JP3104839B2 - ロボット診断方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロボット診断方法、特に
作業対象物の情報を取得する外界センサと、ロボットの
位置姿勢情報を取得する内界センサとからの情報取得の
同期ずれ値を検出するロボット診断方法であって、例え
ば作業対象物の表面に沿って加工する倣い作業や、各種
センサを取りつけたロボットにおける時間に関するシス
テム同定手法に適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に複数のサブシステムを統合し全体
として一つの協調動作可能なトータルシステムとする場
合、サブシステム間の信号の入出力や動作指令のタイミ
ングを適切に設定する必要がある。例えばセンサ付きロ
ボットによりセンサフィードバックを用いた倣い作業を
行う場合は、作業対象物の情報取得のための外界センサ
と、ロボットの位置姿勢情報を取得する内界センサ（例
えば関節角度を検出するエンコーダ）の二つを用いて、
時間ずれのないデータを取得するという事柄がこれにあ
たる。

【０００３】ロボットに外界センサを取りつけトラッキ
ングなどの作業を行わせる場合、センシングした作業対
象物の形状をロボットの経路として用いるセンサフィー
ドバックの手法が用いられるケースが数多く存在する。
作業対象物の形状は、一般にある作業座標系における点
列で表されるが、その計算には外界センサによる作業対
象物指定部位の位置情報、および内界センサによるロボ
ットの位置姿勢情報が必要である。

【０００４】上記計算において、センサによる作業対象
物指定部位の位置情報とロボットの位置姿勢情報の取得
時は、同時刻であることが前提となる。しかし、これら
２つの情報は取得周期が必ずしも一致せず、またセンサ
による作業対象物指定部位の位置情報の取得に時間を要
する場合があることから、同期ずれが生じる場合が多
い。こういった同期ずれの問題は、仮に取得周期が同じ
でセンシングが微小時間で終了したとしても、ロボット
システム内の情報伝達方法の違い等により起こりうる事
象である。同期ずれが存在する場合、その補正のために
は、まずそのずれの大きさを定量的に評価する必要があ
る。

【０００５】同期ずれの大きさを検出する既存技術とし
ては、サブシステム間の入出力時の信号を取得するため
通信アナライザなどの外部計測装置を導入する方法があ
る。

【０００６】また、同期ずれの大きさを検出する他の既
存技術としては、取得した情報にタイムスタンプを付与
する方法が知られている（株式会社、リフト・リサーチ
・センター、1989年発行、「ＴＣＰ／ＩＰ」西田竹志
著）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】通信アナライザなどの
外部計測装置を導入して同期ずれの大きさを検出する既
存技術は、すでに組上がったロボットシステムから信号
を入手するために外部出力用のインタフェースが必要に
なり設備費用が掛かる。また、外部出力インタフェース
をロボットに具備していたとしても、計測機器導入のた
めの費用、計測のノウハウを持つ試験者の必要性、計測
のための時間、人件費などを要することになる。

【０００８】一方、取得した情報にタイムスタンプを付
与する方法は、複数のサブシステム内で基準時刻を設定
する必要性が生じ、またシステムの情報伝達方法の違い
等により、真のセンシング時刻に必ずしもタイムスタン
プを付与できない場合があり、さらにタイムスタンプ付
与の設定のためにシステム再構築の必要があることか
ら、実用的ではない。

【０００９】本発明の目的は、外部計測装置を用いるこ
となく、またシステム再建築の必要もなく、センサおよ
びロボットが基本的に具備する機能のみを用いて、外界
センサデータと内界センサデータの取得時の同期ずれ
を、定量的に検出するロボット診断方法を提供すること
にある。

【００１０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。すなわち、本発明のロボット診断方
法は、作業対象物の情報を取得する外界センサおよびロ
ボットの位置姿勢情報を取得する内界センサを具備する
ロボットにおける前記外界センサおよび前記内界センサ
からの情報取得の同期ずれ値を検出するロボット診断方
法であって、前記作業対象物の指定部位に沿って前記ロ
ボットの手先を進行させる基本動作時に前記外界センサ
および前記内界センサによって前記指定部位の位置情報
と前記ロボットの位置姿勢情報を取得し、所定の座標変
換により任意に設定した作業座標系における前記指定部
位の形状を求める第１段階と、前記基本動作に加えて前
記ロボットの手先が前記基本動作の方向とは異なる方向
に動作するように複合動作を行わせるとともに前記第１
段階と同様な方法で指定部位の形状を求める第２段階
と、前記基本動作時および前記複合動作時に求めた前記
指定部位の形状のそれぞれの差分をセンシング誤差とし
て算出する第３段階と、前記ロボットにおいて任意に設
定した基準点の速度を計算する第４段階と、前記センシ
ング誤差と前記速度との回帰直線を求める第５段階と、
前記回帰直線の傾きから前記指定部位の位置情報の取得
時と前記位置姿勢情報の取得時との同期ずれの値を検出
する第６段階とを有するものである。また、複合動作は
前記基本動作に摂動入力または外乱を加えることによっ
て発生させる。

【００１２】

【作用】上記した手段によれば、本発明のロボット診断
方法は、ロボットの手先が作業対象物に沿った基本動作
時と、基本動作の方向と異なる方向への外乱を加えた複
合動作時とにおけるセンシング情報（外界センサおよび
内界センサからの情報）をそれぞれ求め、この差分を作
業対象物の形状の誤差とし、一方ロボットの速度を内界
センサによって求め、前記差分と速度をグラフにプロッ
トし、その回帰直線を求め、回帰直線の傾きが前記同期
ずれとなることから、前記回帰直線から同期ずれを求め
る。

【００１３】本発明のロボット診断方法は、センサおよ
びロボットが基本的に具備する機能のみを用いて、外界
センサデータと内界センサデータの取得時の同期ずれ
を、定量的に検出できるため、外部計測装置を用いるこ
となく、またタイムスタンプの設定などシステム再建築
の必要もなくなる。

【００１４】以下図面を参照して本発明の一実施例につ
いて説明する。なお、実施例を説明するための全図にお
いて、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰
り返しの説明は省略する。

【００１５】

【実施例】図１は本発明のロボット診断方法の一実施例
の処理手順を示すフローチャート、図２は本実施例のロ
ボットアームを示す構成図、図３は本実施例のロボット
のシステム構成図である。

【００１６】図２および図３において、Ｂは６自由度を
有するロボットアーム、ＡはＢの手先に取付けるセンサ
（レーザレンジファインダ）、１〜６はそれぞれロボッ
トアームＢの関節、７はアクチュエータ、８はエンコー
ダ、９はサーボアンプ、１０はアップダウンカウンタ、
１１はセンサ用コントローラ、１２はロボットコントロ
ーラ用ＣＰＵ、１３はキネマティクス計算用ＣＰＵ、１
４はコンピュータ、１５は手先位置、手先姿勢、関節角
度、外界センサによる作業対象物指定部位の位置情報な
どのデータファイルである。

【００１７】ロボットアームＢは、ここでは概念的にリ
ンクと関節とで説明するが、図２に示すように、関節１
〜関節６において回転あるいは揺動動作できる自由度
（Ｊ₁〜Ｊ₆）構造であるとともに、手先にはセンサ（レ
ーザレンジファインダ）Ａが取り付けられている。な
お、図２において、紙面に垂直な方向をＸ方向、紙面水
平方向をＹ方向、紙面上下方向をＺ方向とする。

【００１８】各関節１〜関節６は、油圧，空圧，電気で
動作する回転制御機構からなるアクチュエータ７で形成
されている。

【００１９】ロボットアームＢは、床２０上に配置され
床２０から上方Ｚ方向に延在する固定リンク２１が基本
となる。この固定リンク２１の先端には、１自由度を構
成する関節１が配置されている。この関節１に連なるリ
ンク２２は、関節１の作動によってリンク２２の軸を中
心として回転（自転）可能となり、ロボットアームＢの
水平左右動作（Ｘ方向動作）を担う。

【００２０】また、前記リンク２２の上端には、１自由
度を構成する関節２が設けられているとともに、この関
節２には２本のリンク２３，２４が接続されている。こ
れらリンク２３，２４は、それぞれのリンク２３，２４
に平行となるリンク２５，２６とともにパンタグラフ構
造を形成している。

【００２１】前記関節２は、リンク２３，２４が鉛直Ｚ
方向に揺動動作可能となる関節となり、リンク２３の揺
動はロボットアームＢの上下動の動きとなる。

【００２２】前記関節２に接続される水平Ｙ方向に延在
するリンク２４の先端には、１自由度を構成する関節３
が設けられている。この関節３には前記リンク２５が接
続されている。関節３の動きによってパンタグラフを構
成するリンク２３〜２６が動き、ロボットアームＢのＹ
方向に沿う前後動作が行われる。

【００２３】前記リンク２６，リンク２３およびリンク
２５との接続は、ピンによる回転自在の接続２７，２８
であり、関節２および関節３の動きに伴って各リンクは
前記回転自在の接続２７，２８部分で揺動する。

【００２４】前記リンク２６はＹ方向に延在するととも
に、前記回転自在の接続２７を途中部分に有し、先端に
は関節４が取り付けられる構造となっている。また、前
記関節４に接続されるリンク２９は、関節４の働きによ
ってリンク２９の軸を中心として回転（自転）し、ロボ
ットアームＢの捩じり動作が行われるようになる。

【００２５】前記リンク２９の先端には関節５が取り付
けられているとともに、この関節５には下方Ｚ方向に向
かって延在するリンク３０が接続されている。前記関節
５の動きによってリンク３０はＹ方向に沿って前後に揺
動する。

【００２６】前記リンク３０の下端には関節６が取り付
けられている。関節６にはリンク３１が接続される。リ
ンク３１は一般にロボットのハンド部を構成し、直接作
業を行う作業体や物品を掴むクランプ機構とされる。

【００２７】図示はしないが、各関節１〜関節６には、
各関節１〜関節６を形成する各アクチュエータ７の動き
（関節角度データ等の変位）を検出するエンコーダ８が
取り付けられている。図３に示すシステム構成図では、
ロボットアームＢはアクチュエータ７で動き、その変位
はエンコーダ８で検出されることを示してある。同図の
アクチュエータ７は、各関節１〜関節６を形成する各ア
クチュエータを示し、エンコーダ８は各関節１〜関節６
に取り付けられるエンコーダを示す。また、前記ロボッ
トアームＢと、ロボットアームＢを制御するサーボアン
プ９およびロボットコントローラ用ＣＰＵ１２を含める
部分はロボットコントローラ１６となる。

【００２８】前記エンコーダ８は各アクチュエータ７に
対応して配設される。前記アクチュエータ７は、ロボッ
トコントローラ用ＣＰＵ（演算処理装置）１２で制御さ
れるサーボアンプ９によって駆動する。アクチュエータ
７の動きはエンコーダ８によって検出され、アップダウ
ンカウンタ１０によってカウントされる。アップダウン
カウンタ１０の情報は、手先位置，姿勢データ，関節角
度データとしてキネマティクス計算用ＣＰＵ１３に入力
される。また、キネマティクス計算用ＣＰＵ（演算処理
装置）１３の情報はコンピュータ１４に入力される。

【００２９】コンピュータ１４には、磁気ディスク等か
らなるデータファイル１５が接続され、データが記憶さ
れる。

【００３０】前記ロボットコントローラ１６はコンピュ
ータ１４によって制御される。

【００３１】一方、ロボットアームＢの手先に取り付け
られたセンサ（レーザレンジファインダ）Ａによるセン
シングデータは、センサ用コントローラ１１を介してコ
ンピュータ１４に入力される。

【００３２】エンコーダ８が内界センサとなり、センサ
Ａが外界センサとなる。内界センサおよび外界センサの
データは、コンピュータ１４に入力される。

【００３３】ロボットは、コンピュータ１４の制御の
基、ロボットコントローラ用ＣＰＵ１２によってサーボ
アンプ９が作動してアクチュエータ７を動作させてロボ
ットアームＢによって各作業を行う。アクチュエータ７
の動き（関節角度データ等、以下エンコーダデータと称
す）は、内界センサとなるエンコーダ８によって検出さ
れ、アップダウンカウンタ１０からキネマティクス計算
用ＣＰＵ１３に伝えられる。キネマティクス計算用ＣＰ
Ｕ１３では、前記エンコーダデータから求めた手先位
置，姿勢データ，関節角度データを蓄積する。また、内
界センサによる情報はコンピュータ１４によって処理さ
れてデータファイル１５に記憶される。

【００３４】一方、ロボットアームＢに取り付けられた
センサ（レーザレンジファインダ）Ａは外界センサとな
り、作業対象物指定部位の位置情報（以下センシングデ
ータと称す）を検出する。このセンシングデータはセン
サ用コントローラ１１に送り込まれて処理され、特徴点
センシングデータとしてコンピュータ１４に送り込まれ
る。コンピュータ１４では、内界センサと外界センサと
の比較演算を行い、センシングデータとエンコーダデー
タの取得時の平均的な時間ずれを検出し、これに基づき
作業対象形状においてセンシング誤差を低減する。

【００３５】つぎに、内界センサと外界センサの同期ず
れの検出について説明する。

【００３６】ここではセンシング対象である作業対象物
指定部位が直線である場合を例にとり、図１のフローチ
ャートを参照しながら説明する。まず、理想的な直線で
あるところのセンシング対象に対してほぼ並行な直線運
動を基本動作としてロボットコントローラ１６に記憶す
る（ステップ１）。図４はロボットの手先を基本動作で
ある直線動作させた状態の模式図である。図中、Ｃは作
業対象物、Ｄは作業対象物Ｃのセンシング対象ライン、
Ｅはロボット基準点（この場合センサ視野の中心）の経
路である。また座標軸はロボットの進行方向がほぼＸ軸
の正方向になるよう図４のように設定する。

【００３７】つぎに、前記基本動作中の外界センサ（セ
ンサＡ）による作業対象物指定部位の位置情報（センシ
ングデータ）、および内界センサ（エンコーダ８）によ
るロボットの関節角度情報（エンコーダデータ）を取得
する（ステップ２）。

【００３８】つぎに、これら２種類のデータ（センシン
グデータおよびエンコーダデータ）と、ロボットの手先
の位置、姿勢を求める順運動学の式、およびロボット手
先からセンサ基準点までの変換行列を用いて、設定した
ワーク座標系における作業対象物指定部位の点（以下特
徴点）の座標を計算する。さらにその座標列を最小二乗
法を用いて一次直線で近似し、コンピュータ（１４）に
記憶する（ステップ３：第１段階）。ここで特徴点の座
標計算列を以下に示す。

【００３９】

【数１】

【００４０】つぎに、基本動作である直線運動の進行方
向に対してほぼ垂直な方向に、正弦波状の周期的な外乱
をコンピュータ（１４）から入力する。図５はロボット
の手先を基本動作に加えて正弦波状の外乱動作させた状
態の模式図である。図中、Ｃはセンシング対象物、Ｄは
センシング対象ラインであり、Ｅ’はロボット基準点の
経路（基本動作＋外乱）である。座標軸は図４と同様に
設定する。前記外乱４０の振幅は、たとえば、１０ｍｍ
である。

【００４１】そして、この複合動作中のセンシングデー
タ、およびエンコーダデータを取得する（ステップ
４）。

【００４２】このときの特徴点座標を式（１）を用いて
計算し、コンピュータ（１４）に記憶する（ステップ
５：第２段階）。

【００４３】以下ワーク座標系のＹ軸方向を例にとり説
明する。

【００４４】前記ステップ３で求めた直線と、前記ステ
ップ５で求めた特徴点との差分を計算することにより、
センシングの誤差を求める（ステップ６：第３段階）。

【００４５】さらに、位置の差分の計算を用いてセンサ
基準点の速度を、ステップ５で求めた点各々に対して求
める。（ステップ７：第４段階）。

【００４６】ここで、ステップ６で求めたセンシング誤
差とステップ７で求めたセンサ基準点の速度との回帰直
線を求める（ステップ８：第５段階）。図６はセンサ基
準点の速度とセンシング誤差との相関を示すとともに回
帰直線を表わしたグラフである。同図において丸印（●
印）は、基本動作と複合動作で得られた実データを用い
て求めた速度とセンシング誤差の分布、直線βは回帰直
線であり、αを最小２乗法を用いて直線近似したもので
ある。

【００４７】これらロボットモデルの幾何パラメータに
誤差がないとすれば、時間パラメータに誤差が存在する
ことになり、さらにセンサ（レーザレンジファインダ）
およびエンコーダデータが一定周期で精度良く取得でき
ているとすると、これら２種類のデータの周期ずれであ
ることが推測され、センシング誤差は以下の式で表わす
ことができる。すなわち、図６において、回帰直線の傾
きを求めることが、Ｔを求めることに匹敵する。

【００４８】

【数２】 ｅ＝Ｔ×ｖ
（２） ｅ：センシング誤差 Ｔ：２種類のデータの同期ずれ ｖ：基準点の速度 従ってセンシングデータとエンコーダデータとの周期の
ずれ値は、数２から、平均的にＴ＝０．０８９（ｓｅ
ｃ）と検出できる（ステップ９：第６段階）。

【００４９】図７は特徴点座標の計算において、エンコ
ーダ値をＴ値に基づき補正し、同様に誤差を求めた結
果、センシング誤差が大きく改善された検証例である。
図７中、図面γは改善前の速度とセンシング誤差との関
係を、図面δは改善後の速度とセンシング誤差との関係
を表わす。図７に示す三角印（▲印）と丸印（●印）の
分布から最悪誤差について３分の１程度に著しく改善さ
れていることが確認できる。

【００５０】このように、図１で示したフローを実践す
ることによって、センシングデータとエンコーダデータ
の取得時の平均的な時間ずれを検出することができ、こ
れに基づき作業対象形状においてセンシング誤差を低減
できることが実証される。

【００５１】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。

【００５２】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００５３】（１）本発明のロボット診断方法は、外界
センサによるセンシングデータと、内界センサによるエ
ンコーダデータという、センサ付きロボットが容易にか
つ精度よく検出できる２種類のデータのみを用いて、そ
れらの平均的な同期ずれ値を求めているので、高精度の
計測機器を新たに使用する必要なく、またタイムスタン
プの設定などシステム再構築の必要もなく、検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のロボット診断方法を示すフローチャー
トである。

【図２】本実施例のロボットアームを示す構成図であ
る。

【図３】本実施例のロボットのシステム構成図である。

【図４】本実施例のロボットの手先を基本動作である直
線動作させた状態の模式図である。

【図５】本実施例のロボットの手先を基本動作に加えて
正弦波状の外乱動作させた状態の模式図である。

【図６】センサ基準点の速度とセンシング誤差との相関
を示すとともに回帰直線を表わしたグラフである。

【図７】センシングデータとエンコーダデータの時間ず
れを改善する前後の、センサ基準点の速度とセンシング
誤差との相関を示すグラフである。

【符号の説明】

１〜６…マニピュレータの関節、７…アクチュエータ、
８…エンコーダ、９…サーボアンプ、１０…アップダウ
ンカウンタ、１１…センサ用コントローラ、１２…ロボ
ットコントローラ用ＣＰＵ、１３…キネマティクス計算
用ＣＰＵ、１４…コンピュータ、１５…データファイ
ル、１６…ロボットコントローラ、２０…床、２１…固
定リンク、２２〜２６…リンク、２７，２８…回転自在
の接続、２９〜３１…リンク、４０…外乱、Ａ…センサ
（レーザレンジファインダ）、Ｂ…ロボットアーム、Ｃ
…作業対象物、Ｄ…センシング対象ライン、Ｅ…ロボッ
ト基準単の経路（基本動作時）、Ｅ’…ロボット基準点
の経路（基本動作＋外乱入力時）、α…速度とセンシン
グ誤差との相関図、β…近似直線（最小二乗法）、γ…
速度とセンシング誤差との相関図（改善前）、δ…速度
とセンシング誤差との相関図（改善後）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 19/18 - 19/46 B25J 3/00 - 3/10 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/02 - 19/06 G05B 23/00 - 23/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作業対象物の情報を取得する外界センサ
   およびロボットの位置姿勢情報を取得する内界センサを
   具備するロボットにおける前記外界センサおよび前記内
   界センサからの情報取得の同期ずれ値を検出するロボッ
   ト診断方法であって、前記作業対象物の指定部位に沿っ
   て前記ロボットの手先を進行させる基本動作時に前記外
   界センサおよび前記内界センサによって前記指定部位の
   位置情報と前記ロボットの位置姿勢情報を取得し、所定
   の座標変換により任意に設定した作業座標系における前
   記指定部位の形状を求める第１段階と、前記基本動作に
   加えて前記ロボットの手先が前記基本動作の方向とは異
   なる方向に動作するように複合動作を行わせるとともに
   前記第１段階と同様な方法で指定部位の形状を求める第
   ２段階と、前記基本動作時および前記複合動作時に求め
   た前記指定部位の形状のそれぞれの差分をセンシング誤
   差として算出する第３段階と、前記ロボットにおいて任
   意に設定した基準点の速度を計算する第４段階と、前記
   センシング誤差と前記速度との回帰直線を求める第５段
   階と、前記回帰直線の傾きから前記指定部位の位置情報
   の取得時と前記位置姿勢情報の取得時との同期ずれの値
   を検出する第６段階とを有することを特徴とするロボッ
   ト診断方法。
2. 【請求項２】 前記基本動作に摂動入力または外乱を加
   えることによって複合動作を行わせることを特徴とする
   請求項１記載のロボット診断方法。