JP5272617B2 - ロボット装置及びロボット装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレータの先端にカメラを備えたロボット装置において、カメラにより取得した画像に基づいて教示を行うロボット装置及びロボット装置の制御方法に関する。

従来、マニピュレータを備えたロボット装置が提案されている。このようなロボット装置においては、生産ラインの改造や移設などの理由により、一旦稼動させた後に設置位置の変更、あるいは、周辺の作業対象の変更が行なわれることがある。また、ロボット装置の設置位置の変更を容易にするために、マニピュレータを備えた台座を運搬可能、あるいは、自走可能としたロボット装置が提案されている。

このようなロボット装置の設置位置や周辺の作業対象を変更するには、ロボット装置や作業対象を所定の位置に設置した後、教示ペンダント等を用いて、操作者が手動によりロボット装置の位置を微調整して、ロボット装置と作業対象との位置補正を行う必要がある。このような、設置位置の変更などによる位置補正は、移動式のロボット装置（台座を運搬可能、あるいは、自走可能としたロボット装置）に限らず必要である。

従来、このような教示プロセスを自動化するため、特許文献１及び特許文献２には、ロボット装置に取り付けたカメラにより作業対象に設けたマーカを撮像し、画像計測によりロボット装置の位置を補正する技術が記載されている。

また、特許文献３には、作業対象に対して所定の位置に設置されたキャリブレーション治具とマニピュレータの手先とが一致するように、コンプライアンス制御を用いてマニピュレータを移動制御し、このときのマニピュレータの位置に基づいてロボット装置の位置を補正する技術が記載されている。

特開２００５−１４９２９９ 特開平５−８１８６ 特開２００６-２９７５５９

ところで、従来のロボット装置を設置するにあたっての位置補正において、これを手動により行う場合には、補正の精度が操作者の技量に左右されてしまい、正確な位置補正を行うには、操作者の熟練を要し、困難である。

また、カメラにより作業対象に設けたマーカを撮像し、画像計測によりロボット装置の位置を補正する場合には、カメラの光軸方向（奥行き）と計測面の傾きに対する計測精度が低く、カメラとマーカとの距離と傾きを正確に計測することができないため、ロボット装置の位置を正確に補正できない虞がある。

また、コンプライアンス制御を用いてマニピュレータを移動制御してキャリブレーション治具とマニピュレータの手先とを一致させることによりロボット装置の位置を補正する場合には、キャリブレーション治具と手先とを接触させることが必要であるため、キャリブレーション治具の大きさにより、補正可能なずれの大きさが決定される。そのため、ロボット装置の設置位置が所定の位置から大きくずれているときには、キャリブレーション治具と手先とが接触できなくなり、位置の補正が不可能となる。

そこで、本発明は、前記の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、所定の位置に設置した後の位置補正(微調整)を自動的に行うことができるロボット装置であって、操作者の熟練を要せず、作業対象との距離や作業対象の傾きについても正確に補正することができ、また、ロボット装置の設置位置の所定の位置からのずれが、コンプライアンス制御を用いる手法に比べて大きいときにも位置補正を行うことができるロボット装置及びロボット装置の制御方法を提供することにある。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係るロボット装置は、以下の構成を有するものである。

〔構成１〕
６自由度以上のマニピュレータを有しマニピュレータの手先位置に接触検出手段及び撮像手段を有するロボット装置であって、マニピュレータの動作を制御する制御手段を備え、制御手段は、初期動作として、作業対象が設置される平面と同一平面上にあり、かつ、一直線上にない少なくとも３箇所の接触点に対してマニピュレータの手先を接触させ接触検出手段により接触を検知して３箇所以上の接触点の位置を検出し、３箇所以上の接触点の位置に基づいて平面の傾き及び高さ位置を計測し、撮像手段の光軸を平面に対して垂直として撮像手段により平面上に設けられたマーカを撮像し、撮像手段により撮像されたマーカの画像を画像処理してマーカの平面上における位置及び回転方向を計測しておき、次に、制御手段は、平面の傾き及び高さ位置と平面上におけるマーカの位置及び回転方向に基づいて、マニピュレータを制御することを特徴とするものである。

また、本発明に係るロボット装置の制御方法は、以下の構成を有するものである。

〔構成２〕
６自由度以上のマニピュレータを有しマニピュレータの手先位置に接触検出手段及び撮像手段を有するロボット装置の制御方法であって、作業対象が設置される平面と同一平面上にあり、かつ、一直線上にない少なくとも３箇所の接触点に対してマニピュレータの手先を接触させ接触検出手段により接触を検知して３箇所以上の接触点の位置を検出し、３箇所以上の接触点の位置に基づいて平面の傾き及び高さ位置を計測し、撮像手段の光軸を平面に対して垂直としてこの撮像手段により平面上に設けられたマーカを撮像し、撮像手段により撮像されたマーカの画像を画像処理してマーカの平面上における位置及び回転方向を計測しておき、次に、平面の傾き及び高さ位置と平面上におけるマーカの位置及び回転方向に基づいて、マニピュレータを制御することを特徴とするものである。

本発明に係るロボット装置において、制御手段は、初期動作として、作業対象が設置される平面と同一平面上にあり、かつ、一直線上にない少なくとも３箇所の接触点に対してマニピュレータの手先を接触させ接触検出手段により接触を検知して３箇所以上の接触点の位置を検出し、３箇所以上の接触点の位置に基づいて平面の傾き及び高さ位置を計測し、マニピュレータの手先位置の撮像手段の光軸を平面に対して垂直として撮像手段により平面上に設けられたマーカを撮像し、撮像手段により撮像されたマーカの画像を画像処理してマーカの平面上における位置及び回転方向を計測しておき、次に、制御手段は、平面の傾き及び高さ位置と平面上におけるマーカの位置及び回転方向に基づいて、マニピュレータを制御する。

したがって、本発明に係るロボット装置においては、マニピュレータの手先と作業対象が設置される平面と同一平面上にある接触点との接触を検知し、撮像手段により平面状に設けられたマーカを撮影するとこにより、ロボット装置の位置の補正を自動的に行うことができる。

作業対象が設置される平面の傾き及び高さの計測については、十分な面積を有する平面上の任意の接触点に手先を接触させればよいため、従来のようにキャリブレーション治具に手先を接触させる場合に比較して、ロボット装置の設置位置の所定位置からのずれ量が大きい場合でも、位置の補正が可能である。

また、このロボット装置においては、撮像手段によるマーカの撮像は、撮像手段の光軸を平面に対して垂直として行うため、２次元画像処理を適用できるため、マーカの平面上における位置及び回転方向の計測を、高速、かつ、高精度に行うことが可能である。

さらに、このロボット装置においては、平面の傾きの計測プロセスと、マーカの平面上における位置及び回転方向の計測プロセスとを分離して行うことができるので、それぞれを高速、かつ、高精度に行うことが可能である。

すなわち、本発明は、所定の位置に設置した後の位置補正(微調整)を自動的に行うことができるロボット装置であって、操作者の熟練を要せず、作業対象との距離や作業対象の傾きについても正確に補正することができ、また、ロボット装置の設置位置の所定の位置からのずれが、コンプライアンス制御を用いる手法に比べて大きいときにも位置補正を行うことができるロボット装置及びロボット装置の制御方法を提供することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

〔ロボット装置の構成〕
図１は、本発明に係るロボット装置の構成を示す模式的な側面図である。

本発明に係るロボット装置は、図１に示すように、ロボット基台部４と、このロボット基台部４上に設置されたマニピュレータ１とを有し、このマニピュレータ１により、作業対象１０１の把持、運搬、加工及び他の部材への組立などの操作が可能となされているものである。

作業対象１０１は、作業台１０４、または、周辺装置（工作機械など）上の平面１０２に載置されている。この平面１０２は、マニピュレータ１のロボット基台部４とは独立している。

マニピュレータ１は、複数のアクチュエータ（駆動装置）とリンク（剛体の構造物）とによって構成されており、６自由度を有している。すなわち、各リンク間は、回動（屈曲）、または、旋回可能な関節２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆを介して接続されており、それぞれアクチュエータによって相対駆動されるようになっている。各アクチュエータは、制御手段となるコンピュータ３によって制御される。

このマニピュレータ１において、第１のリンク（基端部のリンク）１ａは、ロボット基台部４に対し、基端側を第１の関節２ａを介して接続されて設置されている。第１の関節２ａは、鉛直軸（ｚ軸）回りに旋回可能な関節である。この第１のリンク１ａの先端側には、第２の関節２ｂを介して、第２のリンク１ｂの基端側が接続されている。第２の関節２ｂは、水平な軸回りに第２のリンク１ｂを回動可能とする関節である。第２のリンク１ｂの先端側には、第３の関節２ｃを介して、第３のリンク１ｃの基端側が接続されている。第３の関節２ｃは、水平な軸回りに第３のリンク１ｃを回動可能とする関節である。

そして、第３のリンク１ｃの先端側には、第４の関節２ｄを介して、第４のリンク１ｄの基端側が接続されている。第４の関節２ｄは、第３のリンク１ｃの軸回りに第４のリンク１ｄを旋回可能とする関節である。第４のリンク１ｄの先端側には、第５の関節２ｅを介して、第５のリンク１ｅの基端側が接続されている。第５の関節２ｅは、第４のリンク１ｄの軸に直交する軸回りに第５のリンク１ｅを回動可能とする関節である。第５のリンク１ｅの先端側には、第６の関節２ｆを介して、第６のリンク１ｆの基端側が接続されている。第６の関節２ｆは、第５のリンク１ｅの軸回りに第６のリンク１ｆを旋回可能とする関節である。

このように、マニピュレータ１においては、回動可能な関節と、旋回可能な関節とが、交互に計６個設けられていることにより、６自由度が確保されている。

第６のリンク１ｆの先端側（以下、「手先」という。）には、作業対象１０１を把持したり加工したりする先端ツール機構５が設けられている。この先端ツール機構５は、コンピュータ３や図示しないその他の制御装置によって制御される。また、手先の近傍には、撮像レンズ及びＣＣＤ（固体撮像素子）からなる撮像手段となるカメラ６が取付けられている。

また、マニピュレータ１の手先には、接触検出手段７が設けられている。この接触検出手段７としては、タッチセンサやリミットスイッチのような接触検知スイッチが考えられ、また、歪ゲージや力覚センサ等により、手先力を計測して検知する機構であってもよい。

コンピュータ３は、画像処理部３ａを有しており、カメラ６から送られる画像信号から対象部品１０１の形状を抽出し、この形状と、予め記憶された画像データ及び数値データとを照合する。また、コンピュータ３は、動作指令生成部３ｂを有している。この動作指令生成部３ｂは、画像処理部３ａにおけるデータの照合結果に応じて、マニピュレータ１の各アクチュエータに対する動作指令信号を生成し、各アクチュエータに送る。

そして、マニピュレータ１においては、第１のリンク１ａに対する第２のリンク１ｂの位置、第２のリンク１ｂに対する第３のリンク１ｃの位置、第３のリンク１ｃに対する第４のリンク１ｄの位置と、順次先端側のリンクの位置が制御されることにより、手先の位置が制御され、この手先において先端ツール機構５によって把持したワークを所定の位置に搬送することができる。

そして、このロボット装置においては、以下に示す本発明に係るロボット装置の制御方法が実行されることにより、カメラ６のレンズの光軸に対して作業対象１０１の計測面が垂直となるように、マニピュレータ１が自動制御される。

図２は、本発明に係るロボット装置の構成を示す斜視図である。

このロボット装置は、図２に示すように、作業対象１０１が載置される作業台の近傍などの所定の位置に大まかに設置されると、初期動作として、位置補正を自動的に行う。すなわち、コンピュータ３は、マニピュレータ１を制御して、作業対象１０１が設置された平面１０２と同一平面上にあり、かつ、一直線上にない少なくとも３箇所１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの接触点に対して、マニピュレータ１の手先を接触させ、各接触点１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの位置を検出する。この平面１０２は、実在するひとつながりの平面である必要はなく、作業対象１０１の載置部及び各接触点１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを通る仮想平面であってもよい。このとき、コンピュータ３は、接触検出手段７により、手先と各接触点１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃとの接触を検出し、各接触点１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの位置を検出する。

次に、コンピュータ３は、３箇所以上の接触点１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの位置に基づいて、平面１０２の傾き及び高さ位置を計測する。

そして、コンピュータ３は、カメラ６のレンズの光軸を平面１０２に対して垂直として、このカメラ６により、平面１０２上に設けられたマーカ１０３を撮像する。このマーカ１０３は、平面１０２に垂直な方向から撮像した場合の形状が予め記憶されており、また、作業対象１０１に対する相対位置が、予め設定され記憶された所定の位置となっている。なお、このマーカ１０３は、作業対象１０１そのものであってもよい。

次に、コンピュータ３は、カメラ６により撮像されたマーカ１０３の画像を画像処理して、マーカ１０３の平面１０２上における位置及び回転方向を計測する。コンピュータ３は、ここまでの動作を初期動作として自動的に行い、計測された平面１０２の傾き及び高さ位置と、この平面１０２上におけるマーカ１０３の位置及び回転方向に基づいて、作業対象１０１の位置を算出できる状態となる。

そして、コンピュータ３は、平面１０２の傾き及び高さ位置と平面１０２上におけるマーカ１０３の位置及び回転方向に基づいて、作業対象１０１の位置を算出し、マニピュレータ１を制御して、作業対象１０１に対する作業を実行する。

図３は、本発明に係るロボット装置の動作を示すフローチャートである。

すなわち、このロボット装置は、図３のフローチャートに示すように、ステップｓｔ１で位置補正を開始すると、ステップｓｔ２に進み、平面１０２上の一つの接触点に向けてマニピュレータ１の手先を移動させる。次に、ステップｓｔ３に進み、マニピュレータ１の手先が接触点に接触したことを検出し、ステップｓｔ４に進む。ステップｓｔ４では、接触点に接触した手先の位置（座標）を接触点の位置（座標）として記憶する。

次に、ステップｓｔ５に進み、３箇所以上の接触点の位置（座標）を記憶したか否かを判別し、３箇所以上の接触点の位置（座標）を記憶していればステップｓｔ６に進み、３箇所以上の接触点の位置（座標）を記憶していなければステップｓｔ２に戻る。

ステップｓｔ６では、３箇所の接触点の位置（座標）に基づいて、平面１０２の高さ位置及び傾きを算出し、ステップｓｔ７に進む。ステップｓｔ７では、カメラ６のレンズの光軸を平面１０２に対して垂直とし、ステップｓｔ８に進む。ステップｓｔ８では、カメラ６により、平面１０２上のマーカ１０３を撮像し、ステップｓｔ９に進む。ステップｓｔ９では、撮像されたマーカ１０３の画像に基づいて、平面１０２上におけるマーカ１０３の位置及び回転方向を算出し、ステップｓｔ１０に進む。

ステップｓｔ１０では、計測された平面１０２の傾き及び高さ位置と、この平面１０２上におけるマーカ１０３の位置及び回転方向に基づいて、作業対象１０１の位置を算出すし、ステップｓｔ１１に進む。ステップｓｔ１１では、位置補正を終了する。

このようにして位置補正が完了した状態においては、このロボット装置は、作業対象１０１の位置を正確に認識しているので、この作業対象１０１に対するマニピュレータ１による作業を行うことができる。

本発明に係るロボット装置の構成を示す模式的な側面図である。 本発明に係るロボット装置の構成を示す斜視図である。 本発明に係るロボット装置の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ マニピュレータ
３ コンピュータ
４ ロボット基台部
５ 先端ツール機構
６ カメラ
７ 接触検出手段
１０１ 作業対象
１０２ 平面
１０２ａ 接触点
１０２ｂ 接触点
１０２ｃ 接触点
１０３ マーカ
１０４ 作業台

Claims (2)

1. ６自由度以上のマニピュレータを有し、マニピュレータの手先位置に接触検出手段及び撮像手段を有するロボット装置であって、
   前記マニピュレータの動作を制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、初期動作として、作業対象が設置される平面と同一平面上にあり、かつ、一直線上にない少なくとも３箇所の接触点に対して、前記マニピュレータの手先を接触させ、前記接触検出手段により接触を検知して、前記３箇所以上の接触点の位置を検出し、
   前記３箇所以上の接触点の位置に基づいて、前記平面の傾き及び高さ位置を計測し、
   前記撮像手段の光軸を前記平面に対して垂直として、この撮像手段により前記平面上に設けられたマーカを撮像し、
   前記撮像手段により撮像された前記マーカの画像を画像処理して、前記マーカの前記平面上における位置及び回転方向を計測しておき、
   次に、前記制御手段は、前記平面の傾き及び高さ位置と、この平面上における前記マーカの位置及び回転方向に基づいて、前記マニピュレータを制御する
   ことを特徴とするロボット装置。
2. ６自由度以上のマニピュレータを有しマニピュレータの手先位置に接触検出手段及び撮像手段を有するロボット装置の制御方法であって、
   作業対象が設置される平面と同一平面上にあり、かつ、一直線上にない少なくとも３箇所の接触点に対して、前記マニピュレータの手先を接触させ、前記接触検出手段により接触を検知して、前記３箇所以上の接触点の位置を検出し、
   前記３箇所以上の接触点の位置に基づいて、前記平面の傾き及び高さ位置を計測し、
   前記撮像手段の光軸を前記平面に対して垂直として、この撮像手段により前記平面上に設けられたマーカを撮像し、
   前記撮像手段により撮像された前記マーカの画像を画像処理して、前記マーカの前記平面上における位置及び回転方向を計測しておき、
   次に、前記平面の傾き及び高さ位置と、この平面上における前記マーカの位置及び回転方向に基づいて、前記マニピュレータを制御する
   ことを特徴とするロボット装置の制御方法。

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