JP2520324B2 - ロボット定数の自動補正方法 - Google Patents

ロボット定数の自動補正方法

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JP2520324B2 JP2248684A JP24868490A JP2520324B2 JP 2520324 B2 JP2520324 B2 JP 2520324B2 JP 2248684 A JP2248684 A JP 2248684A JP 24868490 A JP24868490 A JP 24868490A JP 2520324 B2 JP2520324 B2 JP 2520324B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、コンピュータ(CPU)と所定のプログラム
および各種設定データを記憶したメモリを有する制御装
置を備え、かつm(正の整数)個の自由度を有する多関
節形ロボットの手首にツールを取付けたロボットの設定
データである定数の設定誤差およびツールオフセットの
設定誤差の自動補正方法の改良に関するものであって、
ロボットの各関節(自由度)に存在するコンプライアン
スを考慮して、このコンプライアンスも自動的に算出す
ることによって、より正確なロボット定数の誤差補正を
可能にならしめるロボット定数の自動補正方法に関す
る。
(従来の技術) ロボットの定数とは、ロボットの各関節の0(零)度
位置における位置検出器の値を示すものであり、ツール
先端位置の直交座標値を求める際に必要なものであっ
て、この値の設定いかんによって直交座標値が大きく変
化するものである。
従来この値は、目視によるか、あるいは、特開昭61−
133409号公報に開示するような同一位置における複数の
教示姿勢による教示によって自動補正する方式がとられ
ていた。
この特開昭61−133409号公報に開示する方式は、予め
定めた1点にツール先端が一致するように教示装置を介
して教示し、これを複数の教示姿勢において行わせ、こ
れにより得られた各教示姿勢での各軸の角度を記憶装置
に記憶させ、次いで、この各教示姿勢での各軸の角度及
び初期設定値より自動的に定数及びツールオフセットを
補正する補正プログラムを実行させることにより、定数
及びツールオフセットが正確な値に補正されるというも
のであった。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、この方式では、ロボットの各関節に存
在するコンプライアンスによるたわみは全く考慮されて
おらず、ロボット全体を、モータ出力軸とアーム回転角
度が重力の方向に無関係に一対一に対応するという、い
わゆる剛体として取扱っていた。このため目視によるも
のよりは正確かつ迅速に定数及びツールオフセットの補
正ができるが、ロボットの各関節のコンプライアンスに
よるわたみによるずれまでは補償されていないために、
ツール先端精度で±2〜3mm程度に補正されるのが限界
であった。
一方、コンプライアンスによるわたみによるずれを補
償する方法としては、例えば特開昭62−157790号公報に
開示されている方法があるが、この方法では、コンプラ
イアンス値(ばね定数)は計測することにより求められ
ており、この場合当然のことながら、ばね定数を計測す
るための計測装置が個別に必要となる。
本発明の課題は、定数及びツールオフセットを補正す
るだけでなく、ロボットの各関節のコンプライアンスに
よるわたみによるずれをも補償し、なおかつ、コンプラ
イアンス値はこれを求めるための特別な計測装置を設け
ることなしに求めるようにすることにより、従来のもの
より正確な定数及びツールオフセットの補正を行わせる
ことである。
(課題を解決するための手段) このため本発明は、コンピュータと所望のプログラム
を記憶したメモリを有する制御装置を備え、かつm(正
の整数)個の軸(関節軸)の自由度を有し、関節軸の角
度を検出するm個の位置検出器を有する多関節ロボット
における手首にツールを取り付けてなるロボットの定数
の設定誤差およびツールオフセットの設定誤差の自動補
正方法であって、ロボットのツール先端の3次元空間の
任意の1点を予め教示点として設定し、この教示点の座
標値を教示点の真の座標値(X,Y,Z)とし、教示点を複
数の教示姿勢で教示装置を介し教示したときのm個の位
置検出器のそれぞれにより検出される各関節軸の角度デ
ータより、複数の教示姿勢毎の教示点の座標値(xi,yi,
zi;iは複数の教示姿勢毎の教示点の番号)を算出し、算
出された複数の教示姿勢毎の教示点の座標値(xi,yi,
zi)と教示点の真の座標値(X,Y,Z)は物理的な同一点
であると仮定することにより、両座標値の差(δxi,δy
i,δzi)の二乗和を最小にするための、各軸の定数の設
定誤差(εj;j=1,2,…,m)、ツールオフセットの設定
誤差(εj;j=m+1,…,m+3)、およびコンプライア
ンス値(Ci)を制御装置に記憶された計算プログラムに
より算出し、算出された各軸の定数の設定誤差(εj;j
=1,2,…,m)、ツールオフセットの設定誤差(εj;j=
m+1,…,m+3)、およびコンプライアンス値(Ci)に
より、定数およびツールオフセットの補正とコンプライ
アンス値の決定を行うことを特徴とするロボット定数の
自動補正方法を提供することにより、上述した従来技術
の課題を解決した。
(作用) 本発明の手法を用いることにより、各軸の定数の設定
誤差(εj;j=1,2,…,m)、およびツールオフセットの
設定誤差(εj;j=m+1,…,m+3)は、ロボットのツ
ール先端の3次元空間の任意の1点を教示点として設定
したときの座標値(X,Y,Z)と、この教示点を複数の教
示姿勢で教示装置を介し教示したときに位置検出値の検
出データより得られる複数の教示姿勢毎の教示点の座標
値(xi,yi,zi)と、ロボットの制御装置に記憶された計
算プログラムとにより、自動的に算出されるばかりでな
く、従来、計測することによって得られたデータより算
出していたコンプライアンス値Cjについても、定数の設
定誤差およびツールオフセットの設定誤差と同様に計算
プログラムによる演算により算出される。
(実施例) 以下、第1図から第5図により本方式の一実施例であ
るロボット定数の自動補正方式を説明する。まず、定数
およびツールオフセットについて、第2図を用いて説明
する。ロボット1の各軸の位置データはエンコーダで代
表される位置検出器2,2′等の出力によるものである
が、この値は角度データとして度またはラジアン値で示
される必要がある。定数とは、第2図に示すようにロボ
ット1の位置検出器2,2′の値から軸の角度を計算する
のに必要な基準位置を示すものである。一方、ツールオ
フセットとは、ロボットの手首に取り付けたルーツ3の
先端4の手首座標系における座標値(X1,Y1,Z1)であ
る。
第3図はロボット1の一つの軸の動力伝達部を示すも
のである。サーボモータ9の出力トルクが減速機10を介
してロボットアーム11に伝達され、ロボットアーム11に
かかる重力により負荷トルクと、サーボモータ9及び減
速機10の出力トルクとが釣り合うところでロボットアー
ム11は静止する。位置検出器2,2′はサーボモータ9に
対して減速機10の反対側にとりつけられているので、位
置検出器2,2′により検出された値と前述の定数を使っ
て算出された角度は、コンプライアンスを持つ減速機10
によって連結されるロボットアーム11の実際の角度とは
一致しない。また、ロボットアーム11自身が持つコンプ
ライアンスによる影響もこれに加わることになり、算出
された角度と実際の角度との差はさらに掛け離れたもの
となる。
ここで、位置検出器2の値から算出された角度をθと
し、またロボットアーム11の実際の角度をθ′とする
と、θとθ′との間には、 θ′=θ+CM ・・・(1) C;コンプライアンス M;トルク なる関係が成り立つ。ただしトルクMはθあるいはθ′
の関数であり、つまり姿勢によって変化する値である。
第1図にシステムの全体構成を示すが、ロボット1を
制御する制御装置5と、ロボット1に動作を教示する教
示装置7と、教示されたデータを保存するメモリ6と、
補正計算によって得られた結果をオペレータに知らせる
出力装置8と、上記補正計算をおこなう計算プログラム
12と、から構成される。
第5図に処理手順を示す。ブロック21では、オペレー
タが教示装置7を介して空間の1点を複数の教示姿勢で
教示し、これにより得られた各教示姿勢での各軸の角度
をメモリ6に保存する。次にブロック22では、それら各
教示姿勢での各軸の角度より算出されるツール先端4の
ロボットの基準座標系における座標値は、物理的には
(実際には)同一の値を持つものであることを条件に計
算プログラム12を実行する。そしてブロック23では、そ
の結果得られる推定された設定データの誤差及び値を出
力装置8に出力し、ブロック24では、推定された誤差お
よび値により補正された設定データをメモリ6に保存す
る。
次に、ブロック22において行われる計算プログラム12
の演算処理方法について具体的に述べる。
各教示姿勢における位置検出器2,2′で検出されたデ
ータにより算出されるツール先端4の座標値(xi,yi,
zi)(iは各教示姿勢毎に割りつけられた教示点番号)
と、真の座標値(X,Y,Z)との間には次の関係がある。
ただし、j;番号 m;軸数 εj;j=1,2,…mのとき、εは定数の設定誤差 j=m+1,…,m+3のとき、εはツールオフセッ
ト設定誤差 Cj;第1j軸のコンプライアンス Mji;第j軸にかかる、第i教示姿勢でのトルク fxji,fyji,xxji;x,y,z方向の第i教示姿勢における第j
軸角度、オフセットに対する偏微分係数 また、j=1,2,…,mのとき、すなわちx,y,z方向の第
i教示点における第j軸角度に対する偏微分係数は、 によって与えられる。ここで、θjiは第i教示点におけ
る第j軸の位置検出器により検出された値より算出され
た第j軸の角度である。
さらに、j=m+1,…,m+3のとき、すなわちオフセ
ットに対する偏微分係数は、 によって与えられる。ここで(X1,Y1,Z1)はツールオフ
セットである。
ツール先端4の真の座標値(X,Y,Z)と各教示姿勢に
おける位置検出器2,2′で検出されたデータにより算出
されるツール先端4の座標値(xi,yi,zi)との差を(δ
xi,δyi,δzi)とする。すなわち、 と置くと式(2)より、 が成り立つ。ここで真の座標値(X,Y,Z)、定数及びツ
ールオフセットの設定誤差ε(j=1,2,…,m+3)、
及びコンプライアンスCj(j=1,2,…,m)に関して、最
小二乗法を適用する。式(5)に示すように、δxi,δy
i,δziのそれぞれの2乗和Rx,Ry,Rzを設定する。
式(4)により、Rx,Ry,Rzが極小値をとる条件は、x
について記述すると、 が成り立つときであり、y,zについても同様の式が成り
立つ。これは、連立一次方程式となり、変数の数が2m+
6となるから(2m+6)個以上の異なる教示姿勢で教示
するようにすれば、次(6)を解くことができることに
なる。
また、トルクMjiについても、検出角度θjiと、アー
ム重心位置と重量とツールの重心位置と重量から数学的
に求めることが可能である。
以上を解いて、 X,Y,Z,ε12,…,εm+3,C1,C2,…,Cm を求めることができる。
定数の設定誤差ε(j=1,2,…,m)およびツールオ
フセットの設定誤差ε(j=m+1,…,m+3)をそれ
ぞれ定数およびツールオフセットの初期値に加算するこ
とにより、定数およびツールオフセットの正確な値が算
出され、なおかつ、各軸のコンプライアンスCjについて
も定数およびツールオフセットと同様に演算により算出
される。そして算出されたこれら定数、ツールオフセッ
トおよびコンプライアンスを使用することにより、ツー
ル先端位置について従来よりも高精度な位置決めが可能
となる。
(発明の効果) 本発明によれば、ロボットのツール先端の3次元空間
の任意の1点を教示点として設定したときのこの点の座
標値、この教示点を複数の教示姿勢で教示装置を介し教
示したときに位置検出器の検出データより得られる複数
の教示姿勢毎の教示点の座標値、およびロボットの制御
装置に記憶された計算プログラムとにより、自動的に算
出される各軸の定数の設定誤差およびツールオフセット
の設定誤差は、ロボットの各関節のたわみのずれによる
コンプライアンスを含んだ計算プログラムにより算出さ
れるので、従来の手法より正確に定数およびツールオフ
セットの設定誤差を算出することが可能となった。
また、コンプライアンス値は、計測等により求めるこ
となく、定数およびツールオフセットの設定誤差を算出
する過程でこれらと同様に演算により求めているので、
従来のようなコンプライアンス値を求めるための個別の
計測装置は必要ではなくなった。
さらに、算出された定数およびツールオフセットの設
定誤差をそれぞれ定数およびツールオフセットの初期値
に加算することにより定数およびツールオフセットの正
確な値を算出し、この値と先に算出されたコンプライア
ンス値を使用することにより、ツール先端位置につい
て、従来のコンプライアンス値を考慮しない手法よりも
高精度な位置決めが可能となった。具体的には、従来の
コンプライアンス値を考慮しない手法ではツール先端精
度で±2〜3mm程度に補正されるのが限界であったが、
コンプライアンス値を使用した本発明の手法ではツール
先端精度で±1mm以内に正確に補正できるものとなっ
た。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例ロボット定数の自動補正方式の
ハードウエアを示す概略図、第2図は第1図のロボット
定数とツールオフセットの説明図、第3図は第1図に示
すロボットの一つの軸の動力伝達部を示す概略説明図、
第4図は第2図に示すロボットが1点を複数の教示姿勢
で教示した状態を示す説明図、第5図は本発明のロボッ
ト定数の自動補正方式の処理手順の概要を示すブロック
図である。 1……ロボット、2,2′……位置検出器、3……ツー
ル、4……先端、5……制御装置、6……メモリ、7…
…教示装置、8……出力装置、12……計算プログラム。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コンピュータと所望のプログラムを記憶し
    たメモリを有する制御装置を備え、かつm(正の整数)
    個の軸(関節軸)の自由度を有し、該関節軸の角度を検
    出するm個の位置検出器を有する多関節ロボットにおけ
    る手首にツールを取り付けてなるロボットの定数の設定
    誤差およびツールオフセットの設定誤差の自動補正方法
    であって、 前記ロボットのツール先端の3次元空間の任意の1点を
    予め教示点として設定し、該教示点の座標値を教示点の
    真の座標値(X,Y,Z)とし、 該教示点を複数の教示姿勢で教示装置を介し教示したと
    きの前記m個の位置検出器のそれぞれにより検出される
    各関節軸の角度データより、複数の教示姿勢毎の教示点
    の座標値(xi,yi,zi;iは複数の教示姿勢毎の教示点の番
    号)を算出し、 算出された複数の教示姿勢毎の教示点の座標値(xi,yi,
    zi)と前記教示点の真の座標値(X,Y,Z)は物理的な同
    一点であると仮定することにより、両座標値の差(δ
    xi,δyi,δzi)の二乗和を最小にするための、各軸の定
    数の設定誤差(εj;j=1,2,…,m)、ツールオフセット
    の設定誤差(εj;j=m+1,…,m+3)、およびコンプ
    ライアンス値(Ci)を前記制御装置に記憶された計算プ
    ログラムにより算出し、 算出された前記各軸の定数の設定誤差(εj;j=1,2,…,
    m)、およびツールオフセットの設定誤差(εj;i=m+
    1,…,m+3)により、前記定数およびツールオフセット
    の補正を行い、 補正された定数およびツールオフセットと、算出された
    前記コンプライアンス値とにより、前記ツール先端位置
    の補正を行うことを特徴とするロボット定数の自動補正
    方法。
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