JP2682763B2 - ロボット機体の作動誤差の自動測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は産業用ロボットにおける
ロボット機体の製造誤差に基づいて発生する作動誤差を
自動的に測定する方法に関し、特に関節結合された多数
の可動リンク要素の先端に手首を有した多関節型のロボ
ット機体において、各リンク要素を駆動してロボット機
体を任意のある姿勢にしたときのロボット機体の手先か
ら見た所定の固定点の位置を画像として取込むことによ
り手先の位置座標を計測し、ロボット機体を構成してい
るリンク要素や関節構成要素類の設計寸法値及びロボッ
ト機体の理論姿勢から計算によって値られる手先の理論
上の位置座標と上記の計測された実際の位置座標との間
のずれを求め、このずれに基づいて各リンク要素の座標
系に関する所定演算を実施することによりロボット機体
の製造誤差に基づく作動誤差を自動的に測定し、ロボッ
トの実働における補正データとして利用可能にする方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットに所定の動作、作業内容を教示
するティーチングにおいて、動作軌跡に沿う特定の位置
データ、及び姿勢情報を教示する方法として、作業を行
なうロボット機体を実際にその動作軌跡に沿って動作さ
せて教示するオンラインティーチング法と、ロボット機
体は実際に動かさずに教示専用のアームを動作させた
り、コンピュータを駆使したプログラミングにより教示
するオフラインティーチング法とがあることは周知であ
る。ロボットを実際に動作させるオンラインティーチン
グ法の場合には、仮にそのロボットが設計時の形状や寸
法に対する加工や組立ての製造誤差を有していたとして
も、教示が正確であれば、ロボットは教示された通りに
動作するため、製造誤差が作業精度に影響を及ぼすこと
はない。他方、ロボットは実際に動かさずに、教示専用
のアームいわばダミーロボットに動作をさせてアームの
位置及び姿勢を記憶させたりコンピュータに作業環境モ
デルを設定して伝置及び姿勢に関する教示データを作成
しプログラミングするオフラインティーチング法を実施
する場合は、実際に作業を行なうロボット機体の形状や
寸法の設計値をデータとするために、製造誤差がロボッ
ト機体の作動精度に直接影響を及ぼすことになる。した
がってこの場合には、個々のロボット機体ごとにセンサ
等を利用して製造誤差に基づく作動誤差を予め正確に検
出し、教示データを補正する必要がある。従来、このよ
うな誤差を測定するためには、各リンクの長さを個別に
計測したり、また所定姿勢におけるロボット機体のリン
ク終端位置すなわち手先位置を３次元計測器によって計
測し、設計寸法から算定される理論上の手先位置とのず
れから各リンクの製造誤差を求める方法が採られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の誤差
測定方法においては、各リンクの長さを個別に実測する
場合には多大な労力と時間を必要とし、また３次元計測
器を使用する場合にはそのために設備が高価格化し、製
造コストを上昇させる問題があった。さらに、教示から
実作業に至るまでの全体の自動化を推進させる上で、個
々のロボット機体ごとの製造誤差に起因する作動誤差の
測定工程をも自動化する要請があり、このとき３次元計
測器等のロボット外部の計測装置をコンピュータを用い
て自動操作することが容易でないという課題があった。

【０００４】本発明は上記課題を解決すべく為されたも
のであり、その目的とするところは、比較的安価な設備
を使用し、コンピュータによるプログラムの実行によっ
て自動的にロボット機体ごとの製造誤差を測定して、教
示データを予め補正することのできるロボット機体の作
動誤差の測定方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、誤差を測定しようとするロボットの手先
位置に装着した撮像装置を用いてロボットのベース近傍
の固定点を撮影し、この撮像装置の２次元画像上におけ
る固定点の位置座標値に関し撮影によって得られた実際
の位置と計算により求まる理論上の位置との間のずれを
求め、このずれのデータに基づいてロボット機体の各リ
ンク要素間の相対位置関係における誤差を所定演算によ
り求める方法を提供する。各リンク要素間の相対的な３
次元位置座標値の理論値との誤差を正確に把握するため
には、ロボットに多様な姿勢をとらせ、それぞれの姿勢
において固定点を撮影することによって多数の２次元ず
れ量データを得る必要がある。

【０００６】したがって本発明が提供するロボット機体
の作動誤差の自動測定方法は、関節結合された複数のリ
ンク要素を有するロボット機体の製造誤差に起因した作
動誤差を自動測定する方法において、測定対象のロボッ
ト機体の最先端リンクのエンドエフェクタ装着部に撮像
装置を連結し、上記ロボット機体のベース近傍の所定位
置に被写点を固定し、上記ロボット機体の各リンク要素
及び上記撮像装置を様々に関節動作させてこのロボット
機体に複数の異なる姿勢を設定し、上記複数の姿勢の各
々において上記撮像装置により上記固定被写点を撮影し
てこの固定被写点の撮影像を複数の姿勢の各々と対応さ
せて取り込み、上記撮像装置の２次元画像上における、
上記固定被写点の上記撮影像の位置座標と、撮影時の上
記姿勢に対応するロボット機体の理論姿勢と上記固定被
写点の位置とから算出される固定被写点の像の理論的位
置座標とのずれを、上記複数の姿勢の各々に対応して複
数個求め、これらの複数のずれのデータから、上記ロボ
ット機体の全ての上記リンク要素において隣接するリン
ク要素間の３次元空間における相対的位置関係の理論値
と実際値との誤差を演算し、これにより予めロボット機
体の作動誤差を、作業教示データに対する既知補正値と
して求める、各ステップを有したことを特徴とするもの
である。

【０００７】本発明の好適な実施態様によれば、上記複
数のずれのデータから上記ロボット機体の各リンク間の
相対的位置関係の誤差を演算するステップは、上記ロボ
ット機体の各リンク要素に設定される３次元座標系のそ
れぞれにおける各リンク要素の姿勢及び位置の誤差パラ
メータを最小２乗法により求めるステップを含む。

【０００８】

【作用】撮像装置により撮影された固定被写点の位置座
標と計算によって求まる固定被写点の理論上の位置座標
との間のずれは、２次元画像上での２次元座標値として
求められる。このずれのデータは、撮像装置がロボット
機体のリンク終端部に取着されているために、ロボット
機体を構成する各リンク要素が隣接するリンク要素との
間に有する相対的位置関係の理論値と実際値との誤差を
全て含んでいる。したがって複数の異なるずれのデータ
に基づいて所定演算を実施することにより、各リンク要
素間の相対的位置関係における誤差を求めることができ
る。こうして実施される誤差の測定プロセスは、ロボッ
トが所定のプログラムに従って自ら実施するものであ
り、人手の介在を必要としない。

【０００９】

【実施例】以下、添付図面に示した好適な実施例により
本発明を詳細に説明する。図１は、本発明によるロボッ
ト機体の作動誤差の自動測定方法を実施可能な多関節ロ
ボット機体10（以下、ロボット10という）を示す。ロボ
ット10は図３に示したような６自由度を有する周知のロ
ボットであり、床面に静止配置されるベース12と、ベー
ス12上で第１関節14を介して鉛直軸線（θ軸) に関して
回転可能な第１リンク16と、第２関節18により水平軸線
（Ｗ軸）に関して旋回可能に第１リンク16に連結される
第２リンク20と、第３関節22により水平軸線（Ｕ軸）に
関して旋回可能に第２リンク20に連結される第３リンク
24と、第３リンク24の先端に配置され直交する３軸（α
軸、β軸、γ軸）に関して回転及び旋回可能な３自由度
の手首26とによって構成される。手首26の先端にはエン
ドエフェクタを装着可能となっており、本発明の実施に
際しては、ここに撮像装置としてＣＣＤカメラ28を装着
する。他方、ベース12から床面に沿って光源設置用治具
30を延設し、この治具30の先端位置に固定被写点として
点光源32を設置する。

【００１０】このように、ロボット10のエンドエフェク
タ座標系にＣＣＤカメラ28を配置し、ベース座標系に点
光源32を配置することにより、後述するようにしてＣＣ
Ｄカメラ28で点光源32を撮影したときにＣＣＤカメラ28
の結像スクリーン上に現われる点光源32の像の位置座標
に、ロボット10の全てのリンク及び関節要素の製造誤差
が含まれることになる。またベース座標系に配置される
点光源32は、各リンク及び関節要素が有する製造誤差が
できるだけ顕著に現われるように配置することが望まし
い。従って前述のように治具30を使用してベース12すな
わちθ軸から離れた位置に点光源32を設置することが好
ましく、これによりロボット10をθ軸に関して回転動作
させたときにＣＣＤカメラ28の像座標に含まれる第１関
節14及び第１リンク16の製造誤差が比較的大きな値とな
り測定しやすくなる。

【００１１】上記の構成を有するロボット10の製造誤差
に起因する作動誤差の自動測定を実施する際には、ロボ
ット10の各リンク要素を駆動してロボット10に所定の様
々な姿勢をとらせ、それぞれの姿勢でＣＣＤカメラ28に
より点光源32を撮影する。例として図２に図１とは異な
る姿勢のロボット10を示す。ある１つの姿勢において
（例えば図２（ａ））、ロボット10の各リンク及び関節
要素に製造誤差が無いと仮定したとき、ＣＣＤカメラ28
の結像スクリーンにおける点光源32の像の位置座標は、
このときの姿勢に対応するロボット10の理論上の姿勢及
び点光源32の位置から計算により求めることができる。
そこでこの姿勢で実際に撮影されたスクリーン上の点光
源の像の位置座標が上記の計算により求めた位置座標と
異なる場合、これによりロボット10の各リンク及び関節
要素のどこかに製造誤差があることが検知され、これら
の位置座標間のずれ量から所定演算によってこの誤差を
求めるのである。周知のように、ロボットの運動解析は
リンクやセンサなどのロボット各部及び作業対称物等に
座標系を設定し、これらの座標系間の位置と姿勢の関係
を解析することにより行なわれる。したがって、結果と
して作業教示の精度を高めることを目的とするロボット
機体の製造誤差に基づく作動誤差の測定において、作動
誤差はロボット機体の各リンク座標系のそれぞれに振り
分けて３次元表示されることが必要であり、これによっ
て初めて作業教示データを補正することが可能となるの
である。そこで本発明において測定されるロボット機体
の作動誤差は、個々のリンク座標系において隣接するリ
ンク座標系との間の相対位置関係の誤差として求められ
る。

【００１２】ＣＣＤカメラ28の結像スクリーン上におけ
る点光源32の像の位置座標のずれ量から各リンク座標系
の製造誤差に基づく作動誤差を求める演算方法の一例を
以下に述べる。図３に示したように、ロボット10の各リ
ンク座標系Ｔ₁ 〜Ｔ₆ 及びエンドエフェクタすなわちＣ
ＣＤカメラ28の座標系Ｆを設定する。各座標系はいずれ
も直前のリンクに対する相対位置関係を表示するもので
あり、４次の正方行列で示される。製造誤差を考えない
とき、ロボット10の座標系に対するＣＣＤカメラ28の固
有座標系Ｃは、 Ｃ＝Ｔ１Ｔ２Ｔ３Ｔ４Ｔ５Ｔ６Ｆ で表わされる。ロボット座標系に対する点光源32の位置
をＰで示すと、カメラ座標系Ｃにおける点光源32の位置
は、 Ｖ＝Ｃ^-1Ｐ となる。またＣＣＤカメラ28の結像スクリーン上におけ
る像の位置Ｕは次のように表示される。

【００１３】

【数１】

【００１４】各リンク座標系に製造誤差に起因する作動
誤差ΔＴi （ｉ＝１〜６），ΔＦを設定すると、カメラ
座標系Ｃは誤差ΔＣを含んで次のＣ′で表わされる。だ
だしＩは単位行列である。

【００１５】

【数２】

【００１６】ここでΔＴi ，ΔＦは姿勢（回転角）と位
置との計６個の誤差パラメータをそれぞれ有し、次のよ
うに表示される。

【００１７】

【数３】

【００１８】上記のＣ′における誤差の２次成分を無視
して近似すると、カメラ座標系における誤差ΔＣが次の
ように各リンク座標系の誤差の１次式によって表示され
る。

【００１９】

【数４】

【００２０】他方、誤差ΔＣを含んだカメラ座標系Ｃ′
における点光源32の位置は、ずれ量ΔＶを含んで次のよ
うに表示される。

【００２１】

【数５】

【００２２】そこで、ＣＣＤカメラ28の結像スクリーン
上における像の位置の誤差すなわちずれ量ΔＵを１次近
似により求めると、

【００２３】

【数６】

【００２４】となる。ここでΔＣが前述のように各リン
ク座標系の誤差の１次式によって表示されるため、スク
リーン上でのずれ量ΔＵもやはり各リンク座標系の誤差
の１次式で表示される。そこで各リンク座標系の誤差パ
ラメータΔα１，Δβ１，Δγ１，…，Δｘｆ，Δｙ
ｆ，Δｚｆについて展開すると、ΔＵは次のように表示
される。

【００２５】

【数７】

【００２６】ここで誤差パラメータは全部で42個有り、
Ａは２行42列の行列となる。この式からわかるように、
各リンク座標系における誤差に行列Ａが作用してスクリ
ーン上での２次元のずれ量ΔＵが生じるようになってい
る。そこで、前述のようにロボット10に様々な姿勢をと
らせ、スクリーン上でのずれ量ΔＵと行列Ａとの多数の
組合せを得ることにより、上式は

【００２７】

【数８】

【００２８】と表示される。この式から最小２乗法によ
り、各リンク座標系における誤差パラメータΔα１，Δ
β１，Δγ１，…，Δｘｆ，Δｙｆ，Δｚｆが求められ
る。ただし、ここで得られる解はこれらの42個の誤差パ
ラメータの相互間の関係式として求められる。すなわち
これらの誤差パラメータは、隣接するリンク座標系間及
び姿勢と位置との誤差パラメータの間で互いに非独立で
あり、したがって個々の誤差パラメータのそれぞれを１
つの値に決めることはできない。しかし、誤差パラメー
タ間の関係式を満たす任意の値を設定することにより、
作業教示データを補正することができる。

【００２９】なお、上記実施例では６自由度の多関節ロ
ボットを用いて本発明を実施する例を説明したが、自由
度や運動機能構造の異なる他のロボットに対しても本発
明を適用可能なことは言うまでもない。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、ロボット機体の最先端リンク
に装着した撮像装置によりロボットのベース近傍の固定
被写点を撮影し、撮像装置の２次元画像上における固定
被写点の撮影による像の位置と計算によって得られる理
論上の像の位置とのずれのデータに基づいて、所定演算
を実施することによりロボット機体の各リンク要素間の
相対位置関係における理論値と実際値との誤差を求める
構成としたため、コンピュータによるプログラムの実行
によってロボットが自らの作動誤差を自動的に測定する
ことができる。このため、例えばプログラミングによる
作業教示法（オフラインティーチング法）を採用する際
に、教示データを自動的に補正することが可能となり、
作業効率が向上する。また比較的安価な設備によって実
施可能なため、コストを下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による作動誤差の自動測定方法を実施す
るための多関節ロボットの概略斜視図である。

【図２】図１のロボットを他の２つの姿勢に変化させた
ときの図である。

【図３】図１のロボットの運動機能構造及び各リンク座
標系を示す図である。

【符号の説明】

12…ベース 14，18，22…関節 16，20，24…リンク 26…手首 28…ＣＣＤカメラ 32…点光源 Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｆ…リンク座標
系

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 関節結合された複数のリンク要素を有す
   るロボット機体の製造誤差に起因した作動誤差を自動測
   定する方法において、 測定対象のロボット機体の最先端リンクのエンドエフェ
   クタ装着部に撮像装置を連結し、 前記ロボット機体のベース近傍の所定位置に被写点を固
   定し、 前記ロボット機体の各リンク要素及び前記撮像装置を様
   々に関節動作させて該ロボット機体に複数の異なる姿勢
   を設定し、 前記複数の姿勢の各々において前記撮像装置により前記
   固定被写点を撮影して該固定被写点の撮影像を該複数の
   姿勢の各々と対応させて取り込み、 前記撮像装置の２次元画像上における、前記固定被写点
   の前記撮影像の位置座標と、撮影時の前記姿勢に対応す
   るロボット機体の理論姿勢と前記固定被写点の位置とか
   ら算出される該固定被写点の像の理論的位置座標とのず
   れを、前記複数の姿勢の各々に対応して複数個求め、 前記複数のずれのデータから、前記ロボット機体の全て
   の前記リンク要素において隣接する該リンク要素間の３
   次元空間における相対的位置関係の理論値と実際値との
   誤差を演算し、 これにより予めロボット機体の作動誤差を、作業教示デ
   ータに対する既知補正値として求める、各ステップを有した ことを特徴とするロボット機体の作
   動誤差の自動測定方法。
2. 【請求項２】 前記複数のずれのデータから前記ロボッ
   ト機体の各リンク間の相対的位置関係の誤差を演算する
   ステップは、前記ロボット機体の各リンク要素に設定さ
   れる３次元座標系における各リンク要素の姿勢及び位置
   の誤差パラメータを最小２乗法により求めるステップを
   含む請求項１記載の方法。