JP2022048096A - 位置決め方法及び位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な方法及び構成でワーク同士の位置決めを行うことができる位置決め方法及び位置決め装置を提供する。【解決手段】第１、第２のワークのうちの少なくとも一方を把持する工程と、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークの点群データを取得する工程と、前記第１、第２のワークの位置合わせ状態の基準データに、前記点群データを位置合わせした形状合わせ点群データの移動マトリックスを演算する工程と、前記移動マトリックスに基づいて逆マトリックスを演算する工程と、前記移動マトリックスと前記逆マトリックスの少なくとも一方に基づいて、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークを移動させることにより、前記第１、第２のワークを位置決めする工程と、を有することを特徴とする位置決め方法。【選択図】図８

Description

本発明は、位置決め方法及び位置決め装置に関する。

従来、アームロボットによってワークを把持したまま、他のワークと溶接する技術が知られている。この場合、専用の位置決め機構（位置決め用の型や治具を含む）を使用して、アームロボットひいては当該アームロボットに把持されたワークの位置決めを行う。しかし、位置決め機構を別で設けなければならないので、設備費が高額で、設備の設置スペースが広く必要である。しかも、位置決め機構は車種分必要であるため、車種が多い場合、段替え回数が多く、トータルの段替え時間が長くなってしまう。また、新規車種の立ち上げ毎に、同様の問題が発生してしまう。

特許文献１には、空間内において少なくとも１つのオブジェクトを産業用ロボットによって最終姿勢に位置決めするための方法が記載されている。この方法では、オブジェクトを位置決めするために、第１の産業用ロボットと、第１の光学的撮像装置と、少なくとも１つの第２の光学的撮像装置とを使用する。第１の産業用ロボットは、所定のポジショニングに位置調整することができる。第１の光学的撮像装置は、三次元の空間座標系で校正され、既知の第１の位置に既知の方向に位置決めされている。第２の光学的撮像装置は、空間座標系で校正され、既知の第２の位置に既知の方向で位置決めされている。

第１の光学的撮像装置は、第１のカメラと、第１の駆動ユニットと、第１の角度測定ユニットとを有している。第１のカメラは、所定の第１の視界内で画像を撮像するために光学的校正されている。第１の駆動ユニットは、第１の視界を位置調整するために第１のカメラを方向決めするための構成要素である。第１の角度測定ユニットは、第１のカメラの角度方向を検出して、空間座標系において第１の視界を求めるための空間座標系で校正されている。

第２の光学的撮像装置は、第２のカメラと、第２の駆動ユニットと、第２の角度測定ユニットとを有している。第２のカメラは、所定の第２の視界内で画像を撮像するために光学的校正されている。第２の駆動ユニットは、第２の視界を位置調整するために第２のカメラを方向決めするための構成要素である。第２の角度測定ユニットは、第２のカメラの角度方向を検出して、空間座標系において第２の視界を求めるための空間座標系で校正されている。

特許第５２９０３２４号公報

しかしながら、特許文献１は、オブジェクトの位置決めに要する装置が大掛かり（第１の光学的撮像装置（第１のカメラと第１の駆動ユニットと第１の角度測定ユニット）、第２の光学的撮像装置（第２のカメラと第２の駆動ユニットと第２の角度測定ユニット））であり、その位置決め方法も簡単なものとは言えない点で、改良の余地があった。

本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、簡単な方法及び構成でワーク同士の位置決めを行うことができる位置決め方法及び位置決め装置を提供することを目的とする。

本実施形態の位置決め方法は、第１、第２のワークのうちの少なくとも一方を把持する工程と、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークの点群データを取得する工程と、前記第１、第２のワークの位置合わせ状態の基準データに、前記点群データを位置合わせした形状合わせ点群データの移動マトリックスを演算する工程と、前記移動マトリックスに基づいて逆マトリックスを演算する工程と、前記移動マトリックスと前記逆マトリックスの少なくとも一方に基づいて、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークを移動させることにより、前記第１、第２のワークを位置決めする工程と、を有することを特徴とする。

前記逆マトリックスに基づいて前記形状合わせ点群データを移動するとともに、当該移動に際して、前記基準データの原点を一緒に移動させ、前記第１、第２のワークの移動させた原点どうしを合わせる工程をさらに有してもよい。

前記第１、第２のワークを位置決めする工程では、前記逆マトリックスを使用して、前記点群データに原点を付与し、前記第１のワークまたは前記第２のワークの原点のどちらか一方の原点を他方の原点へ移動させる移動量を算出し、その算出した移動量に基づいて、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークを移動させることにより、前記第１、第２のワークを位置決めしてもよい。

位置情報生成装置を使用して、前記原点を含む前記基準データに前記点群データを位置合わせした前記形状合わせ点群データを取得する工程をさらに有してもよい。

前記点群データを前記基準データに合わせる際には、前記基準データ上の任意の位置を必要な数だけ基準に設定し、設定した各基準には優先度を設定してもよい。

前記第１、第２のワークのうちの少なくとも一方を把持する把持部は、複数の軸を有するアームロボットから構成され、前記アームロボットの先端部に、アームロボット先端の位置座標と角度が監視できるマークが設けられ、前記アームロボットの複数軸を複数回微小動作させることにより、アームロボット先端マークの現在位置と目標位置の差分の誤差を補正する機能を有してもよい。

前記複数回微少動作は、微少動作量の係数調整と動作回数を設定できる機能を有してもよい。

前記第１、第２のワークのうちの一方は、アッパサッシュであり、前記第１、第２のワークのうちの他方は、立柱サッシュであってもよい。

本実施形態の位置決め装置は、第１、第２のワークのうちの少なくとも一方を把持する把持部と、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークの点群データを取得する点群データ取得部と、前記第１、第２のワークの位置合わせ状態の基準データに、前記点群データを位置合わせした形状合わせ点群データの移動マトリックスを演算する移動マトリックス演算部と、前記移動マトリックスに基づいて逆マトリックスを演算する逆マトリックス演算部と、を有し、前記把持部は、前記移動マトリックスと前記逆マトリックスの少なくとも一方に基づいて、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークを移動させることにより、前記第１、第２のワークを位置決めする、ことを特徴とする。

本発明によれば、簡単な方法及び構成でワーク同士の位置決めを行うことができる位置決め方法及び位置決め装置を提供することができる。

点群データの各点情報の表現の一例を示す図である。 ４×４マトリックスでの原点の表現の一例を示す図である。 ４×４マトリックスを使用した原点計算の一例を示す図である。 本実施形態の位置決め装置を適用した車両部品の溶接装置の構成の第１の例を示す図である。 本実施形態の位置決め装置を適用した車両部品の溶接装置の構成の第２の例を示す図である。 正マトリックス時に全ての座標系がレーザトラッカ座標系に配置されることの一例を示す図である。 逆マトリックス時に全ての座標系がレーザトラッカ座標系に配置されることの第１の例を示す図である。 逆マトリックス時に全ての座標系がレーザトラッカ座標系に配置されることの第２の例を示す図である。 本実施形態の位置決め装置を適用した車両部品の溶接装置の構成の第３の例を示す図である。 本実施形態の位置決め処理の第１の例を示す図である。 本実施形態の位置決め処理の第２の例を示す図である。 各行列情報（マトリックスデータ）から移動値と目標値を計算する場合の計算概要の一例を示す図である。 変形実施形態の車両部品の溶接装置の構成の一例を示す図である。 位置情報生成装置を使用した各種データの取得および取得データに基づく位置合わせ動作の第１の例を示す図である。 位置情報生成装置を使用した各種データの取得および取得データに基づく位置合わせ動作の第２の例を示す図である。 位置情報生成装置を使用した各種データの取得および取得データに基づく位置合わせ動作の第３の例を示す図である。

まず、本明細書における用語の定義を行う。

本明細書における「３Ｄスキャナ」とは、例えば、ワーク（第１、第２のワーク、例えば、アッパサッシュと立柱サッシュ）の形状情報を点群データとして取得するための装置である。点群データの各点情報は、３Ｄスキャナ原点を原点とした座標Ｘ、Ｙ、Ｚとその法線方向Ｉ、Ｊ、Ｋの数値で表すことができる。

本明細書における「位置情報生成装置」とは、例えば、ターゲットの三次元情報（位置情報や角度）を自らの座標系基準に算出することが可能な装置である。「位置情報生成装置」とは、例えば、レーザ光を照射し、ターゲットから反射したレーザ光が発光源に戻ることで、ターゲットの三次元位置情報を取得するレーザトラッカ等である。「位置情報生成装置」、例えば、レーザトラッカのようなものは測定範囲が広いため、「位置情報生成装置」とターゲット、もしくは後述するマーカ付きタッチプローブのようなものがあれば、高精度に各設備間の寸法や精度、原点位置等を算出することができる。

本明細書における「マーカ」とは、例えば、位置情報生成装置にて、位置座標と角度を取得するためのターゲットの一種である。「マーカ」の位置座標と角度は位置情報生成装置を原点として、算出される。これは座標Ｘ、Ｙ、Ｚと角度Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚで表すことができ、角度Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚは、それぞれ、後述するように、基準Ｘ軸、基準Ｙ軸、基準Ｚ軸からの姿勢変更分の単位ベクトル（Ｉ、Ｊ、Ｋ）と、基準点からの移動量（Ｘ、Ｙ、Ｚ）とを用いた４×４の行列データ（マトリックスデータ）で表すことができる。「マーカ」は、例えば、ロボットアーム先端の把持部等に取り付けられ、位置情報生成装置を原点としたロボットアームの動作精度（把持部の三次元空間上の絶対位置）を数値として取得するために用いられる。また、他にも後述するような対象ワークを接触で計測するようなマーカ付きタッチプローブや、対象ワークを非接触で計測する３Ｄスキャナに取り付けたタイプなど、広く用いられる。どの計測情報においても位置情報生成装置原点にて配置するために用いられる。

本明細書における「マーカ付きタッチプローブ」とは、例えば、位置情報生成装置で「マーカ付きタッチプローブ」のターゲット部をロックオンした状態で、プローブ先端を対象ワークにタッチして測定することで、位置情報生成装置を原点とした対象ワークの三次元空間上の位置を算出することができるものである。

本明細書における「マーカ付き３Ｄスキャナ」とは、例えば、位置情報生成装置で「マーカ付き３Ｄスキャナ」のターゲット部をロックオンした状態で、対象ワークを３Ｄスキャンすることにより、位置情報生成装置原点からのマーカ原点座標／角度と、マーカ原点からの３Ｄスキャナ原点座標／角度（後述）から、３Ｄスキャナで取得した点群情報を、位置情報生成装置原点として算出することが可能である。マーカ原点位置と３Ｄスキャナ原点位置の関係は据付時点で、基準となるブロックを位置情報生成装置とマーカ付きタッチプローブを用いて位置情報を算出したものと、３Ｄスキャナで撮像した基準ブロックの位置情報を合わせること（キャリブレーション）により、３Ｄスキャナの原点／角度情報を算出している。通常３Ｄスキャナは、撮像範囲を広くすると、精度が低下する特徴があるため、広範囲の撮像には向いておらず、後述するような設備全体の運用には３Ｄスキャナ単体では限界がある。このため、撮像範囲や測定範囲を広げるために位置情報生成装置を用いた対応となっている。

本明細書における「点群データ」とは、例えば、３Ｄスキャナ（カメラ）等の機器を使用してワーク（第１、第２のワーク、例えば、アッパサッシュと立柱サッシュ）を３Ｄスキャンする（ワークを撮像する）ことによって取得されるワークの三次元情報を意味する。また点群データの各点情報は、例えば、図１のように、座標Ｘ、Ｙ、Ｚとその法線方向Ｉ、Ｊ、Ｋの数値（図１）で表すことができる。図１の例では、点群１、点群２、点群３、点群４、点群５、点群＊＊を描いている。

本明細書における「基準データ」とは、例えば、ワーク（第１、第２のワーク、例えば、アッパサッシュと立柱サッシュ）の設計上の基準となるデータ（例えば、マスターワークデータ、設計値データ、生データ、ＣＡＤデータ）を意味する。

本明細書における「形状合わせ点群データ」とは、上述の「点群データ」を「基準データ」に合わせた点群データを意味する。

本明細書における「移動マトリックス」及び「逆マトリックス」は、例えば、４×４の行列データ（マトリックスデータ）により表される。例えば、図２に示すように、「移動マトリックス」及び「逆マトリックス」は、原点や、基準原点からある目標原点までの位置の情報として表される。左から一列目は、基準Ｘ軸からの姿勢変更分の単位ベクトル（Ｉ、Ｊ、Ｋ）を示しており、左から二列目は、基準Ｙ軸からの姿勢変更分の単位ベクトル（Ｉ、Ｊ、Ｋ）を示しており、左から三列目は、基準Ｚ軸からの姿勢変更分の単位ベクトル（Ｉ、Ｊ、Ｋ）を示しており、左から四列目は、基準点からの移動量（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を示している。

マトリックスを使用すれば、各座標の移動量においても図３のようにマトリックスを用いて計算を行うことが可能である。このマトリックス計算を行うことにより、各座標系の位置・角度の量を算出することができる。上述した点群データを基準データに合わせる際の移動についても４×４の行列データにて表すことができる。また、この４×４の行列データを逆行列変換により、基準データを点群データに合わせる移動の４×４の行列データを出力することも可能である。図３では、原点基準、原点基準から見た原点Ａ、原点Ｂから見た原点Ａ、原点基準から見た原点Ｂ、原点Ｂの逆行列を、それぞれ、４×４の行列データで示している。

図４は、本実施形態の位置決め装置（位置決め方法）を適用した車両部品の溶接装置１の構成の第１の例を示す図である。溶接装置１は、アッパサッシュ（フロントメーンフレーム）２の端部２Ａと、立柱サッシュ（フロント立柱フレーム）３の端部３Ａとを位置合わせ状態で溶接するものである。図４において、アッパサッシュ２の端部２Ａと立柱サッシュ３の端部３Ａの溶接部（コーナー部）を太字の丸枠で囲って符号Ｙを付している。アッパサッシュ２と立柱サッシュ３は、その一方と他方が「第１のワーク」と「第２のワーク」に相当する。以下では、一例として、アッパサッシュ２が「第１のワーク」に相当し、立柱サッシュ３が「第２のワーク」に相当するものとして説明する。

アッパサッシュ２は、固定治具（例えばタクトシステムの治具）４に固定されている。この時、アッパサッシュ２と固定治具４との相対位置関係はワーク着脱毎に変化しても良いため、通常の治具に求められる繰返し位置決め機能は不要である（後述する逆マトリックスにより、アッパサッシュ２のワーク着位置を求めるため）。よって、固定治具４はワークのどの位置を固定しても良い。立柱サッシュ３は、ロボットアーム部６の把持部（例えばタクトシステムのハンド）５に把持されている。この時、立柱サッシュ３と把持部５との相対位置関係はワーク着脱毎に変化しても良いため、通常の治具に求められる繰返し位置決め機能は不要である（後述する逆マトリックスにより、立柱サッシュ３のワーク把持位置を求めるため）。よって、ロボットアーム部６の把持部５はワークのどの位置を把持しても良い。ロボットアーム部６は、例えば、複数の軸（例えば６軸）を有するアームロボットから構成されており、ロボットアーム部６の先端部の把持部５に把持した立柱サッシュ３の端部３Ａをアッパサッシュ２の端部２Ａに位置合わせするために運動（移動）する。この方式は、アッパサッシュ２と固定治具４の相対位置精度と、立柱サッシュ３と把持部５との相対位置精度が担保されており、かつ、ロボット空間座標の絶対位置決め精度が担保されているような装置（例えば、マシニングセンタのような工作機械）であれば、高精度な位置決めが可能となる。

図５は、本実施形態の位置決め装置（位置決め方法）を適用した車両部品の溶接装置１の構成の第２の例を示す図である。本実施形態の位置決め装置（位置決め方法）では、マーカ付き３Ｄスキャナ（カメラ）１０を使用して、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３を３Ｄスキャンする（図中の矢印方向に移動させながらアッパサッシュ２と立柱サッシュ３を撮像する）ことにより、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の点群データ（三次元情報）を取得する。つまり、マーカ付き３Ｄスキャナ１０は「点群データ取得部」として機能する。そして、マーカ付き３Ｄスキャナ１０を位置情報生成装置（レーザトラッカ）２０でロックオンした状態で点群取得することにより、マーカ付き３Ｄスキャナ１０で取得した点群データは、位置情報生成装置２０を原点として算出される。この点群データは、例えば、各点の座標Ｘ、Ｙ、Ｚとその法線方向Ｉ、Ｊ、Ｋで表され、点群データの原点は４×４の行列データ（マトリックスデータ）で表される（詳細については後述する）。

なお、点群データの取得に際して、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の全体を３Ｄスキャンするのではなく、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の一部、例えば製品評価のための基準となる部位のみを３Ｄスキャンしてもよい。この３Ｄスキャンは、２Ｄスキャナを移動させながら点群取得する方式でも良いし、３Ｄスキャナを位置決めしてスキャンする方式や、固定した３Ｄスキャンを複数個所に設置してスキャンする方式でも良い。後述するように、点群データを基準データに合わせる際には基準データ上の任意の位置を必要な数だけ基準に設定し、位置合せをすることを可能とする。また、この各基準には優先度を設定して、より重要度の高い部分の位置合わせを優先することができる。これにより、基準データと点群データの位置合わせ方式のコントロールが可能となっている。本実施形態では、各基準部の誤差量が大きかった場合、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の溶接部同士が干渉する可能性があるため、溶接部の優先度をその他基準部に対して、高く設定することにより、溶接部の形状合わせを優先して位置決めすることが可能となっている。

また、本実施形態の位置決め装置（位置決め方法）では、予め、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の設計上の基準となる基準データ（例えばＣＡＤデータ）が用意（準備）されている。この基準データは、原点（例えば車両原点、この場合は車両原点＝位置情報生成装置原点）を含むとともに、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の位置合わせ状態のデータとすることができる。そして、本実施形態の位置決め装置（位置決め方法）では、後述する制御部を使用して、原点（車両原点）を含む基準データに点群データを位置合わせした形状合わせ点群データを算出する。また、基準データに点群データを移動した際の移動量、基準データおよび形状合わせ点群データの原点は４×４の行列データ（マトリックスデータ）で表される（詳細については後述する）。

形状合わせ点群データの原点座標は、位置情報生成装置原点で取得された点群データの原点を移動させたことと同じこととなるため、図６のような原点位置となる。この基準データに点群データを合わせる際の４×４の行列データ（マトリックス）を逆行列変換することにより、基準データを点群データに合わせることと同じことになるため、図７、図８のように、点群データに原点を付与した形になる（基準データ原点で表されていた形状合わせ点群データの状態を点群データ基準で表した形である）。この方式により、原点の存在しない点群データにＣＡＤ原点情報を付与することを実現している。

図６に示すように、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の点群データをＣＡＤデータ（基準データ）に合わせるという移動の結果は、原点を移動したというマトリックスで表記が可能（すなわち等価）である。図７に示すように、図６から得られたマトリックスを逆マトリックスに変換することで、ＣＡＤデータ（基準データ）を点群データに合わせる移動量が求まる。図８に示すように、点群データをＣＡＤデータ（基準データ）に合わせることが正マトリックスに相当し、ＣＡＤデータ（基準データ）を点群データに合わせることが逆マトリックスに相当する（正マトリックスから見ると原点に戻ることに相当する）。すなわち、原点から見ると、ＣＡＤデータ（基準データ）と点群データが合わさっていた状態を、ＣＡＤ座標を点群データに合わせるように移動させたことになる。アッパサッシュ２の実際のワーク配置をＣＡＤ座標系通りでの位置で再現できる場合は、アッパサッシュ２の位置は既知となるため、立柱サッシュ３のマトリックス計算だけでも原点間の計算が可能となる（この場合、逆行列変換は不要である）。

ロボットアーム部６の先端部（把持部５又はその近傍）にはマーカ４０が設けられている。位置情報生成装置２０は、位置決め動作時に、ロボットアーム部６の先端部に設けられたマーカ４０を常に位置監視する（追跡し続ける）ことにより、把持部５ひいては把持部５に把持されたワーク（ここでは立柱サッシュ３）の位置合わせ（微小駆動）を補助する。ロボットアーム部６は、位置情報生成装置２０とマーカ４０によって事前にキャリブレーションされており、空間座標における絶対精度を向上している。

図９は、本実施形態の位置決め装置（位置決め方法）を適用した車両部品の溶接装置１の構成の第３の例を示す図である。図９は、上述した点群データ、基準データおよび形状合わせ点群データに基づく把持部５の運動（移動）制御を実行するための機能構成要素を例示して描いている。各機能構成要素は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）から構成される制御部３０の一部を構成している。

制御部３０は、点群データ取得部３１と、基準データ取得部３２と、移動マトリックス演算部３３と、逆マトリックス演算部３４と、目標移動マトリックス演算部３５と、ロボットアーム制御部３６とを有している。

点群データ取得部３１は、位置情報生成装置２０と３Ｄスキャナ１０によるアッパサッシュ２と立柱サッシュ３の位置情報生成装置を原点とした点群データ（三次元情報）を取得する（が入力される）。

基準データ取得部３２は、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の設計上の基準となる基準データ（例えばＣＡＤデータ）を取得する（を記憶する）。この基準データは、原点（例えば車両原点、この場合は車両原点＝位置情報生成装置原点）を含むとともに、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の位置合わせ状態のデータとすることができる。

移動マトリックス演算部３３は、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の位置合わせ状態の基準データに、点群データを位置合わせするための移動マトリックスを演算する。この移動マトリックス演算により、移動マトリックスに基づいて基準データに点群データを位置合わせした形状合わせ点群データが得られる。

逆マトリックス演算部３４は、移動マトリックス演算部３３で求めた基準データに点群データを合わせる際の４×４の行列データ（マトリックス）を逆行列変換する。本変換により、前述の点群データに原点を付与した形になる（基準データ原点で表されていた形状合わせ点群データの状態を点群データ基準で表した形）。この方式により、原点の存在しない点群データにＣＡＤ原点情報を付与することを実現している。

目標移動マトリックス演算部３５は、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３のそれぞれについて、逆マトリックスを使用し、原点（車両原点）を付与した状態から、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３のうちの少なくとも把持するワーク（ここでは立柱サッシュ３）の原点からもう一方の原点までの移動量を算出することができる。

ロボットアーム制御部３６は、移動マトリックスと逆マトリックスの少なくとも一方に基づいて、把持部５ひいては把持部５に把持された立柱サッシュ３をロボットアーム部６で移動させることにより、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３を位置決めする（立柱サッシュ３の端部３Ａをアッパサッシュ２の端部２Ａに位置合わせする）。より具体的に、ロボットアーム制御部３６は、移動マトリックスと逆マトリックスの少なくとも一方に基づいて、位置決め対象である立柱サッシュ３を初期位置や現在位置から目標位置に到達するまで、例えば、ロボットアーム部６の各軸（６軸）を微小動作させる。この時の微小動作量の指令値は、位置情報生成装置２０から見たマーク４０（図５を参照）の現状位置と目標位置の差分である。この微少動作量の数値を係数調整、動作回数で設定することにより、ロボットの精度に依存しない位置決めを可能とする。すなわち、本実施形態では、（１）移動マトリックスと逆マトリックスの少なくとも一方に基づくワーク（把持部）の移動（例えば逆マトリックスによるアッパサッシュ２と立柱サッシュ３に付加した原点をもとにどちらか一方の原点を基準にもう一方の原点へ移動）と、（２）マーク４０に基づくワーク（把持部）の移動（マーク４０による補正位置決め、（１）の動作誤差を補正するもの）との二段階で、ワーク同士（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置決めを実行する。ロボットアーム制御部３６によるアッパサッシュ２の端部２Ａと立柱サッシュ３の端部３Ａの位置決め状態で、両者の溶接部（コーナー部）Ｙが溶接される。

制御部３０の機能は、次のように表現することもできる。すなわち、制御部３０は、三次元データ（例えば点群データ）を取得するとともに、ハンドとワークの相対位置データ（例えば基準データ）を取得する。制御部３０は、取得した三次元データ（例えば点群データ）と相対位置データ（例えば基準データ）とをベストフィットさせるための空間位置決め処理を実行する。制御部３０は、ハンドによるワークの移動分座標値を出力する。制御部３０は、ロボット逆運動学に基づく６軸計算により、ハンドとワークの運動（移動）制御を実行する。

図１０は、本実施形態の位置決め処理の第１の例を示す図である。

ステップＳＴ１では、立柱サッシュ３の点群データをＣＡＤデータ（基準データ）に位置合わせして、ステップＳＴ２では、ステップＳＴ１の移動分量を４×４の行列データ（マトリックスデータ）である移動マトリックスで出力する。これにより、立柱サッシュ３に関して、移動マトリックスに基づいて基準データに点群データを位置合わせした形状合わせ点群データが得られる。

ステップＳＴ１’では、アッパサッシュ２の点群データをＣＡＤデータ（基準データ）に位置合わせして、ステップＳＴ２’では、ステップＳＴ１’の移動分量を４×４の行列データ（マトリックスデータ）である移動マトリックスで出力する。これにより、アッパサッシュ２に関して、移動マトリックスに基づいて基準データに点群データを位置合わせした形状合わせ点群データが得られる。

ステップＳＴ３、ＳＴ３’では、ステップＳＴ２、ＳＴ２’の移動マトリックスから逆行列演算（逆マトリックス演算）を実行することにより、点群データに原点を付与する。つまり、一方の原点を基準に他方の原点を合わせる。あるいは、形状合わせ点群データを移動させることにより、基準データの原点（車両原点）を一緒に移動させ、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の移動させた原点どうしを合わせても良い。

図１１は、本実施形態の位置決め処理の第２の例を示す図である。ステップＳＴ４、ＳＴ４’では、ステップＳＴ３、ＳＴ３’の逆マトリックスを使用して、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の点群データに座標値（例えばＣＡＤ座標）を付与する。そして、ステップＳＴ５では、原点（車両原点）を基準とした座標系で、点群データの移動量を算出し、算出した移動量に基づいて、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３のうちの少なくとも把持するワーク（ここでは立柱サッシュ３）を移動させることにより、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３を位置決めする。本実施形態では、アッパサッシュ２が固定で立柱サッシュ３が可動であるため、当該移動量は、立柱サッシュ３のアッパサッシュ２に対する移動量（立柱サッシュ３のＣＡＤ座標からアッパサッシュ２のＣＡＤ座標への移動量）に相当する。

ステップＳＴ５で算出したアッパサッシュ２と立柱サッシュ３の移動量（ここでは立柱サッシュ３のアッパサッシュ２に対する移動量）に基づいて、立柱サッシュ３をアッパサッシュ２に対して相対移動させることにより、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３が位置決めされる（立柱サッシュ３の端部３Ａがアッパサッシュ２の端部２Ａに位置合わせされる）。

図１２を参照して、各行列情報（マトリックスデータ）から移動値と目標値を計算する場合の計算概要の一例を以下に示す。図１２は、３Ｄスキャナ１０及びレーザトラッカ２０による測定から得られる各行列情報を示している。図１２において、Ｔｒはレーザトラッカ、Ｒoｂoはロボット、Ｆｉｘは固定側のアッパサッシュ、Ｍｏｖｅは可動側の立柱サッシュ、ＭＡＲＫＥＲはロボットハンドの一構成要素（マーカ）をそれぞれ示している。また、毎回計測する変動パラメータ、ロボット設置時に計測する固定パラメータは、それぞれ、図１２の各式に定義した通りである。各式において、「－１」は逆行列を意味しており、「＊」は移動後のパラメータであることを意味している。ロボットの動作誤差があった場合、以下の各式に基づいた補正を繰り返すことで、限りなく目標位置に収束させることが可能となる。当該動作は、レーザトラッカ２０によるマーク４０（図５を参照）の検出に基づいて実行される。本補正方式により、ロボットアームの動作精度に依存せず、環境・連続動作によるロボットアームの温度膨張伸縮等も補正することを可能としている。

本実施形態の点群データを基準データに位置合わせするプロセスは、例えば、点群情報を強制数値（定量値）移動させる強制数値移動ステップと、点群全体とＣＡＤ全体形状で位置合わせを行う全体形状合わせのベストフィットステップと、基準部位、例えば製品評価の基準となる部位に合わせて詳細位置合わせを行う基準位置合わせステップとを含んでいる。

図１３は、変形実施形態の車両部品の溶接装置１’の構成の一例を示す図である。図１３では、アッパサッシュ２が把持部（アームロボット）５Ｘに把持されており、且つ、立柱サッシュ３が把持部（アームロボット）５Ｙに把持されている。まず、３Ｄスキャナ１０によって、把持部５Ｘ及び把持部５Ｘに把持されるアッパサッシュ２、並びに、把持部５Ｙ及び把持部５Ｙに把持される立柱サッシュ３の点群データ（三次元情報）を取得する（Ａ）。次いで、原点（車両原点）を含む基準データに点群データを位置合わせした形状合わせ点群データを得るための移動マトリックスと、当該形状合わせ点群データと基準データの原点（車両原点）を一緒に移動させる（アッパサッシュ２と立柱サッシュ３の原点どうしを合わせる）ための逆マトリックスとをソフト演算により求める（Ｂ）。そして、ソフト演算により求めた移動マトリックスと逆マトリックスの少なくとも一方に基づいて、把持部（アームロボット）５Ｘの座標値を補正するとともに（Ｃ）、把持部（アームロボット）５Ｙの座標値を補正する（Ｄ）。これにより、専用の位置決め機構（位置決め用の型や治具を含む）を使用することなく、ワーク同士（ここではアッパサッシュ２と立柱サッシュ３）の位置決めを行うことができる。すなわち、把持部（アームロボット）５Ｘ、５Ｙとして汎用のハンドを使用しつつ、３Ｄスキャナ１０とレーザトラッカ２０によるソフト演算と補正技術によって、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３を位置決めして溶接することができる。

図１４、図１５、図１６は、位置情報生成装置２０を使用した各種データの取得および取得データに基づく位置合わせ動作の第１、第２、第３の例を示す図である。

図１４～図１６に示すように、アームロボットは、ワーク（ここでは立柱サッシュ３）の移動に寄与しないベース部５Ａと、ワーク（ここでは立柱サッシュ３）の移動に寄与する可動アーム部（ロボットアーム部）５Ｂと、可動アーム部５Ｂの先端部に設けられた把持部５Ｃとを有している。ベース部５Ａは、アームロボットの据付時にその位置が固定される。可動アーム部５Ｂは、アームロボットの据付後にも、把持部５Ｃにて把持したワーク（ここでは立柱サッシュ３）を移動させるべく駆動（例えば６軸駆動）される。

図１４に示すように、アームロボットの据付時点では、位置情報生成装置２０の初期計測により、アームロボットのベース部５Ａが位置出しされる（アームロボットの不動の基礎部がどこにあるか算出される）。具体的には、例えば、位置情報生成装置２０に搭載されたマーカ付きタッチプローブ（図示略）によってアームロボットのベース部５Ａの平面部を求めた後、アームロボット先端にマーカ４０を取付けたアームロボットの可動アーム部５Ｂを繰り返し回転させ、マーカ４０の位置を測定することにより、アームロボットのベース部５Ａの中心座標を求める。

位置情報生成装置２０は、３Ｄスキャナ１０による３Ｄスキャン時に、当該３Ｄスキャンを常に位置監視する（追跡し続ける）ことにより、ワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の点群データを取得する（あるいは３Ｄスキャナ１０による点群データの取得を補助する）。

位置情報生成装置２０は、位置決め動作時に、アームロボットの可動アーム部５Ｂの先端部に設けられたマーカ４０を常に位置監視する（追跡し続ける）ことにより、可動アーム部５Ｂひいては把持部５Ｃに把持されたワーク（ここでは立柱サッシュ３）の位置合わせ（微小駆動）を補助する。アームロボットの可動アーム部５Ｂは、位置情報生成装置２０とマーカ４０によって事前にキャリブレーションされており、空間座標における絶対精度を向上している。

図１５において、位置情報生成装置２０、３Ｄスキャナ１０、基準データ（ＣＡＤデータ）、ワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の初期状態がすべて、位置情報生成装置２０の共通の座標系に配置される。具体的に、図１５に描いたアームロボットのベース部５Ａの座標系、３Ｄスキャナ１０の座標系、位置情報生成装置２０の座標系、マーカ４０の座標系がすべて、位置情報生成装置２０の共通の座標系（例えば４×４のマトリックス）に配置される。

図１５に示すように、位置情報生成装置２０の共通の座標系において、逆マトリックス（４×４）により、ワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の２つの点群データに座標を付与する。そして、どちらかの原点に基づいて少なくとも片方の原点をもう一方の原点に合わせる。つまり、逆マトリックスを使用して、形状合わせ点群データに座標値を付与し、原点を基準とした座標系で、点群データの移動量を算出し、算出した移動量に基づいて、ワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の少なくとも一方（ここでは立柱サッシュ３）を移動させることにより、ワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）を位置決めする。ここで、移動量の計算時にマーク４０の位置を測定することにより、ワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の座標の位置関係が分かる。また、ワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の２つの座標間の移動座標を算出する際に、マーク４０の目標位置も算出することができる。

図１６の（Ａ）に示すように、把持部５Ｃにより立柱サッシュ３を把持したアームロボットの可動アーム部５Ｂを動作（例えば６軸駆動）させるに当たり、次のような制御を行う。すなわち、図１６の（Ｂ）に示すように、立柱サッシュ３を把持したアームロボットの可動アーム部５Ｂの動作後のマーク４０の位置（現在位置）を測定する。次いで、図１６の（Ｃ）に示すように、立柱サッシュ３を把持したアームロボットの可動アーム部５Ｂの動作後のマーク４０の位置（現在位置）と、マーク４０の目標位置との差異計算を例えば４×４のマトリックスにより実行する。さらに、図１６の（Ｄ）に示すように、逆運動学計算で、図１６の（Ｃ）で求めた動作後のマーク４０の位置（現在位置）とマーク４０の目標位置との差異（例えば４×４のマトリックス）を６軸動作に変換出力する。そして、ロボットコントローラにより、アームロボットの可動アーム部５Ｂを動作（例えば６軸駆動）させる。このように、動作後のマーク４０の位置（現在位置）とマーク４０の目標位置との差異が許容値に入るまで、図１６の（Ａ）～（Ｄ）の動作を繰り返して、ロボットの空間座標における絶対精度を向上させている。

以上のように、本実施形態の位置決め装置（溶接装置１、１’）は、把持部（５、５Ｘ、５Ｙ）と、点群データ取得部（３１）と、移動マトリックス演算部（３３）と、逆マトリックス演算部（３４）とを有している。把持部（５、５Ｘ、５Ｙ）は、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）のうちの少なくとも一方を把持する（工程を実行する）。点群データ取得部（３１）は、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）のうちの少なくとも把持するワークの点群データを取得する（工程を実行する）。移動マトリックス演算部（３３）は、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置合わせ状態の基準データに、点群データを位置合わせした形状合わせ点群データの移動マトリックスを演算する（工程を実行する）。逆マトリックス演算部（３４）は、移動マトリックスに基づいて逆マトリックスを演算する（工程を実行する）。つまり、逆マトリックス演算部（３４）は、移動マトリックスに基づいて基準データに点群データを位置合わせした形状合わせ点群データの逆マトリックスを演算する（工程を実行する）。また、本実施形態の位置決め装置（溶接装置１、１’）は、把持部（５、５Ｘ、５Ｙ）が、把持部制御部３５による制御の下で、移動マトリックスと逆マトリックスの少なくとも一方に基づいて、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）のうちの少なくとも把持するワークを移動させることにより、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）を位置決めする（工程を実行する）。

これにより、専用の位置決め機構（位置決め用の型や治具を含む）を使用することなく、ワーク同士（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置決めを行うことができる。すなわち、簡単な方法及び構成でワーク同士（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置決めを行うことができる。他のワークで同様の位置決めを実施したい場合、本装置の他に対象ワーク２つ以上、ワークを持てるハンド（把持形状、把持精度は問わない）２つ以上、例えば吸着パッド付きハンド、ワークとハンドを移動させるための３次元動作装置１つ以上、例えば一般のアームロボット、基準データ、例えばＣＡＤデータがあれば、ワーク形状を基に汎用的にワーク同士の位置決めをすることが可能になる。なお、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）のいずれか一方だけを移動させる態様の方が、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の両方を移動させる態様よりも誤差量を減少することができるため、有利である。加えて、例えば、位置情報生成装置２０によるマーク４０の検出に基づく把持部（暫定汎用ハンド、アームロボット）の位置補正（マーカ最終位置補正）を行えば、より一層、誤差量を減少させることができる。

また、逆マトリックスに基づいて形状合わせ点群データを移動するとともに、当該移動に際して、基準データの原点を一緒に移動させ、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の移動させた原点どうしを合わせる（工程を実行する）。この構成によっても、簡単な方法及び構成でワーク同士（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置決めを行うことができる。

また、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）を位置決めする工程では、逆マトリックスを使用して、点群データに原点を付与し、第１のワーク（アッパサッシュ２）または第２のワーク（立柱サッシュ３）の原点のどちらか一方の原点を他方の原点へ移動させる移動量を算出し、その算出した移動量に基づいて、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）のうちの少なくとも把持するワークを移動させることにより、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）を位置決めする。この構成によっても、簡単な方法及び構成でワーク同士（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置決めを行うことができる。

また、位置情報生成装置２０と３Ｄスキャナ１０を使用して、位置情報生成装置２０を原点とした点群データを取得する（工程を実行する）ことができる。すなわち、位置情報生成装置２０を使用して、原点を含む基準データに点群データを位置合わせした形状合わせ点群データを取得することができる。この構成によっても、簡単な方法及び構成でワーク同士（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置決めを行うことができる。

点群データを基準データに合わせる際には、基準データ上の任意の位置を必要な数だけ基準に設定し、設定した各基準には優先度を設定することができる。

また、第１、第２のワーク（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）のうちの少なくとも一方を把持する把持部（５、５Ｘ、５Ｙ）は、複数の軸（例えば６軸）を有するアームロボットから構成され、アームロボットの先端部に、アームロボット先端の位置座標と角度が監視できるマーク４０が設けられている。そして、アームロボットの複数軸を複数回微小動作させることにより、アームロボット先端マークの現在位置と目標位置の差分の誤差を補正する機能を具備することができる。この複数回微少動作は、微少動作量の係数調整と動作回数を設定できる機能を具備することができる。例えば、位置情報生成装置２０によってマーク４０の位置と姿勢を常時監視し、目標位置・姿勢とのずれ量をアームロボットに出力して、アームロボットを微小移動させることで、ワーク同士（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置決めを行うことができる。このため、アームロボットの絶対位置精度が向上する。またアームロボットの先端部位置と姿勢を補正することから、昇降温によるアームロボットの伸縮の影響も低減する効果がある（昇降温によるアームロボットの伸縮の影響を低減してアームロボットを検出するための機能をマーク４０が担っている）。

また、本実施形態では、（１）移動マトリックスと逆マトリックスの少なくとも一方に基づくワーク（把持部）の移動（例えば逆マトリックスによる目標位置への移動）と、（２）マーク４０に基づくワーク（把持部）の移動（マーク４０による補正位置決め、（１）の動作誤差を補正するもの）との二段階で、ワーク同士（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置決めを実行する。この構成によっても、簡単な方法及び構成でワーク同士（アッパサッシュ２、立柱サッシュ３）の位置決めを行うことができる。

以上の実施形態では、アッパサッシュ２が「第１のワーク」に相当し、立柱サッシュ３が「第２のワーク」に相当する場合を例示して説明した。しかし、「第１のワーク」と「第２のワーク」をどのように設定するかには自由度があり、種々の設計変更が可能である。例えば、立柱サッシュ３が「第１のワーク」に相当し、アッパサッシュ２が「第２のワーク」に相当してもよい。あるいは、アッパサッシュ２と立柱サッシュ３以外の車両部品（例えば、フロントフレーム、リアフレーム、ミラーブラケット、ロックリンフォース等）を「第１のワーク」と「第２のワーク」としてもよい。さらには、車両部品に限定されず、その他の各種（任意）の位置決め部材を「第１のワーク」と「第２のワーク」としてもよい。なお、本実施形態の位置決め方法及び位置決め装置は、溶接を必須とはしておらず、「第１のワーク」と「第２のワーク」の位置決めを行うものであればよい。また、ワークの数は複数設定することもできるため、複数個のワーク位置決めを使用する装置にも適用可能である。すなわち、ワーク運搬装置とワーク把持部を必要数だけ確保すれば、ワーク数は限定されずに自由度がある。

以上の実施形態では、位置情報生成装置２０によって原点（車両原点）を取得する場合を例示して説明した。しかし、基準データに含まれる原点（車両原点）又はこれと等価な情報が存在すれば、位置情報生成装置２０によって原点（車両原点）を取得する必要はない（位置情報生成装置２０は必須ではない）。あるいは、アームロボットの据付時に、アームロボットのベース部５Ａの位置出しを行う初期計測後に、位置情報生成装置２０を除去してもよい。

１ １’ 溶接装置（位置決め装置）
２ アッパサッシュ（第１のワーク）
３ 立柱サッシュ（第２のワーク）
４ 固定治具（簡易治具）
５ ５Ｘ ５Ｙ 把持部（暫定汎用ハンド、アームロボット）
５Ａ ベース部
５Ｂ 可動アーム部（ロボットアーム部）
５Ｃ 把持部
６ ロボットアーム部
１０ マーカ付き３Ｄスキャナ（カメラ、点群データ取得部）
２０ 位置情報生成装置（レーザトラッカ）
３０ 制御部（ＣＰＵ（Central Processing Unit））
３１ 点群データ取得部
３２ 基準データ取得部
３３ 移動マトリックス演算部
３４ 逆マトリックス演算部
３５ 目標移動マトリックス演算部
３６ ロボットアーム制御部
４０ マーク

Claims (9)

1. 第１、第２のワークのうちの少なくとも一方を把持する工程と、
   前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークの点群データを取得する工程と、
   前記第１、第２のワークの位置合わせ状態の基準データに、前記点群データを位置合わせした形状合わせ点群データの移動マトリックスを演算する工程と、
   前記移動マトリックスに基づいて逆マトリックスを演算する工程と、
   前記移動マトリックスと前記逆マトリックスの少なくとも一方に基づいて、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークを移動させることにより、前記第１、第２のワークを位置決めする工程と、
   を有することを特徴とする位置決め方法。
2. 前記逆マトリックスに基づいて前記形状合わせ点群データを移動するとともに、当該移動に際して、前記基準データの原点を一緒に移動させ、前記第１、第２のワークの移動させた原点どうしを合わせる工程をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置決め方法。
3. 前記第１、第２のワークを位置決めする工程では、前記逆マトリックスを使用して、前記点群データに原点を付与し、前記第１のワークまたは前記第２のワークの原点のどちらか一方の原点を他方の原点へ移動させる移動量を算出し、その算出した移動量に基づいて、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークを移動させることにより、前記第１、第２のワークを位置決めする、
   ことを特徴とする請求項２に記載の位置決め方法。
4. 位置情報生成装置を使用して、前記原点を含む前記基準データに前記点群データを位置合わせした前記形状合わせ点群データを取得する工程をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の位置決め方法。
5. 前記点群データを前記基準データに合わせる際には、前記基準データ上の任意の位置を必要な数だけ基準に設定し、設定した各基準には優先度を設定することができる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の位置決め方法。
6. 前記第１、第２のワークのうちの少なくとも一方を把持する把持部は、複数の軸を有するアームロボットから構成され、前記アームロボットの先端部に、アームロボット先端の位置座標と角度が監視できるマークが設けられ、
   前記アームロボットの複数軸を複数回微小動作させることにより、アームロボット先端マークの現在位置と目標位置の差分の誤差を補正する機能を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の位置決め方法。
7. 前記複数回微少動作は、微少動作量の係数調整と動作回数を設定できる機能を有する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の位置決め方法。
8. 前記第１、第２のワークのうちの一方は、アッパサッシュであり、
   前記第１、第２のワークのうちの他方は、立柱サッシュである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の位置決め方法。
9. 第１、第２のワークのうちの少なくとも一方を把持する把持部と、
   前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークの点群データを取得する点群データ取得部と、
   前記第１、第２のワークの位置合わせ状態の基準データに、前記点群データを位置合わせした形状合わせ点群データの移動マトリックスを演算する移動マトリックス演算部と、
   前記移動マトリックスに基づいて逆マトリックスを演算する逆マトリックス演算部と、
   を有し、
   前記把持部は、前記移動マトリックスと前記逆マトリックスの少なくとも一方に基づいて、前記第１、第２のワークのうちの少なくとも把持するワークを移動させることにより、前記第１、第２のワークを位置決めする、
   ことを特徴とする位置決め装置。

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