JP4109394B2 - 作業ロボットの設置状態検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークに対して所定の作業を行う作業ロボットの設置状態を検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工場での生産設備において、ワークに対して加工等の所望の処理を遂行する作業ロボットが多用されている。この場合、前記作業ロボットに対するティーチングは、通常、ティーチングボックス等を用いて作業者が作業ロボットを動作させ、その動作を記憶させて実現する、いわゆる、ティーチングプレイバック方式によって行われるのが一般的であった。
【０００３】
しかしながら、このティーチングプレイバック方式では、動作教示中、生産設備を停止させなければならず、従って、その分、生産効率が低下する不具合が指摘されていた。
【０００４】
そこで、前記の不具合を回避する方法として、コンピュータ上に作業ロボットを含む生産設備のシミュレーションモデルを構築し、そのモデルを動作させることによりティーチングデータの作成作業を行う、いわゆる、オフラインティーチング装置が開発されている。このオフラインティーチング装置によって作成されたティーチングデータは、現場の作業ロボットに供給されて最終的な動作調整が行われる。
【０００５】
この場合、オフラインティーチングを行っている間、生産設備の動作を停止させる必要がないため、その分、稼働率が低下する事態を回避することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のように、オフラインティーチング装置上でティーチングデータを高精度に作成したとしても、そのティーチングデータを現場の作業ロボットにそのまま使用して所望の加工を行える訳ではない。すなわち、現場に設置されている作業ロボットとワークとの位置関係が、オフラインティーチング装置上での作業ロボットとワークとの位置関係に正確に一致していない場合、加工位置にずれが生じてしまう。従って、現場において、ティーチングデータの修正作業が必要である。
【０００７】
しかしながら、作業ロボットの据え付け位置のずれに対して、全てのティーチングデータの修正作業を行うためには、かなりの時間が必要であり、また、その間、現場のラインを一時的に停止させなければならない。
【０００８】
本発明は、前記の不具合を解消するためになされたもので、ワークに対する作業ロボットの設置状態を検出することができ、この検出された情報に基づいてティーチングデータを効率的に修正し、作業ロボットの稼働率の向上に寄与することが可能となる作業ロボットの設置状態検出方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は、ワークに対して所定の作業を行う作業ロボットの設置状態を検出する方法であって、
前記作業ロボットのエンドエフェクタが装着される第１回転軸を回転させ、測定手段により前記エンドエフェクタの作業点の異なる任意の３点の位置を測定する第１ステップと、
前記作業点の異なる任意の３点の位置の回転中心点である第１回転中心点を求める第２ステップと、
前記作業ロボットの原点を通り、前記第１回転軸に対して非平行な第２回転軸を回転させることで、前記第１回転中心点を異なる任意の２点の位置に移動させ、前記第１ステップおよび前記第２ステップの処理を繰り返す第３ステップと、
前記第１回転中心点の異なる任意の３点の位置を用いて、前記原点からの距離が既知である前記第２回転軸の回転中心点である第２回転中心点を求める第４ステップと、
前記第２回転中心点と、前記第１回転中心点の異なる任意の３点で決まる平面の法線ベクトルと、前記距離とから前記原点の位置を求める第５ステップと、
前記第２回転中心点の位置と前記原点の位置とから前記作業ロボットの姿勢を求める第６ステップと、
からなることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の作業ロボットの設置状態検出方法が適用される生産設備の構成を示す。
【００１１】
この生産設備の作業台１０には、ワークＷを位置決めするための複数の基準ピン１２ａ〜１２ｃが配設されている。ワークＷは、これらの基準ピン１２ａ〜１２ｃによって基準位置に配置される。また、作業台１０の側部には、ワークＷに対して所定の加工作業を行うための作業ロボット１４が設置される。
【００１２】
作業ロボット１４は、ワークＷに対して所定の加工作業を行うエンドエフェクタ１６を備えた多軸ロボットにより構成されており、その動作は、ロボットコントローラ１８に記憶されたティーチングデータに基づいて制御される。この場合、エンドエフェクタ１６は、第１回転軸Ｊ６を中心として回転可能な状態で装着されている。また、作業ロボット１４は、作業ロボット原点座標系ＲｅｆＲの原点を通る第２回転軸Ｊ１を中心として回転可能に構成される。なお、ティーチングデータは、コンピュータ上に設定された当該生産設備のシミュレーションモデルに従って、オフラインティーチングによって作成されたものである。
【００１３】
一方、作業台１０の側部には、作業ロボット１４の作業台１０に対する設置状態を検出するための測定機２０（測定手段）が設置される。測定機２０は、鉛直軸の回りのα方向に旋回する旋回部２２と、旋回部２２上に設けられ、水平軸の回りのβ方向に旋回するヘッド部２４と、ヘッド部２４に設けられ、距離を測定するためのレーザビームＬを受発光するレーザ受発光部２６とを備える。この測定機２０には、測定対象物の位置を算出するための位置算出器２８が接続される。
【００１４】
なお、作業台１０上の３本の基準ピン１２ａ〜１２ｃおよびエンドエフェクタ１６の作業点には、レーザビームＬを反射するためのミラー３０ａ〜３０ｄが装着される。この場合、測定機２０、位置算出器２８およびミラー３０ａ〜３０ｄは、作業ロボット１４の設置状態を検出するときのみ生産設備に装着される。
【００１５】
本実施形態の作業ロボットの設置状態検出方法が適用される生産設備は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、この生産設備における作業ロボット１４の設置状態検出方法につき、図２に示すフローチャートに従って説明する。
【００１６】
先ず、作業台１０に対して任意の位置に設置された測定機２０から見たワーク原点座標系ＲｅｆＷの位置および姿勢を求める。この場合、ワーク原点座標系ＲｅｆＷは、作業台１０の基準ピン１２ａ〜１２ｃを基準として位置決めされるワークＷの原点位置に設定される直交座標系である。
【００１７】
そこで、測定機２０を駆動し、基準ピン１２ａ〜１２ｃに装着されたミラー３０ａ〜３０ｃに対してレーザビームＬを照射し、その反射光を受光することにより、各ミラー３０ａ〜３０ｃの測定機座標系ＲｅｆＳを基準とする座標ＳＭａ（ｘｓｍａ，ｙｓｍａ，ｚｓｍａ）〜ＳＭｃ（ｘｓｍｃ，ｙｓｍｃ，ｚｓｍｃ）を測定する（ステップＳ１）。
【００１８】
この場合、位置算出器２８は、測定機２０の旋回部２２を矢印α方向に旋回させるとともにヘッド部２４を矢印β方向に旋回させ、ミラー３０ａ〜３０ｃによるレーザビームＬの反射光を受光したときの各旋回角および反射光の受光時間から、各ミラー３０ａ〜３０ｃの座標ＳＭａ〜ＳＭｃを求めることができる。
【００１９】
次に、ワーク原点座標系ＲｅｆＷに対して既知である各ミラー３０ａ〜３０ｄの座標ＷＭａ（ｘｗｍａ，ｙｗｍａ，ｚｗｍａ）〜ＷＭｃ（ｘｗｍｃ，ｙｗｍｃ，ｚｗｍｃ）と、ステップＳ１で求めた測定機座標系ＲｅｆＳを基準とする座標ＳＭａ〜ＳＭｃとを用いて、測定機座標系ＲｅｆＳを基準とするワーク原点座標系ＲｅｆＷの位置および姿勢を求める（ステップＳ２）。
【００２０】
この場合、ワーク原点座標系ＲｅｆＷの位置および姿勢は、測定機座標系ＲｅｆＳをワーク原点座標系ＲｅｆＷに変換する変換マトリックス［Ｔ］によって表すことができる。この変換マトリックス［Ｔ］は、図３に示すように、座標ＳＭａ〜ＳＭｃで構成される三角形を座標ＷＭａ〜ＷＭｃで構成される三角形に重ねるための処理を表し、移動ベクトルＶ（ｘ，ｙ，ｚ）と、３×３の回転マトリックスＣ（φ，θ，ψ）（φ、θ、ψは、測定機座標系ＲｅｆＳの各軸回りの回転角度を表す。）とを用いて、
【００２１】
【数１】

【００２２】
と表すことができる。なお、移動ベクトルＶ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ワーク原点座標系ＲｅｆＷの位置を表し、回転マトリックスＣ（φ，θ，ψ）は、ワーク原点座標系ＲｅｆＷの姿勢を表す。
【００２３】
座標ＳＭａ〜ＳＭｃおよび座標ＷＭａ〜ＷＭｃと、変換マトリックス［Ｔ］との間には、
【００２４】
【数２】

【００２５】
【数３】

【００２６】
【数４】

【００２７】
の関係が成り立つため、これらの関係から変換マトリックス［Ｔ］を構成する移動ベクトルＶ（ｘ，ｙ，ｚ）および回転マトリックスＣ（φ，θ，ψ）を求めることができる。
【００２８】
次に、作業ロボット１４の第２回転軸Ｊ１を回転させ、第２回転軸Ｊ１が異なる任意の３つの角度を取ったときの第１回転軸Ｊ６の回転中心点Ｐ１〜Ｐ３を求め、この３点の回転中心点Ｐ１〜Ｐ３から第２回転軸Ｊ１の回転中心点Ｐ０を算出し、回転中心点Ｐ０から作業ロボット１４の原点ＰＢの位置を算出する（図４参照）。この場合、原点ＰＢと回転中心点Ｐ０との距離Ｄは、作業ロボット１４の構成から既知であるものとし、第１回転軸Ｊ６は、回転中心点Ｐ１〜Ｐ３によって決まる平面内にあるものとする。
【００２９】
先ず、第２回転軸Ｊ１を異なる任意の３つの角度に回転し、それぞれの位置において、第１回転軸Ｊ６を異なる任意の３つの角度に回転したときのミラー３０ｄの位置を測定機２０によって測定する（ステップＳ３）。すなわち、エンドエフェクタ１６の作業点は、通常、第１回転軸Ｊ６に対してオフセットを有しているので、第１回転軸Ｊ６の回転中心点Ｐ１〜Ｐ３を求めるためには、３つの角度に回転させたときのミラー３０ｄの位置を測定する必要がある。
【００３０】
この場合、ミラー３０ｄの３点の位置をＰ１１（ｘ１１，ｙ１１，ｚ１１）〜Ｐ１３（ｘ１３，ｙ１３，ｚ１３）とすると、回転中心点Ｐ１（ａ，ｂ，ｃ）は、第１回転軸Ｊ６の回転によって形成される円の半径をｒとして、
（ｘ１１−ａ）² ＋（ｙ１１−ｂ）² ＋（ｚ１１−ｃ）² ＝ｒ² …（５）
（ｘ１２−ａ）² ＋（ｙ１２−ｂ）² ＋（ｚ１２−ｃ）² ＝ｒ² …（６）
（ｘ１３−ａ）² ＋（ｙ１３−ｂ）² ＋（ｚ１３−ｃ）² ＝ｒ² …（７）
の関係から求めることができる。同様にして、ミラー３０ｄの位置Ｐ２１〜Ｐ２３およびＰ３１〜Ｐ３３から回転中心点Ｐ２およびＰ３が求められる（ステップＳ４）。
【００３１】
なお、これらの回転中心点Ｐ１〜Ｐ３は、測定機座標系ＲｅｆＳを基準とした位置であるため、（１）式で定義される変換マトリックス［Ｔ］を用いて、ワーク原点座標系ＲｅｆＷを基準とした位置に変換する。
【００３２】
次に、回転中心点Ｐ１〜Ｐ３を通る円の中心である回転中心点Ｐ０を求める（ステップＳ５）。この回転中心点Ｐ０（ａ０，ｂ０，ｃ０）は、回転中心点Ｐ１〜Ｐ３の座標を（ｘ１，ｙ１，ｚ１）〜（ｘ３，ｙ３，ｚ３）、円の半径をＲとして、
（ｘ１−ａ０）² ＋（ｙ１−ｂ０）² ＋（ｚ１−ｃ０）² ＝Ｒ² …（８）
（ｘ２−ａ０）² ＋（ｙ２−ｂ０）² ＋（ｚ２−ｃ０）² ＝Ｒ² …（９）
（ｘ３−ａ０）² ＋（ｙ３−ｂ０）² ＋（ｚ３−ｃ０）² ＝Ｒ² …（１０）
の関係から求めることができる。
【００３３】
一方、第２回転軸Ｊ１の回転中心点Ｐ１〜Ｐ３は、平面上にあることから、
ｘ１＋ｋ１×ｙ１＋ｋ２×ｚ１＝ｋ３ …（１１）
ｘ２＋ｋ１×ｙ２＋ｋ２×ｚ２＝ｋ３ …（１２）
ｘ３＋ｋ１×ｙ３＋ｋ２×ｚ３＝ｋ３ …（１３）
の関係が成り立つ。（１１）式〜（１３）式の連立方程式をｋ１〜ｋ３について解けば、この平面を求めることができ、求めたｋ１〜ｋ３を用いて、当該平面の法線ベクトルｖが、
ｖ＝（１／ｋ３，ｋ１／ｋ３，ｋ２／ｋ３） …（１４）
として求められる（ステップＳ６）。
【００３４】
作業ロボット１４の原点ＰＢから回転中心点Ｐ０までの距離をＤとすると、原点ＰＢの位置は、法線ベクトルｖの方向に回転中心点Ｐ０から距離Ｄだけシフトした位置にある。そこで、原点ＰＢの位置（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）は、回転中心点Ｐ０の位置（ａ０，ｂ０，ｃ０）と法線ベクトルｖとを用いて、
ｘｂ＝ａ０＋ｍ・（１／ｋ３） …（１５）
ｙｂ＝ｂ０＋ｍ・（ｋ１／ｋ３） …（１６）
ｚｂ＝ｃ０＋ｍ・（ｋ２／ｋ３） …（１７）
と表すことができる。この場合、距離Ｄと係数ｍとの間には、
｛（１／ｋ３）² ＋（ｋ１／ｋ３）² ＋（ｋ２／ｋ３）² ｝・ｍ² ＝Ｄ²
…（１８）
の関係が成り立つ。
【００３５】
ここで、新たな係数ｋを、
ｋ² ＝（１／ｋ３）² ＋（ｋ１／ｋ３）² ＋（ｋ２／ｋ３）² …（１９）
と定義すると、（１８）式は、
ｋ² ・ｍ² ＝Ｄ² …（２０）
と表すことができ、係数ｍは、
ｍ＝Ｄ／ｋ …（２１）
となり、（１５）式〜（１７）式から、作業ロボット１４の原点ＰＢの位置（ｘｂ、ｙｂ、ｚｂ）は、
ＰＢ＝（ａ０＋Ｄ／ｋ・ｋ３，ｂ０＋Ｄ・ｋ１／ｋ・ｋ３，
ｃ０＋Ｄ・ｋ２／ｋ・ｋ３） …（２２）
として求められる（ステップＳ７）。
【００３６】
次に、作業ロボット１４の姿勢を、回転中心点Ｐ０と原点ＰＢとを結ぶ線分のワーク原点座標系ＲｅｆＷに対する傾きとして求める（ステップＳ８）。
【００３７】
この場合、作業ロボット１４が、原点ＰＢにワーク原点座標系ＲｅｆＷに対する傾きが０（ゼロ）で設置されているものと仮定し、その作業ロボット１４に回転中心点Ｐ０を測定したときのティーチングデータを入力した計算上の位置をＰ０' （ａ０' ，ｂ０' ，ｃ０' ）とすると、作業ロボット１４の姿勢は、直線ＰＢ−Ｐ０と直線ＰＢ−Ｐ０' のワーク原点座標系ＲｅｆＷに対する傾きの差として算出することができる。
【００３８】
作業ロボット原点座標系ＲｅｆＲのワーク原点座標系ＲｅｆＷに対する姿勢を表すマトリックス［Ｒｒ］を、
【００３９】
【数５】

【００４０】
として、ステップＳ５で算出した回転中心点Ｐ０を用いて、
【００４１】
【数６】

【００４２】
の関係を得ることができる。なお、マトリックス［Ｒｒ］の各成分は、作業ロボット原点座標系ＲｅｆＲのワーク原点座標系ＲｅｆＷに対するロール角φ、ピッチ角θ、ヨー角ψに対して、
ｎ１＝ｃｏｓφ・ｃｏｓθ …（２５）
ｎ２＝ｓｉｎφ・ｃｏｓθ …（２６）
ｎ３＝−ｓｉｎθ …（２７）
ｏ１＝ｃｏｓφ・ｓｉｎθ・ｓｉｎψ−ｓｉｎφ・ｃｏｓψ …（２８）
ｏ２＝ｓｉｎφ・ｓｉｎθ・ｓｉｎψ−ｃｏｓφ・ｃｏｓψ …（２９）
ｏ３＝ｃｏｓθ・ｓｉｎψ …（３０）
ａ１＝ｃｏｓφ・ｓｉｎθ・ｃｏｓψ＋ｓｉｎφ・ｓｉｎψ …（３１）
ａ２＝ｓｉｎφ・ｓｉｎθ・ｃｏｓψ−ｃｏｓφ・ｓｉｎψ …（３２）
ａ３＝ｃｏｓθ・ｃｏｓψ …（３３）
の関係にある。
【００４３】
ここで、回転中心点Ｐ０（ａ０，ｂ０，ｃ０）はステップＳ４における測定値であり既知である。また、Ｐ０' （ａ０' ，ｂ０' ，ｃ０' ）は、作業ロボット１４の回転中心点Ｐ０を測定したときのティーチングデータを入力した計算上の座標であり、ロボットの形状から算出することができる。従って、（２５）式〜（３３）式を解くことにより、作業ボット１４の姿勢を算出することができる。
【００４４】
以上のようにして、作業ロボット１４の位置および姿勢を求めることができる。このようにして求められた作業ロボット１４の位置および姿勢に基づいてオフラインティーチングデータを修正することにより、高精度なティーチングデータを作成することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、生産設備内に作業ロボットを設置後、測定手段により測定したデータに基づき、ワークに対する作業ロボットの設置位置および姿勢を求めることができ、求められた設置位置、姿勢の情報に基づいてオフラインティーチングデータを効率的に修正することができる。この結果、精度の高いティーチングデータの作成が可能となり、作業ロボットの稼働率の向上に寄与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の作業ロボットの設置状態検出方法が適用される生産設備の全体構成を示す図である。
【図２】本実施形態の作業ロボットの設置状態検出方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態の作業ロボットの設置状態検出方法において、測定機座標系をワーク原点座標系に変換する変換マトリックスの求め方の説明図である。
【図４】本実施形態の作業ロボットの設置状態検出方法において、作業ロボットの設置位置を算出する方法の説明図である。
【符号の説明】
１０…作業台 １２ａ〜１２ｃ…基準ピン
１４…作業ロボット １６…エンドエフェクタ
１８…ロボットコントローラ ２０…測定機（測定手段）
２２…旋回部 ２４…ヘッド部
２６…レーザ受発光部 ２８…位置算出器
３０ａ〜３０ｄ…ミラー Ｊ１…第２回転軸
Ｊ６…第１回転軸 Ｌ…レーザビーム
ＲｅｆＲ…作業ロボット原点座標系（ＲＲ）
ＲｅｆＳ…測定機座標系（ＲＳ） ＲｅｆＷ…ワーク原点座標系（ＲＷ）
Ｗ…ワーク

Claims (1)

1. ワークに対して所定の作業を行う作業ロボットの設置状態を検出する方法であって、
   前記作業ロボットのエンドエフェクタが装着される第１回転軸を回転させ、測定手段により前記エンドエフェクタの作業点の異なる任意の３点の位置を測定する第１ステップと、
   前記作業点の異なる任意の３点の位置の回転中心点である第１回転中心点を求める第２ステップと、
   前記作業ロボットの原点を通り、前記第１回転軸に対して非平行な第２回転軸を回転させることで、前記第１回転中心点を異なる任意の２点の位置に移動させ、前記第１ステップおよび前記第２ステップの処理を繰り返す第３ステップと、
   前記第１回転中心点の異なる任意の３点の位置を用いて、前記原点からの距離が既知である前記第２回転軸の回転中心点である第２回転中心点を求める第４ステップと、
   前記第２回転中心点と、前記第１回転中心点の異なる任意の３点で決まる平面の法線ベクトルと、前記距離とから前記原点の位置を求める第５ステップと、
   前記第２回転中心点の位置と前記原点の位置とから前記作業ロボットの姿勢を求める第６ステップと、
   からなることを特徴とする作業ロボットの設置状態検出方法。

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