角度は原点にあるとする。すでに説明したように、関節Ｊ_２のエンコーダ２２２はアブソリュート型のロータリーエンコーダであり、その他の関節も同様である。

図６に示すような標準姿勢にある場合、エンコーダ２２２の出力をＲＯＭ４０２に原点として記憶しておき、以後、図７に示すようにエンコーダ２２２の検出値から、ＲＯＭ２０２に記憶した原点の値を減算することで、関節Ｊ_２の関節角が導出される。関節Ｊ１、Ｊ３〜Ｊ６についても同様である。

ロボットアーム本体２００のリンクパラメータの校正はロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢の測定結果を用いて実行される。図８はロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢の測定を詳細に説明する図面である。図８（ａ）は、ロボットアーム本体２００が標準姿勢をとっている際にレーザートラッカー６０２を用いてロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を測定している図である。図８（ｂ）は、ロボットアーム本体２００が標準姿勢よりも手先の位置および姿勢がＺ軸の＋方向に傾いている（上向き）状態である。図８（ａ）、図８（ｂ）ではレーザートラッカー６０２しか示されていないが、紙面奥側にレーザートラッカー６０３が存在しているものとする。上記のようにリンクパラメータの校正には、ロボットアーム本体２００における複数の異なる姿勢状態が必要となる。図８（ａ）および図８（ｂ）におけるロボットアーム本体２００の姿勢を、それぞれ姿勢１と姿勢２と呼称する。

また、図８（ｃ）に示すように測定装置６００として撮像装置８００を使用しても良い。この場合、撮像装置８００で視認可能な測定治具３００を別途、ロボットアーム本体２００の手先に装着すればよい。

次にＣＰＵ４０１の演算手段が実行するリンクパラメータを求める際の演算のアルゴリズムについて詳細に説明する。演算対象であるリンクパラメータをｎ個の成分からなる列ベクトルｑとする。６つのリンク２０１〜２０６を有するロボットアーム本体２００ではｎ＝３６である。ロボットアーム２００の先端の位置と姿勢を示す列ベクトルをｐとする
３次元空間での位置は３成分で示される。同じく３次元空間での姿勢も３成分で示される。ただし、組付動作にあまり影響しないベクトルＨを軸とした回転方向の成分は今回無視する。よって、ｐは５個の成分を有する。ｐとｑの関係は、順運動学により定義される関数ｆを用いて（１）式のように示される。
ｐ＝ｆ（ｑ） （１）

リンクパラメータにはロボットアーム本体２００の機構設計に基づく校正前の初期値が定義されている。ロボットアーム本体２００の関節Ｊ_１〜Ｊ_６の関節角と、リンクパラメータの初期値により、ロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢の演算結果が導出される。

ここで、演算結果と言っているのは、ロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を直接測定するのでなく、関節角およびリンクパラメータから演算で求めていることを意味する。

測定装置６００などで測定した、ロボットアーム本体２００の手先の位置と姿勢の測定結果が規範となる値であるとして、測定結果と演算結果との偏差をΔｐとする。また、リンクパラメータに含まれる誤差をΔｑとして、両者の関係は、偏微分演算子∂を用いて次式のように示される。
Δｐ＝（∂ｆ／∂ｑ）・Δｑ （２）
（２）式において、（∂ｆ／∂ｑ）は５×ｎの成分を有する行列である。

次に、ロボットアーム本体２００における姿勢をｍ通りの状態にしたうえで、それぞれ測定結果と演算結果を求める。ｍの５倍の数である５ｍがｎよりも大きくなるように、ｍは設定される。Δｐのｍ個の集まりを、５ｍの成分を有するベクトルΔＰとする。ΔＰとΔｑとは次式の関係にある。
ΔＰ＝Ａ・Δｑ （３）
（３）式において、Ａは５ｍ×ｎの成分を有する行列である。

ここで、次式のように、Ａのランク（階数とも呼ぶ）をｒｎとする。
ｒａｎｋ Ａ＝ｒｎ≦ｎ （４）

また、次式のように、Ａをｎ個の列ベクトルで表記する。
Ａ＝［Ａ１ Ａ２・・・Ａｎ］ （５）

さらに、次式のように、Δｑをｎ個の成分で表記する。（６）式において上付き記号Ｔはベクトルの転置である。
Δｑ＝［Δｑ１ Δｑ２・・・Δｑｎ］Ｔ （６）

Ａのランクがｒｎのままとなるように、Ａからｎ−ｒｎ個の列ベクトルを削除した行列をＡｒｎとする。削除した列ベクトルと同じインデックスである成分をΔｑから削除して、これをΔｑｒｎとする。求めたいリンクパラメータの校正値はΔｑｒｎである。

Δｑｒｎは次式のように計算できる。（７）式においてＡｒｎ＃はＡｒｎの擬似逆行列である。
Δｑｒｎ＝Ａｒｎ＃・ΔＰ （７）

演算手段は以上に説明したアルゴリズムを実行することでロボットアーム本体２００のリンクパラメータの校正を行う。全部でｎ個のリンクパラメータのなかでｒｎ個が校正される。

さらに、未校正なｎ−ｒｎ個のリンクパラメータを校正する場合の手順を説明する。図３（ｃ）に示すように、測定ターゲット３０３、３０２をそれぞれブロック３０１のＣとＤの位置に配置する。ブロック３０１の選択配置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、図３（ａ）の場合に選択したＡとＢのペアと、図３（ｃ）で選択したＣとＤのペアを選択した場合に、長手方向ベクトルＨと短手方向ベクトルＰが直交するように設定されることが好ましい。そして、測定ターゲット３０２、３０３を位置Ｃ、Ｄに配置した状態で、レーザードップラー６０２、６０３で追従させ、ロボットアーム本体２００の手先の位置と姿勢を測定する。リンクパラメータを求めるアルゴリズムは上述した（１）式から（７）式に準じて以下のようにする。

未校正なリンクパラメータをｎ−ｒｎ個の成分からなる列ベクトルｑ´とする。ロボットアーム本体２００の手先の位置については、位置誤差を低減するようにリンクパラメータが校正されている。姿勢を示す列ベクトルをｐ´とする。３次元空間での姿勢は３成分で示されるので、ｐ´は３個の成分を持つ。ｐ´とｑ´の関係は、順運動学により定義される関数ｆ´を用いて次式のように示される。
ｐ´＝ｆ´（ｑ´） （８）

未校正なリンクパラメータには、ロボットアーム本体２００の機構設計に基づく校正前の初期値が定義されている。

ロボットアーム本体２００の手先の姿勢を測定装置６００で測定した測定結果と、ロボットアーム本体２００の関節Ｊ_１〜Ｊ_６の関節角とリンクパラメータから演算された姿勢の演算結果とを比較し、これらの偏差をΔｐ´とする。未校正なリンクパラメータに含まれる誤差をΔｑ´として、両者の関係は、偏微分演算子∂を用いて次式のように示される。
Δｐ´＝（∂ｆ´／∂ｑ´）・Δｑ´ （９）
（９）式において、（∂ｆ´／∂ｑ´）は３×（ｎ―ｒｎ）の成分を有する行列である。

次に、ロボットアーム本体２００における姿勢をｍ´通りの状態にしたうえで、ロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢の測定結果と演算結果を求める。ｍ´の３倍の数である３ｍ´が（ｎ―ｒｎ）よりも大きくなるように、ｍ´は設定される。Δｐ´のｍ´個の集まりを、３ｍ´の成分を有するベクトルΔＰ´とする。ΔＰ´とΔｑ´とは次式の関係にある。
ΔＰ´＝Ａ´・Δｑ´ （１０）

求めたいリンクパラメータの校正値はΔｑ´である。Δｑ´は次式のように計算できる。次式においてＡ´＃はＡ´の擬似逆行列である。
Δｑ´＝Ａ´＃・ΔＰ´ （１１）

以上により未校正なｎ−ｒｎ個のリンクパラメータが校正される。

以上、本実施形態によれば、ロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を測定するための測定ターゲットの配置条件が可変できるようにしている。これにより、ロボットアーム本体２００の手先の姿勢も加味したリンクパラメータの校正を行うことができ、精度の高いリンクパラメータを取得することができる。また、測定ターゲットの配置条件を変更できるので、長手方向や短手方向など、ロボットアーム本体２００の手先の姿勢を規定する各方向においてそれぞれ測定することができる。これにより、レーザードップラー２台で、本実施形態のような６軸のロボットアームにおけるリンクパラメータ３６成分を求めることができる。

また本実施形態では、測定ターゲットをＡＢに配置した場合と、ＣＤに配置した場合の両方でロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を測定し、リンクパラメータの校正を行っている。しかしながら、ロボットアーム本体２００の動作によっては、すべての方向においてロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を測定する必要はない。そのような場合、測定条件設定装置７００にロボットアーム本体２００の動作工程のデータを記憶させる共に、校正のための測定ターゲットの配置条件を対応して紐づけておく。そして、測定ターゲットの配置を自動で行う指令が測定条件設定装置７００より制御装置４００に入力されると、ロボットアーム本体２００の動作工程に応じて、測定ターゲットの配置条件を自動で設定する。これにより容易に測定ターゲットの配置条件を設定することができる。もちろん、作業者により測定条件設定装置７００を操作して、適宜手動で測定ターゲットの配置条件を設定してもかまわない。

さらに、測定ターゲットの配置条件を変更できるようにすることで、２つの測定ターゲットのみで、種々の方向の傾きを測定することができ、測定ターゲットの設置数を減らしコストの増大を抑えることができる。しかしながら、測定ターゲットの個数に上限が無ければ、測定ターゲットを複数設け、通常時は測定治具に埋め込まれるようにしておく。そして、所定の方向の傾きを測定する際に、所定の２つの測定ターゲットが測定治具から飛び出すように設けてもよい。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、ロボットアーム本体２００の手先の姿勢を加味したリンプパラメータの取得について説明した。しかしながら、リンクパラメータの精度に影響を及ぼす要因はロボットアーム本体２００の手先の姿勢だけではない。

上述した第１の実施形態では、ロボットアームの制御のために、関節角度を測定するためのセンサが内蔵されており、角度検出の基準とするために原点を設定している。そしてリンクパラメータを求めるために、ロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢を測定する際、その原点にズレが発生していた場合は考慮せずに測定を行っている。

この場合、経年的なロボットアームの使用により、作業者が気づかぬ内に原点がずれ、原点がズレたままリンクパラメータの校正を実行した場合、リンクパラメータに影響を及ぼしてしまう。原点がずれたまま、３次元測定装置などで測定したロボットアームの手先位置の測定結果と、ロボットアームの関節角およびリンクパラメータから演算され手先位置の演算結果との差が大きくなる。特にリンクパラメータを線形近似により取得する際には、上記の測定結果と演算結果との差が大きいと、リンクパラメータの演算誤差も大きくなり、得られたリンクパラメータがもはや有効に機能せず再校正が必要となる場合がある。本実施形態では、上記で述べたように作業者が気づかぬ内に原点がズレた場合でも、精度の高いリンクパラメータを取得することができる形態につき説明する。

以下では、第１の実施形態とは異なるハードウェアや制御系の構成の部分について図示し説明する。また、第１の実施形態と同様の部分については上記と同様の構成ならびに作用が可能であるものとし、その詳細な説明は省略するものとする。

図９は本実施形態におけるロボットシステム１００を簡略化して示した図である。測定装置６００としては、図８で示したレーザートラッカーやビジョンカメラでもよく、また、タッチプローブを利用した接触式の３次元測定装置であってもよい。

図９より、本実施形態のＣＰＵ４０１には各機能ブロックを備えている。手先位置演算手段４５１は、関節角度およびリンクパラメータから順運動学を用いてロボットアーム本体２００の手先の位置を演算するブロックである。また、校正値演算手段４５２は第１の実施形態で述べたアルゴリズムによりリンクパラメータの校正値を演算するブロックである。ロボットアーム本体２００の手先の測定結果と演算結果を利用して上述したリンクパラメータの校正値Δｑを演算する。そしてΔｑをもとに原点補正値Δθを導出する。第１の実施形態では説明を割愛したが、手先位置演算手段４５１および校正値演算手段４５２は第１の実施形態におけるＣＰＵ４０１にも備えられている。

第１の実施形態と異なる点は、原点補正値演算手段４５３と、原点更新手段３５４を備えている点である。以下図１０を用い、関節Ｊ_２で原点ズレが発生した際について説明する。

図１０（ａ）は、関節Ｊ_２の原点がΔθ２だけずれて、標準姿勢からリンク２０２がΔθ２だけ回転した状態を示す。つまりΔθ２はズレ量となる。第１の実施形態で述べたアルゴリズムによりリンクパラメータの校正を実行することで、Δθ２を演算することが出来る。さらに図１０（ｂ）は図１０（ａ）と全く同様な姿勢であるが、リンクパラメータの校正により、リンク長が機構設計に基づく初期値Ｌ２と校正した値であるΔＬ２との複数の値を持たせることができる。

直接Δθ２を演算した場合、Δθ２がただちに関節Ｊ_２の原点ズレを補正するための原点補正値となる。原点補正値を用いて原点を更新することで、正しい標準姿勢を得ることができる。第１の実施形態の図７において、関節の原点はＲＯＭ４０２に記憶されていることを説明した。ＲＯＭ４０２に記憶された関節Ｊ_２の原点の値をθ２ｏｒｇとすると、原点の更新は次式のように実行される。
θ２ｏｒｇ←θ２ｏｒｇ＋Δθ２ （１２）
なお、（１２）式において、記号［←］は更新前の記憶値を用いて演算を行ったのち、演算後の値を用いて記憶値を更新することを意味する。原点を更新する際は、不図示のブレーキユニットで関節Ｊ_２を固定して行うことが望ましい。

また、ΔＬ２を演算した場合、原点補正値Δθ２を次式のように演算しても良い。
Δθ２＝ａｔａｎ（ΔＬ２／Ｌ２） （１３）
（１３）式のΔθ２を用いても原点の更新が実行できる。上記では関節Ｊ_２の原点ズレを例にとり説明したが、関節Ｊ_１、Ｊ_３〜Ｊ_６についても同様である。

図９に戻り、校正値演算手段４５２は先に図１０で関節Ｊ_２を事例として説明したように、Δθ２またはΔＬ２を演算する。

そして原点補正値演算手段４５３は、Δθ２を直接原点補正値として演算するか、ΔＬ２を用いてΔθ２を算出し、原点補正値を算出する。

そして原点更新手段３５４はΔθ２を用いてＲＯＭ４０２に記憶された原点の値θ２ｏｒｇを更新する。関節Ｊ_２の場合は（１２）式が実行されるが、関節Ｊ_１、Ｊ_３〜Ｊ_６でも作用は同様である。このように、リンクパラメータの校正を行うことで、ロボットアーム本体２００の経年的な使用により、作業者が気づかぬ内に原点ずれが発生した場合でも、関節の原点を正しく設定し直すことが出来る。

さらに、リンクパラメータの校正と上述した原点の設定を繰り返し実行することで、より高精度なリンクパラメータの値を得ることができる。図１１はリンクパラメータの校正と原点の設定を繰り返し実行する場合のフローチャートである。

図１１より、まずＳ１０１で、リンクパラメータの校正を実行して校正値を導出する。Ｓ１０１の詳細は、第１の実施形態で述べた、リンクパラメータ校正のアルゴリズムと同様である。

次にＳ１０２で、Ｓ１０１で求めた校正値から原点補正値を演算する。原点補正値は上述した原点補正値演算手段４５３の説明と同様である。

そしてＳ１０３では、Ｓ１０１で演算した校正値、またはＳ１０３およびＳ１０３演算した原点補正値を、予め定められたそれぞれの閾値と比較する。どちらか１方でも閾値以上である場合は、Ｓ１０３：ＹｅｓよりＳ１０４に移る。

Ｓ１０４では、何らかの要因によりロボットアーム本体２００の関節の原点がズレているとし、Ｓ１０２で演算した原点補正値を用いて各関節の原点を更新する。そして再度Ｓ１０１に戻り、再設定した原点の値に基づいてロボットアーム本体２００をより正確な標準姿勢の状態にし、リンクパラメータ校正を実行する。関節の原点が更新されているため、ロボットアーム本体２００の手先の位置および姿勢の演算結果も、更新された関節角から演算される。測定装置６００によるロボットアーム本体２００の手先の位置および測定結果も再度取得する。

そしてＳ１０３より、校正値および原点補正値の両者が閾値より小いさければ、十分なリンクパラメータの校正が実行されたとして、リンクパラメータ校正を終了する。なお、本実施形態では、Ｓ１０３の判定において校正値および原点補正値の両方を用いたが、求められる精度によってはどちらか一方でもかまわない。

以上本実施形態によれが、ロボットアーム本体２００の体２００の経年的な使用により、作業者が気づかぬ内に原点ずれが発生した場合でも、関節の原点を正しく設定し直すことができ、リンクパラメータの精度の向上を図ることができる。

また、ロボットアーム本体２００の関節に突き当てピンの挿入孔などの機構的な原点設定手段を設けずとも、自動で関節の原点の設定ができる。よって、ロボットアーム本体２００のコストを下げるともに、作業者にとって利便性の高いロボットアームを提供することができる。

上述した種々の実施形態の処理手順は具体的には制御装置４００により実行されるものとして説明した。しかし、上述した機能を実行可能なソフトウェアの制御プログラムおよびそのプログラムを記録した記録媒体を外部入力装置５００または測定条件設定装置７００に搭載させて実施しても良い。

従って上述した機能を実行可能なソフトウェアの制御プログラムおよびそのプログラムを記録した記録媒体、通信装置は本発明を構成することになる。

また、上記実施形態では、コンピュータで読み取り可能な記録媒体がＲＯＭ或いはＲＡＭであり、ＲＯＭ或いはＲＡＭに制御プログラムが格納される場合について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。

本発明を実施するための制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。例えば、制御プログラムを供給するための記録媒体としては、ＨＤＤ、外部記憶装置、記録ディスク等を用いてもよい。

（その他の実施形態）
また上述した種々の実施形態では、ロボットアーム本体２００が複数の関節を有する多関節ロボットアームを用いた場合を説明したが、関節の数はこれに限定されるものではない。ロボット装置の形式として、垂直多軸構成を示したが、パラレルリンク型など異なる形式の関節においても上記と同等の構成を実施することができる。

また上述した種々の実施形態は、制御装置に設けられる記憶装置の情報に基づき、伸縮、屈伸、上下移動、左右移動もしくは旋回の動作またはこれらの複合動作を自動的に行うことができる機械に適用可能である。

なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されない。

１００ ロボットシステム
２００ ロボットアーム本体
２０１〜２０６ リンク
２１０ 基台
２１１〜２１６ モータ
２２２ エンコーダ
２３２ 回転軸
２３３ 減速機
２３７ 軸受
２３８ カバー
２４１ ウェブジェネレータ
２４２ サーキュラスプライン
２４３ フレックススプライン
３００ 測定治具
３０１ ブロック
３０２、３０３ 測定ターゲット
４００ 制御装置
４５１ 手先位置演算手段
４５２ 校正値演算手段
４５３ 原点補正値演算手段
４５４ 原点更新手段
５００ 外部入力装置
６００ 測定装置
７００ 測定条件設定装置
８００ 撮像装置

Claims (19)

1. 関節を有するロボット装置と、前記ロボット装置の所定の一部を測定し、前記位置に関する情報を出力する測定装置と、を備えたロボットシステムにおいて、
   前記一部には、前記測定装置により前記位置を測定するための、複数の測定ターゲットが備えられており、
   前記測定ターゲットにより、前記一部の所定の方向における傾きを測定する、
   ことを特徴とするロボットシステム。
2. 請求項１に記載のロボットシステムにおいて、
   前記測定ターゲットの少なくとも１つは、配置条件を変更することができ、
   前記測定ターゲットの配置条件を所定の条件に設定することで、前記一部の所定の方向における傾きを測定する、
   ことを特徴とするロボットシステム。
3. 請求項２に記載のロボットシステムにおいて、
   前記ロボットシステムに情報を入力する入力装置を備えており、
   前記入力装置は、
   前記測定ターゲットの配置条件を設定する設定手段を備えている、
   ことを特徴とするロボットシステム。
4. 請求項３に記載のロボットシステムにおいて、
   前記入力装置は、
   前記ロボット装置の動作に対応した前記測定ターゲットの配置条件の情報が格納されている、
   ことを特徴とするロボットシステム。
5. 請求項４に記載のロボットシステムにおいて、
   前記入力装置は、
   所定の操作を受け付けると、格納されている前記測定ターゲットの配置条件の情報に基づき、前記測定ターゲットの配置条件を変更する、
   ことを特徴とするロボットシステム。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のロボットシステムにおいて、
   前記ロボットシステムを制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記測定装置の測定結果に基づき、前記ロボット装置のパラメータを演算する、
   ことを特徴とするロボットシステム。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のロボットシステムにおいて、
   前記測定装置は、第１の測定装置と第２の測定装置とを備えており、
   前記測定ターゲットは、第１の測定ターゲットと第２の測定ターゲットとを備えており、
   前記第１の測定装置は前記第１の測定ターゲットの位置を測定し、前記第２の測定装置は前記第２の測定ターゲットの位置を測定する、
   ことを特徴とするロボットシステム。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のロボットシステムにおいて、
   前記ロボットシステムを制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記測定装置の測定結果に基づき、前記関節の原点の更新を行う、
   ことを特徴とするロボットシステム。
9. 請求項８に記載のロボットシステムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記測定装置の測定結果に基づき、前記ロボット装置のパラメータを演算し、
   前記パラメータの内、所定の成分が所定の閾値以上の場合、前記ロボット装置に設けられた関節の原点を更新する、
   ことを特徴とするロボットシステム。
10. 請求項８または９に記載のロボットシステムにおいて、
    前記制御装置は、
    前記測定装置の測定結果に基づき前記関節の原点のズレ量を演算し、当該ズレ量に基づき前記関節の原点を更新する、
    ことを特徴とするロボットシステム。
11. 請求項８から１０のいずれか１項に記載のロボットシステムにおいて、
    前記制御装置は、
    前記関節の原点の更新を行った後、再度、前記測定装置により前記一部の位置を測定し、前記ロボット装置のパラメータを演算する、
    ことを特徴とするロボットシステム。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載のロボットシステムを用いて物品の製造を行うことを特徴とする物品の製造方法。
13. 関節を有するロボット装置と、前記ロボット装置の所定の一部の位置を測定し、前記位置に関する情報を出力する測定装置と、を備えたロボットシステムの制御方法において、
    前記一部には、前記測定装置により前記位置を測定するための、複数の測定ターゲットが備えられており、
    前記ロボットシステムを制御する制御装置が、
    前記測定ターゲットにより、前記一部の所定の方向における傾きを測定する、
    ことを特徴とする制御方法。
14. 請求項１３に記載の制御方法において、
    前記測定ターゲットの少なくとも１つは、配置条件を変更することができ、
    前記制御装置が、
    前記測定ターゲットの配置条件を所定の条件に設定することで、前記一部の所定の方向における傾きを測定する、
    ことを特徴とする制御方法。
15. 関節を有するロボット装置を、前記ロボット装置の所定の一部の位置を測定し、前記位置に関する情報を出力する測定装置を用いて校正する校正方法において、
    前記一部には、前記測定装置により前記位置を測定するための、複数の測定ターゲットが備えられており、
    前記ロボット装置を制御する制御装置が、
    前記測定ターゲットにより、前記一部の所定の方向における傾きを測定し、
    前記測定装置の測定結果に基づき、前記ロボット装置のパラメータを演算し、前記ロボット装置を校正する、
    ことを特徴とする校正方法。
16. 請求項１５に記載の校正方法において、
    前記測定ターゲットの少なくとも１つは、配置条件を変更することができ、
    前記制御装置が、
    前記測定ターゲットの配置条件を所定の条件に設定することで、前記一部の所定の方向における傾きを測定する、
    ことを特徴とする校正方法。
17. 関節を有するロボット装置と、前記ロボット装置の所定の一部の位置を測定し、前記位置に関する情報を出力する測定装置と、を備えたロボットシステムに指令値を入力する入力装置であって、
    前記ロボットシステムは、
    前記一部には、前記測定装置により前記位置を測定するための、複数の測定ターゲットが備えられており、
    前記測定ターゲットの少なくとも１つは、配置条件を変更することができ、
    前記測定ターゲットの配置条件を所定の条件に設定することで、前記一部の所定の方向における傾きを測定でき、
    前記入力装置は、
    前記測定ターゲットの配置条件を設定する設定手段を備えている、
    ことを特徴とする入力装置。
18. 請求項１３に記載の制御方法、または請求項１５に記載の校正方法を実行可能な制御プログラム。
19. 請求項１８に記載の制御プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。

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