JP5442457B2 - 位置の突き止め - Google Patents

Description

本発明は、特に、ロボット、特に幾つかの自由度を備えたロボット並びにロボットの位置を突き止める方法及び装置に関するが、本発明は、可動装置にも利用できる。

産業界においてロボットが広く用いられている。典型的には、ロボットは、６つの自由度を有し、例えば、ロボットは、２本の互いに直交した軸線回りに回転できるよう一端がベースで支持された上側アームと、上側アームの他端に枢着された状態で上側アームに対して回転でき、しかもそれ自体の長手方向軸線回りに回転できる下側アームと、２本の互いに直交している回転軸線を備えたジンバル式リスト機構体（wrist mechanism）とから成っている。これら数本の回転軸線は、一例として与えられているに過ぎず、他のロボットは、別の個数の自由度を有し、例えば、１つのアームコンポーネントが伸縮自在又は入れ子式であっても良い。全ての自由度における運動は、それぞれのモータ、例えばサーボモータにより生じる。ロボットは、アームの端部を所望の位置まで動かすようプログラムされているのが良く、かかる位置は、各アーム要素の運動、例えば各回転軸線回りの角度回転により決定される。これら運動は、モータの回転数から決定されても良く又はエンコーダを用いることにより測定されても良い。既存のロボットに関する問題は、これらロボットのプログラムされた位置及びこれらの作業環境内におけるこれらの実際の又は絶対的位置が互いに異なるということにある。プログラムされた位置は、ロボットの各関節の角度位置によって定められる。図１に示す自由度が６つのロボットの場合、これは、各プログラムされた位置について６つの値に対応している。この場合、ロボットコントローラは、６つ全てのサーボモータを協調させて各関節の指令された位置を達成する。したがって、ロボットは、常に、そのプログラムされた位置に進むが、これは正確に行われ、外部の絶対的な組をなす軸線に対する位置は、様々である場合がある。

このばらつきは、次の種々の要因で生じる。
ａ）環境の温度が関節運動アーム要素の長さに影響を及ぼす。
ｂ）温度勾配がサーボモータからの熱の放散から生じ、かかる温度勾配は、ロボットのデューティーサイクルで決まり、又、温度勾配は、関節運動アーム要素を膨張させるだけでなく、これらの長さに沿う強い不均一な熱の分布によりこれらアーム要素を変形させる傾向がある。
ｃ）ロボットの剛性が不足しており、その結果、ロボットの端部のところに加えられた互いに異なる荷重が互いに異なる撓みを生じさせる。

上述の理由の全てについて、ロボットアームのプログラムされた実際又は「絶対」位置は、１日のうちの異なる時点で異なることになる。用途によっては、結果的に生じる位置のばらつきは問題ではないが、用途によっては、絶対位置を求める必要がある。

公知の技術は、レーザ追跡装置又は高精度カメラを用いて周囲セルに対するロボットの実際の位置を突き止めることである。これら両方の方法は、ロボット及びセルに設けられた標的を用いてこれらの絶対位置を突き止める。これら方法に関する問題は、ロボットの端部がその動作サイクルの一部の間、見えない場合があるということにある。というのは、かかるロボット端部は、レーザ追跡装置又はカメラの直接的な視界から隠される場合があるからである。この問題に取り組むため、ロボットは、そのサイクルの可視的部分で且つそのサイクルの非可視的部分にわたり絶対位置について「較正され」又は「補正され」る場合があり、位置の誤差は、複雑な数学的モデル化を用いて推定される。この推定により、モデルにおいて行われる仮定により不正確さが生じる。

本発明によれば、基準系内で動くことができる要素の位置を突き止める装置であって、多数の第１の標的が、可動要素に対して固定されており、多数のベース要素が、基準系に対して固定された位置に設けられており、この装置は、可動要素と共に動くことができる手段を備えた測定システムを有し、測定システムは、ベース要素のうちの少なくとも幾つかに対する可動要素の位置を突き止めると共に可動要素の位置に対する第１の標的のうちの少なくとも幾つかの位置を突き止める手段を有することを特徴とする装置が提供される。

好ましくは、測定システムは、光学測定システムである。測定システムの可動手段は、可動要素に連結されても良く、別々に支持されても良いが、可動要素の付近の範囲内に保持される。

本発明の別の観点では、ロボットアームの端部の位置を突き止める装置であって、ロボットアームは、幾つかの自由度を有し、ロボットアームは、ベースに取り付けられ、ロボットアームは、リスト機構体を有し、リスト機構体は、回転支持要素を有し、ベース要素は、ロボットのベースの周りに位置し、第１の標的は、回転支持要素の周りにアーム標的として配置され、光学手段は、光学手段に対するベース要素のうちの少なくとも幾つかの位置及び光学手段に対するアーム標的のうちの少なくとも幾つかの位置を突き止めることができるようロボットアームに取り付けられ又はロボットアームに隣接して設けられていることを特徴とする装置が提供される。

かくして、アーム標的（これらは、固定されていない）の位置をベース要素（これらは、固定されている）に対して測定することができ、これらの測定のための位置突き止め手段は、それ自体アームと共に動く。位置突き止め手段は、好ましくは、光学システムであるが、但し、これに代えて、例えば、超音波システム又は赤外線システムであっても良い。

この装置により、既存のロボットは、絶対位置精度を達成することができる。かかる装置は、任意形式の関節形ロボットに取り付け可能である。かかる装置により、ロボットアームの絶対位置をその軌道全体に沿って且つその実際の作業条件下において測定することができ、この場合、数学的又は他のモデル化を必要としない。アレイ状に配置されたアーム標的をロボットのリスト機構体を支持した回転軸線回りに取り付けることにより、６軸ロボットを効果的に２台のロボット、即ち、４軸ロボット及び４軸ロボットの端部に取り付けられた２軸ロボット（リスト機構体が２本の軸線を提供することを仮定している）に効果的に分解される。アーム標的は、この２軸ロボットのベースに取り付けられる。これにより、少なくともこの２軸ロボットのベースが例えばレーザ追跡装置又は写真測量カメラシステムの適当な配置によって常時見えるので、直視の大きな問題が解決される。

ベース又は可動要素（ロボットアーム）と関連した標的又は要素は、用いられる測定システムで決まる。例えば、再帰反射器がレーザ追跡装置と組み合わせて用いられ、写真測量標的又はＬＥＤがカメラ利用システムと関連し、或いは、測定システムは、エミッタとレフレクタとの間の信号、例えば光パルスの伝搬時間に基づいて距離を測定することができる。

また、理解されるべきこととして、「リスト機構体」という用語は、多くの自由度を提供するより複雑な機構体を含む場合がある。例えば、リスト機構体に代えて、高精度熱補償式軽量測定又は溶接ロボットを用いても良く、測定又は溶接ロボットは、回転支持要素に剛結される。回転支持要素をリスト機構体のベース又はＡ４回転要素という場合があり、というのは、かかるＡ４回転要素により、リスト機構体（又はどのような機構体がどのＡ４回転要素に連結されるにせよ、その機構体）をＡ４軸線回りに回転させることができるからである。本装置により、リスト機構体のベースの絶対位置を常時高精度で且つ実際の作業条件下において突き止めることができる。ロボットアームの端部又はツールの位置を推定することができる。というのは、上述の要因に起因して生じるばらつきは、極めて小規模のものであり、かかるばらつきを計算し、較正し又は測定することができるからである。したがって、「リスト機構体」は、幾つかの自由度をもたらし、確かに、かかるリスト機構体は、例えば、６軸ロボットアームであるのが良い。

光学手段は、ロボットアームに固定されたレーザ追跡装置又は写真測量カメラを含むのが良く、或いは、この光学手段は、かかる光学手段がロボットアームアームに隣接して位置したままであるようにするよう構成された別のアーム機構体によって支持されても良い。この構成は、死角を有する場合があるが、かかる死角のところで絶対位置精度が必要ではない場合、この欠点は、問題ではなく、或いは、光学手段の位置を調節してかかる死角を回避することができる。好ましい一実施形態では、ベース要素は、ベース標的であり、この場合、光学手段は、レーザ追跡装置から成るのが良い。これに代えて、光学手段は、１つ又は２つ以上のカメラから成っていても良い。したがって、別の実施形態では、光学手段は、アーム標的を視認する少なくとも１つのカメラ及びベース標的を視認する少なくとも１つのカメラから成る。別の実施形態では、ベース要素は、ベースカメラから成り、この場合、光学手段は、少なくとも１つの標的及びアーム標的を視認する少なくとも１つのカメラから成る。どの実施形態においても、光学手段は、好ましくは、リスト機構体のベースが取り付けられたアーム要素又は光学手段がロボットアームのこの部分に隣接して位置したままであるようにするよう構成された別のアーム機構体に取り付けられる。光学手段をこの場所に取り付けることにより、アーム標的のうちの少なくとも幾つか及びベース要素のうちの少なくとも幾つかが常時見えるようになり、したがって死角が生じないようになる。

本発明は又、別の観点では、かかる装置を用いて可動要素又はロボットアームの端部の一部を突き止める方法を提供する。

ベース標的は、好ましくは、再帰反射器を含み、ベース標的は、好ましくは、支持構造体、好ましくは熱膨張率の小さい支持構造体に取り付けられる。同様に、アーム標的は、好ましくは、再帰反射器を含み、好ましくは、アーム標的は、リスト機構体に取り付けられた支持構造体、好ましくは熱膨張率の小さい支持構造体に取り付けられる。いずれの場合においても、標的は、球形再帰反射器を有するのが良い。かかる再帰反射器は、レーザ追跡装置と併用するのに適している。

理解されるように、レーザ追跡装置は、極めて正確な位置情報を提供することができるが、種々の位置の測定値を非常に迅速には取ることができず、カメラ手段は、実質的にリアルタイムで且つ連続的に多くの互いに異なる位置の観察を行うことができるが、有用な位置情報を提供するには較正されなければならない。カメラ手段は、好ましくは、少なくとも４つのカメラ、即ち、ベース標的のうちの少なくとも幾つかの立体視的画像を提供するよう構成された２つのカメラ及びアーム標的のうちの少なくとも幾つかの立体視的画像を提供するよう構成された２つのカメラから成る。装置がレーザ追跡装置とカメラ手段の両方を利用する場合、全てのアーム標的の相対位置が正確に知られている限り、レーザ追跡装置により観察されたアーム標的がカメラ手段によって観察されたアーム標的とは異なっていても良く、同じことは、ベース標的について当てはまる。

次に、添付の図面を参照して本発明を詳細に且つ具体的に説明するが、これは例示であるに過ぎない。

先行技術のロボットの斜視図であり、自由度を示す図である。 レーザ追跡装置を示す図である。 ベース標的を有する本発明のベースリングを示す図である。 アーム標的を有する本発明のアームリングを示す図である。 図４のアームリングが取り付けられたアーム端部の断面図である。 本発明の装置を備えたロボットアームを示す図である。 図６のロボットアームの改造例を示す図である。 図６のロボットアームの別の改造例を示す図である。

図１を参照すると、本発明と関連した関節形ロボット１０の基本構成要素は、ベース１１、第１の関節運動アーム１２、第２の関節運動アーム１３、回転可能なアーム端部１４及び代表的にはツール又はプローブ（図示せず）を端部１６に支持したリスト機構体１５である。第１のアーム１２は、垂直軸線Ａ１及び水平軸線Ａ２回りに回転することができ、第２のアームは、第１のアーム１２に対して水平軸線Ａ３回りに回転することができ、関節１７が、第２のアーム１３の長手方向軸線回りのアーム端部１４の回転Ａ４を可能にし、リスト機構体１５は、２本の互いに直交する軸線Ａ５，Ａ６回りの端部１６の回転を可能にする。かかるロボット１０は、公知のものである。１つ又は２つ以上のかかるロボットが、作業場又はセル内に設置されている場合がある。

いま参照する図２、図３及び図４は、例えば図１に示されているようなロボットが絶対精度を達成することができるようにする本発明の装置の構成要素を示している。この装置１８は、本質的には、３つのアイテム、即ち、図２に示されているレーザ追跡装置２０、球形再帰反射器標的３２を備えた図３に示されているベースリング３０及び球形再帰反射器標的４２を備えた図４に示されているＡ４軸線アームリング４０から成っている。

次に図２を参照すると、レーザ追跡装置２０は、レーザビーム２４を放出するレーザヘッド２２を有している。レーザヘッド２２は、これが仰角軸線２７回りに回転することができるようフレーム２３内に支持されており、フレーム２３は、これが方位角軸線２６回りに回転することができるようベースユニット２５上に支持されている。それ故、レーザヘッド２２を回すと、レーザビーム２４を任意所望の方向に送ることができる。レーザヘッド２２は、レーザビーム２４が適当な標的によって戻された場合、反射したレーザビーム２４を検出し、ヘッド２２と標的の中心との間の距離が、レーザ干渉分光法を用いて非常に正確に測定される。それ故、レーザ追跡装置２０により、標的の位置（レーザ追跡装置２０に対する位置）を球座標系で正確且つ効率的に突き止めることができる。標的は、種々の形状を有することができるが、図３及び図４に示されているように、一構成例では、凸球形標的３２，４２が用いられる。

次に図３を参照すると、ベースリング３０は、球形再帰反射器標的３２が取り付けられているスペースフレーム３４で構成されている。スペースフレーム３４は、熱膨張係数の非常に小さな材料、例えばＮＩＬＯ３６（登録商標）又はＩＮＶＡＲ（登録商標）鋼材料で作られており、したがって、標的３２相互間の位置関係は、温度の変化によっては影響を受けず、その構造は、剛性を保証している。ベースリング３０は、好ましくは、ロボット１０のベース１１を包囲するようロボットセルのフロア上に設置されている。標的３２は、スペースフレーム３４に永続的に固定されるのが良いが、この例では、標的３２は、取り外し可能であり、標的３２が磁気的に引き付けられる円錐形カップ３３内に入り込む。この例では、ベースリング３０は、３つの下方に突き出た脚部３６によって支持され、これら脚部の下面は、円錐形凹部を備えており、これら脚部は、フロアに永続的に固定されるのが良い先端がボール形の支持ロッド３８上に載っている。それ故、ベースリング３０を取り外すことができ、取り付け箇所３６，３８は、リング３０に機械的応力を生じさせない。この実施形態では、ベースリング３０は、セルフロアに取り付けられるものとして説明されるが、天井又は壁取り付け型リング及びロボットベースを変形例として用いても良い。ベースリングは、ロボットベースそれ自体に取り付けられても良い。いずれの場合においても、取り付け方法は、次の２つの要件を満たさなければならない。
１．ベースリング３０が取り付けられる表面は、セルに対して熱的に又は機械的に動いてはならない。
２．取り付け部は、リング３０を変形させ、このリングに取り付けられた標的３２相互間の位置関係を変える機械的応力をリング３０中に生じさせない。

ベースリング３０は、固定されても良く又はその支持ロッド３８から取り外し可能であっても良い。ベースリングが取り外し可能である場合、支持ロッド３８は、ベースリング３０の脚部３６と支持ロッド３８との間に確実な位置関係が常時生じるよう磁気的であるのが良い。

次に図４〜図６を参照すると、Ａ４軸線アームリング４０（特に図４を参照されたい）は、球形再帰反射器標的４２が取り付けられたスペースフレーム４４（これは、この例では中空リングであるのが良い）で構成されている。スペースフレーム４４は、熱膨張率が非常に小さい材料、例えばＮＩＬＯ３６（登録商標）又はＩＮＶＡＲ（登録商標）鋼で作られ、したがって、標的４２相互間の位置関係は、温度の変化によっては影響を受けないままであるようになっている。図５に示されているように、Ａ４軸線リング４０は、ロボット１０のアーム端部１４を包囲しており、かかるＡ４軸線リングは、このＡ４軸線リングを変形させ、これに取り付けられている標的４２相互間の位置関係を変える機械的応力をＡ４軸線リング４０に生じさせない仕方でアーム端部１４に取り付けられている。この例では、Ａ４軸線リング４０は、３つの先がボール形のピン４５を用いてアーム端部１４に取り付けられており、これらピンは、アーム端部１４に設けられたねじ山付き凹部内に対応関係をなしてねじ込まれるねじ山付き部分を一端に備えている。各ピン４５の外側端部は、スペースフレーム４４を通って半径方向管４６内に嵌まり込んでおり、ピン４５の直径は、管４６の直径よりも僅かに小さい。取り付けの際、ピン４５を管４６に挿入し、アーム端部１４の本体にねじ込む。ピン４５のボール形端部は、隙間を最小限に抑えた状態で又は生じない状態で（図５に示されているように）管４６の壁に係合する。

この例では、スペースフレーム４４の周りに取り付けられた標的４２が８つ存在する。図４に示されているように、各標的４２は、スペースフレーム４４に固定された円錐形カップ４８内に嵌まり込んでいる。カップ４８は、磁性材料のものであり、したがって、標的４２は、しっかりと且つ確実に定位置に保持されるが、必要ならばこれを取り出すことができる。

本装置は、１台又は２台以上のロボットが納められているセル内で使用できる。セル内に絶対位置軸線を定めるため、当初、標的（例えば、標的再帰反射器３２のような標的）をセルのフロア上に少なくとも３つの非同一直線上位置で取り付け、したがって、絶対Ｘ‐Ｙ平面を定め、Ｚ軸は、この平面に直交しているのが良く、原点は、標的のうちの１つのところ（又は、平面内の任意所望の位置のところ）に位置するのが良く、Ｘ軸及びＹ軸は、この平面内において任意所望の仕方で、例えば、磁針方向により定められるのが良い。図６に示されているように、ベースリング３０は、１台のロボット（又は各ロボット）１０のベース１１の周りに配置される。次に、レーザ追跡装置２０又はこれと均等な測量装置、例えばレーザセオドライトにより、フロアの平面（Ｘ‐Ｙ平面）をフロア上の標的の配置場所から決定することができ、ベースリング３０上の標的３２の各々の正確な配置場所をＸＹＺ軸線に対して求めることができる。２台以上のロボット１０が存在する場合、ベースリング３０を各ロボット１０のベースの周りに永続的に配置するのが良く、或いは、変形例として、各ロボット１０の周りに３つの支持体３８を配置しても良く、そして単一のベースリング３０を１台のロボット１０の周りから別のロボットの周りまで移送するのが良い。いずれの場合においても、各ベースリング３０の配置場所のところへの標的３２の正確な配置場所は、セルの絶対座標系に対して決定される。

次に、レーザ追跡装置２０をロボット１０の第２の関節運動アーム１３に取り付ける。ロボットアームの位置を突き止める場合、レーザ追跡装置２０は、先ず最初に見えるベースリング３０上の標的３２を見て、次に、見えるＡ４軸線リング４０上の標的４２を見るようプログラムされている。それ故、ロボット１０上のＡ４軸線リング４０の位置と対応のベースリング３０との間の関連が定められ、ベースリング３０の位置は、絶対座標系で既に知られている。

理解されるように、事実、ロボット１０のためのコンピュータ制御装置は、上述のばらつきの源を無視して、ロボットアームが位置すべき場所を知っており、したがって、レーザ追跡装置２０をコンピュータ制御装置に関連付けることができ、その結果、レーザ追跡装置２０は、標的３２，４２をランダムに捜す必要はなく、これとは異なり、レーザ追跡装置２０を標的が位置すべき場所に誘導することができるようになっている。事実、レーザ追跡装置２０は、標的３２又は４２の中心への正確な方向を見出す上で大まかに捜すことしか必要としない。

理解されるように、この手順により、Ａ４軸線アームリング４０の絶対位置を常時且つ実際の作業条件下において、考えられる限り最も高い精度で測定することができ、このＡ４軸線アームリングは、効果的には、ロボット１０の残りのコンポーネントのうちのベースであり、即ち、２つの回転軸線を備えたリスト機構体１５である。いまや、端部１６の位置又はロボット１０に取り付けられているツールの位置が突き止められるべきである。依然として熱膨張という同一の問題が存在するが、これはかなり減少した規模のものとなっている。というのは、このリスト機構体１５の長さは、ロボット１０の全長のうちの僅かな割合だからである。これは、６軸ロボットの元々の問題よりも非常に解決しやすい問題である。環境温度に起因する熱的変化は、そのサイズが小さいので、補償を全く行うことなく、大幅に減少する。

第２に、代表的には、ロボット１０のこの部分にはモータが設けられておらず、したがって、モータに起因する熱的影響は存在せず、モータが存在している場合であっても、電力は、ロボットアームに設けられている他のモータの場合よりも非常に僅かであり、それ故、熱の放散に関する問題は、非常に軽減されている。最後に、剛性不足に起因する問題は、実質的になくなっており、その理由は、リスト機構体１５は、ロボット１０と比較して非常に剛性が高く、しかも撓む長いアームは存在せず、しかも関節が２つしか設けられていないからであり、いずれの場合においても、リスト機構体は、荷重印加箇所の近くに位置している。

Ａ４軸線アームリング４０上の標的４２に対する端部１６の位置をロボット１０が依然としてセル内に位置するが、その実際の作業位置の外部に位置した状態で又はロボットがオフラインに配置された状態で突き止めることができる。これは、必要な精度に応じて多種多様な仕方で達成できる。

第１の方式では、例えば、ロボット１０が測定用途に供されるようになっている場合、リスト機構体１５及びアーム端部１４は、熱膨張率の小さい材料、例えばＮＩＬＯ３６（登録商標）又はＩＮＶＡＲ（登録商標）鋼で作られるのが良く、その結果、熱より影響は無視できる。初期セットアップ中、Ａ４軸線を固定状態に保持する。端部１６（又はこれに取り付けられているアイテム）の重要な幾何学的特徴の位置をリスト軸線Ａ５，Ａ６の多くの位置について（例えば、各軸線について１０°毎に）Ａ４軸線アームリング４０上の標的４２に対して測定する。測定は、レーザ追跡装置２０が標的４２と端部１６上に配置されている標的の両方を見ることができる起点としての位置にセットアップされたレーザ追跡装置２０によって行われる。次に、リスト軸線Ａ５，Ａ６の中間位置に関し、リスト軸線Ａ５，Ａ６と関連した角度位置エンコーダからの情報を用いてセットアップ中に得られた値相互間の補間により端部１６の位置を得ることができる。これらエンコーダの分解能が高ければ高いほど、端部１６の位置を突き止めることができる精度がそれだけ一層高くなる。この方法は、測定用途に特に適している。

第２の手順では、アーム端部１６及びリスト機構体１５から成る２軸ロボットを熱的に安定した材料で作ることができない場合、上述の手順を温度が例えば３℃刻みで例えば１６℃から３２℃まで変化する環境チャンバ内においてオフラインで繰り返すのが良い。この方法は、温度較正と呼ばれる場合がある。必要ならば、かかる較正は、或る範囲の互いに異なる荷重を用いても実施できる。

第３のしかも好ましい手順では、アーム標的４２に対する端部１６の位置をロボットサイクル中にオンラインで見出すことができる。このために、第２の（外部）レーザ追跡装置２０ａが、セル内に固定位置で配置されている（図６参照）。多数の再帰反射器又は写真測量標的が、端部１６上の重要な位置に又は端部１６周りに配置されている（これら位置は、オプションとして、ロボット１０によって支持されたアイテム上に位置していても良い。ただし、このアイテムの位置を突き止めようとすることは条件である）。ロボット１０が当初、その作業位置にあり、このロボットが位置が突き止められるべき荷重を支持しており、荷重がこの作業位置では少なくとも部分的に隠されていると仮定する。第１ステップでは、絶対基準系に対する目に見える標的４２の位置を上述したように突き止め、Ａ４軸線、Ａ５軸線及びＡ６軸線の正確な位置を記録する（エンコーダ又は制御システムから）。

第２ステップとして、ロボット１０は、次に、端部１６を動かして（同種の荷重又は同一の荷重と共に）静止状態のレーザ追跡装置２０ａに対面し、これは、作業領域に隣接して位置する較正領域内であるのが良い。Ａ４軸線及びリスト軸線Ａ５，Ａ６の向きは、これらが作業位置にあるときに取っていた位置を取るよう定められている。静止レーザ追跡装置２０ａを軸線Ａ４及びリスト軸線Ａ５，Ａ６がたとえどのように関節連結されていても、端部１６に取り付けられた標的が常に見えるようにするよう設置する。

この外部レーザ追跡装置２０ａは、ベースリング３０上の標的３２（又はフロア上の既知の位置に存在する他の標的）を視認し、次に端部１６上の標的を視認するようプログラムされている。それと同時に、アーム１３に取り付けられているレーザ追跡装置２０は、Ａ４軸線アームリング４０上の標的４２及びベースリング３０上の標的３２を視認するようプログラムされている。レーザ追跡装置２０，２０ａの両方が同一の絶対座標系に関連しているので、端部１６に取り付けられている標的の位置は、それ故に、絶対基準系で突き止められ、アームリング４０上の標的４２の位置も又、絶対基準系で突き止められ、それ故、端部１６に取り付けられている標的と標的４２との間の相対位置をＡ４軸線及び２本のリスト軸線Ａ５，Ａ６のこの特定の構成の場合に容易に計算することができる。これら相対位置と第１のステップで見出された標的４２の絶対位置を組み合わせることにより、ロボット１０がその作業位置に位置しているとき、端部１６に取り付けられている標的の絶対位置を容易に計算することができる。

この「セル内に位置するが作業状態にはない位置」の較正が完了した後、ロボットは、引き続きその作業位置を取り続け、必要な仕事を行うことができる。この手順を端部１６に取り付けられている標的に対して説明したが、これは、荷重上の重要な位置に取り付けられた標的にも同様に利用できる。

この手順を多くの環境温度で繰り返すのが良く、その結果、これら温度について上述の相対位置を較正し、この場合、第２のレーザ追跡装置２０ａは、後で必要となることはないであろう。変形例として、かかる手順を端部１６（又はこれによって支持されたアイテム）の正確な位置を突き止めるべきあらゆる場合に実施しても良い。

理解されるように、上述の説明は、例示として提供されているに過ぎず、本発明の装置及び方法を種々の仕方で改造することができる。例えば、幾つかの互いに異なるロボットが稼働している作業環境又はセル内に、専用レーザ追跡装置２０を各ロボット１０に取り付ける（上述したように）ことができる。別法として、単一のかかるレーザ追跡装置２０を設けても良く、これは、互いに異なるロボット１０相互間でサイクル稼働される。このように、レーザ追跡装置２０のコストは、互いに異なるロボット相互間で分担され、したがって、その費用は、設置における決定的な要因ではなくなる。１台のロボットの絶対位置をいったん突き止めると、レーザ追跡装置２０を自動的に１台のロボットから別のロボットに移すのが良い。セル内におけるロボットの台数に応じて、サイクル時間は、ざっと約１時間である。条件（及び熱的影響に起因する関連の位置の変化）は、通常、１時間以内で大幅に変化することは見込まれていない。ロボットセル内におけるこのデータ収集サイクルを例えば１週間に延長することができ、この場合、レーザ追跡装置を手作業で又は自動的に別のセルに移すことができる。

本発明の絶対位置決め装置１８は、新しいロボット設計の一体的特徴部として設計され又は既存の関節形ロボットにレトロフィットできることは理解されるべきである。この装置は、あらゆるロボットの絶対位置をロボットセル内においてこれらの実際の作業条件下で且つこれらのエンベロープ全体にわたり測定により求めるので、ロボットの絶対位置を推定するための数学的モデル化が不要である。装置１８は、その性能（ペイロード能力、エンベロープ範囲、速度及び精度）を低下させないで、ロボットの絶対位置を突き止める。かかる装置により、これを達成し、セル内のあらゆるロボットについてセットアップすることができ、その結果、全てのロボットがセル内の同一の絶対基準系に関連付けられるようになる。

別の変形例では、標的は―再帰反射器標的であれ写真測量標的であれいずれにせよ―リング又はフレーム構造を用いないでロボット１０のＡ４軸線アーム（アーム端部１４）又はベース１１に直接取り付け可能であり、確かに、ベース標的をロボットベースそれ自体として同一の表面（例えば、フロア）上に設置することができる。或る用途に関し、これは、精度が許容限度内のシステムを提供することができる。それにもかかわらず、熱的に安定した材料で作られたベース１１の周りにスペースフレーム３４を用いることにより次のような利点が得られ、即ち、標的３２がセルに対して固定された位置のままであるようになり、それにより各ロボットについて絶対局所基準系が提供される。アーム標的４２を支持するスペースフレーム４４を設けることは、精度全体にとって重要度は低い。というのは、これら標的４２の正確な位置は、ベースリング３０上の標的３２に対してレーザ追跡装置２０によって測定されるからである。

また、理解されるように、アーム標的及びベース標的は、種々の形式の再帰反射器、例えば中空球体内に収容された再帰反射器（３つの互いに直交したミラーで作られたコーナキューブ）を含む球面取り付け型再帰反射器を有することができる。別の形式の標的は、直径及び光学的性質が互いに異なる２つの半球体で作られている「キャッツアイ（cat's eye）」と市場において知られている球面再帰反射器又は例えばピーエルエックス・インコーポレイテッド（PLX Inc.）（米国所在）により製造されているハードマウント型（hard mounted）中空再帰反射器であって良い。どのような形式の標的を用いるにせよ、かかる標的は、これらの相対位置を従来型測定機器により容易に測定できるような仕方で設けられる。

上述の手順により、ロボットアーム１０の位置をこれが作動中に辿る軌道に沿って正確に測定することができる。しかしながら、レーザ追跡装置２０は、測定値を取るのが遅く、ロボットアーム１０は、レーザ追跡装置２０がその測定値を取ることができるよう互いに異なる各位置で数秒間停止しなければならない場合がある。レーザ追跡装置２０は又、比較的高価なアイテムである。それ故、レーザ追跡装置２０を較正段階中に用い、その後カメラ、例えば高速写真測量カメラを用いて通常の作動中、アーム位置を測定することが好ましい場合があり、カメラは、適当に較正されている。理解されるように、カメラは、幾つかのアイテムを実質的に同時に視認することができ、立体視的情報を一対のカメラの使用により得ることができる。

次に図７を参照すると、これは、図６に示されている絶対位置決め装置１８の改造例６８を示しており、同一のコンポーネントは、同一の参照符号で示されている。図６の場合と同様、ベースリング３０は、ロボット１０のベース１１を包囲するよう設けられており、Ａ４軸線アームリング４０が、ロボット１０のアーム端部１４を包囲した状態でこれに取り付けられており、ベースリング３０及びアームリング４０は、各々、数個の球面再帰反射器標的３２又は４２を支持している。この装置６８では、ベースリング３０は、この周りに固定位置で数個の写真測量カメラ７２を更に支持しており、アームリング４０は、各々が正確に円筒形の周囲を離れた先端部が平らな円形ヘッドを備えたピンから成る数個の写真測量標的７４を更に支持しており、これらは全て、既知の位置でアームリング４０に固定されている。ベースリング３０上の標的３２とカメラ７２の相対位置を従来型測定器により測定することができる。

図６の場合と同様、レーザ追跡装置２０は、ロボット１０の第２の関節運動アーム１３に取り付けられるのが良い。加うるに、全体としてＬ字形の光学フレーム７６が、第２の関節運動アーム１３にしっかりと固定されており、このフレームは、３つの写真測量カメラ７８（Ｌ字形の各端部のところに１つずつ設けられると共にコーナ部（角）に隣接して１つ設けられている）を支持している。光学フレーム７６は、円周方向リング上に配置された写真測量標的８２を支持した剛性円板８０を更に有する。光学フレーム７６は、熱膨張率が非常に小さい材料、例えばＮＩＬＯ３６（登録商標）又はＩＮＶＡＲ（登録商標）鋼で作られ、したがって、カメラ７８と標的８２の位置関係は、温度の変化によっては影響を受けないままであるようになっている。

次に図８を参照すると、これは、図６の装置１８及び図７の装置６８の変形例としての改良型装置８８を示しており、同一のコンポーネントは、同一の参照符号で示されている。図６及び図７の場合と同様、ベースリング３０が、ロボット１０のベース１１を包囲するよう設けられ、Ａ４軸線アームリング４０が、ロボット１０のアーム端部１４を包囲した状態でこれに取り付けられている。ベースリング３０及びアームリング４０は、各々、数個の球面再帰反射器標的３２又は４２を支持し、この装置８８では、これらは、各々、多数の円形写真測量標的７４を更に支持している。ベースリング３０上の標的３２と標的７４の相対位置及びアームリング４０上の標的４２と標的７４の相対位置は各々、従来型機器を用いて測定でき、これらは変化しない。

レーザ追跡装置２０をロボット１０の第２の関節運動アーム１３に取り付けるのが良い。ただし、これは通常の作動中用いられず、図示されていない。写真測量カメラユニット９０が第２の関節運動アーム１３に取り付けられている。写真測量カメラユニット９０は、円筒形ベースユニット９２とベースユニット９２に固定されていて、その長手方向軸線回りに回転可能なヨーク９３とから成っている。ベースユニット９２は、Ａ４軸線アームリング４０上の写真測量標的７４を視認するよう三角形のコーナ部（角）のところに配置された３つの写真測量カメラ９４を支持しており、同様に、ヨーク９３は、ベースリング３０上の写真測量標的７４を視認するよう三角形のコーナ部のところに配置された３つの写真測量カメラ９６を支持している。カメラ９４は、ベースユニット９２に対して適当な向きをなしてロックされ、カメラ９６は、ヨーク９３に対して適当な向きをなしてロックされている。ベースユニット９２は、ヨーク９３を回転させるモータ及びこの回転を測定する角度エンコーダを有し、使用にあたり、モータは、カメラ９６がベースリング３０を視認することができるようするためにヨーク９３をロボット１０の運動に従って回転させるために使用されるのが良い。

理解されるように、高速写真測量カメラ９４，９６は、従来技術、例えば直接較正又はTsais較正アルゴリズムを用いてモジュールとして較正できる。というのは、カメラ９４，９６は（各場合において）３つのステレオペアを提供するからである。例えば、カメラ９４及びカメラ９６は、相対位置が正確に知られている幾何学的形状の正確に刻まれた他端を有し、少なくとも３つの再帰反射器が取り付けられた標準型較正板を用いて較正できる。較正プロセスの際、較正板をカメラ９４の視野内に位置する（これらカメラを較正できる）種々の位置に配置し、次にカメラ９６の視野内の位置に配置し、いずれの場合においても、較正板の空間位置を別個に設けられた静止レーザ追跡装置２０ａによって突き止め、それにより較正基準系において再帰反射器及びかくして刻まれたパターンの位置を突き止める。較正基準系において突き止める。較正基準系は、カメラユニット９０のカメラ９４，９６の全てについて同一である。カメラ９６の較正は、ベースユニット９２に対するヨーク９３の多種多様な向きで（角度エンコーダによって定められる）、例えば１°〜１０°だけ異なる等間隔を置いた向きで実施される。次の動作では、カメラ９６によって視認されたベースリング３０上の標的７４の像により、較正基準系を絶対基準系に関連付けることができる。

上述したオフライン較正の別法として、カメラ９４，９６を使用に先立ってロボット１０に取り付けたときに較正しても良い。この場合、ロボット１０を或る１つの箇所から所望の作業軌道に沿って別の箇所に動かし、標的４２の位置を上述したように可動レーザ追跡２０によりベースリング３０に対して突き止める。アームリング４０上の写真測量標的７４の位置は、その結果、絶対基準系で分かる。各ロボット位置において、ヨーク９３上のカメラ９６をベースリング３０上の標的７４の像に基づいて較正することができる。同様に、アームリング４０上の標的７４の座標により、ベースユニット９２上のカメラ９４を較正することができる。ロボット１０を別の位置に動かし、ヨーク９３を必要ならば再調整し、プロセスを繰り返し実施する。この場合、較正座標系は、絶対座標系である。この較正手順は、較正と通常の作動の両方において同一の標的７４が用いられるという利点を有している。使用にあたり、較正が実施された位置相互間の補間を行うことにより適当な較正を推定することができる。

理解されるように、装置８８に関する上述した較正手順は、カメラ７２及びカメラ７８を較正するために適宜変更を施して装置６８に利用できる。円板８０上の写真測量標的８２は、この場合、ベースリング３０上のカメラ７２を較正するために用いられる。標的８２の絶対位置は、静止レーザ追跡２０ａにより突き止められ、この静止レーザ追跡装置は、ベースリング３０上に配置された標的３２の存在場所を突き止め、次に、光学フレーム７６又は円板８０上に配置された少なくとも３つの再帰反射器標的（図示せず）の存在場所を突き止める。写真測量標的８２に対するこれら再帰反射器標的の位置は、光学フレーム７６の構成の仕方によって既知である。

通常の作動にあたり、ロボット１０上のレーザ追跡装置２０は不要である。というのは、カメラ９４，９６により、Ａ４軸線アームリング４０の位置を絶対基準系で突き止めることができるからである。理解されるように、例えばカメラ９６の較正が回転中、５°毎のヨーク９３の向きで実施された場合、カメラ９６からの像をヨーク９３の向きとして（エンコーダによってモニタされる）がかかる値をいつ通過しても収集することができる。変形例として、エンコーダからのデータを用いて較正が実施された向き相互間を補間することにより任意の向きで像からの測定値を取っても良い。それ故、カメラ９４，９６により、Ａ４軸線アームリング４０の位置をロボット１０が動いているときに実質的に連続的に且つリアルタイムで突き止めることができる。このようにして得られた情報をチェックすることが必要な場合又は非常に正確な位置情報が特にロボット１０が動いていない間に必要な場合、レーザ追跡装置２０を装置１８に関して上述したように用いると、Ａ４軸線アームリング４０の位置を突き止めることができる。

理解されるように、装置１８，６８，８８は、例示として示されているに過ぎず、これら装置は、本発明の範囲内に属した状態で種々の仕方で改造することができる。具体的に言えば、各場合において、リスト機構体に代えて、小形且つ軽量の自律形ロボットアームを用いても良く、自律形ロボットアームは、回転支持要素に剛結される。事実、回転支持要素は、自律形ロボットアームの一部をなしても良い。主ロボット１０により、自律形ロボットアームを広い空間全体にわたって動かすことができ、又、任意所望の位置に保持することができる。かかる任意の位置において、自律形ロボットアームは、主ロボット１０とは別個独立に作動することができ、任意所望の位置では、自律形ロボットアームのベースの正確な位置を例えば図６に示されているレーダ追跡装置２０か例えば図８を参照して説明したカメラシステムかのいずれかの使用により絶対基準系で正確に測定することができる。

上述したように、Ａ４軸線アームリング４０上の標的４２に対する端部１６（例えば、ツール又はセンサ）の位置を求めるための較正は、外部レーザ追跡装置２０ａを利用するのが良い。変形例として、この較正は、絶対基準系に対して適当に較正され、端部１６を視認することができるよう外部に設けられたカメラシステム（カメラ９４と均等である）を更に利用しても良い。例えば、かかる較正カメラ構成をセル内の固定された位置に配置することができ、その結果、間隔を置いて、端部１６をこの位置に隣接した位置に持って来てツール又はエンドエフェクタが動いたか又は変形したかをチェックすることができるようになる。

別の改造例では、少なくとも１つのステレオペア（例えば、カメラ９４と均等である）から成るカメラシステムをロボットアームの端部１６に取り付けることができ、かかるカメラシステムをアームリング４０の位置に基づいて基準系に関して較正する。この較正は、エンドエフェクタの多種多様な向き（即ち、アームリング４０と端部１６との間の種々の回転軸線／関節連結部）について実施される。すると、これにより、非接触測定ロボットの設備が提供される。というのは、このカメラシステムをロボットによって動かしてアイテムを視認することができ、又、このアイテムの正確な配置場所をエンドエフェクタの各関節連結部のところの較正データ及びエンコーダ位置の使用により絶対基準系で容易に突き止めることができる。

Claims (14)

1. 基準座標系内で動くことができるロボットアームの端部の位置を突き止める装置であって、前記ロボットアームは、幾つかの自由度を有し、前記ロボットアームは、ベースに取り付けられ、前記ロボットアームは、リスト機構体を有し、前記リスト機構体は、回転支持要素を有し、前記装置は、前記ロボットアームの前記リスト機構体に対して固定された多数のアーム標的と、前記基準座標系に対して固定された位置に設けられた多数のベース要素と、を有し、前記装置は、また、前記ロボットアームと共に動く可動の光学手段を含む光学測定システムを有し、
   前記ベース要素は、ロボットのベースの周りに位置し、前記アーム標的は、前記リスト機構体の前記回転支持要素の周りに配置され、前記可動の光学手段は、前記ロボットアームに取り付けられ、前記光学測定システムは、前記可動の光学手段に対する前記ベース要素のうちの少なくとも幾つかの位置を突き止めると共に、前記可動の光学手段に対する前記アーム標的のうちの少なくとも幾つかの位置を突き止める手段、を有し、前記リスト機構体の絶対位置を求めることができる、装置。
2. 前記可動の光学手段は、レーザ追跡装置を含む、請求項１記載の装置。
3. 前記ベース要素は、ベース標的を有する、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ベース要素は、ベースカメラを有し、前記可動の光学手段は、少なくとも１つの標的及び前記アーム標的を視認する少なくとも１つのカメラを含む、請求項１記載の装置。
5. 前記ベース要素は、再帰反射器を含む、請求項３又は４記載の装置。
6. 前記ベース要素は、ベース要素支持構造体に取り付けられている、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の装置。
7. 前記ベース要素支持構造体は、３つの互いに間隔を置いて位置する支持要素上に載るよう構成されている、請求項６記載の装置。
8. 前記ベース要素は、前記ベース要素支持構造体に取り外し可能に取り付けられる、請求項６又は７記載の装置。
9. 前記アーム標的は、再帰反射器を有する、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の装置。
10. 前記アーム標的は、前記リスト機構体の周りに位置した状態でこれに取り付けられたアーム標的支持構造体に取り付けられている、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の装置。
11. 前記可動の光学手段は、前記リスト機構体の前記回転支持要素が取り付けられている前記ロボットアームの要素に取り付けられている、請求項２記載の装置。
12. 請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の装置を用いてロボットアームの端部の位置を突き止める方法。
13. 請求項１記載の装置を使用して、複数本のロボットアームの端部の位置を繰り返し突き止める方法であって、前記アーム標的、前記ベース要素、又は前記可動の光学手段を互いに異なるロボットアーム相互間で周期的に交換する、方法。
14. 基準座標系内で動くことができるロボットアームの端部の位置を突き止める方法であって、前記ロボットアームは、幾つかの自由度を有し、前記ロボットアームは、ベースに取り付けられ、前記ロボットアームは、リスト機構体を有し、前記リスト機構体は、回転支持要素を有し、多数のアーム標的が、前記リスト機構体に対して固定され、多数のベース要素が、前記基準座標系に対して固定された位置に設けられ、前記ベース要素は、前記ロボットアームのベースの周りに位置し、前記アーム標的は、前記リスト機構体の前記回転支持要素の周りに位置し、前記方法は、前記ロボットアームに取り付けられることにより、前記ロボットアームと共に動く可動の光学手段を備えた測定システムを利用するステップを有し、前記方法は、前記ベース要素のうちの少なくとも幾つかに対する前記可動の光学手段の位置を突き止めるステップと、前記可動の光学手段の位置に対する前記アーム標的のうちの少なくとも幾つかの位置を突き止めるステップを有し、かくして、前記基準座標系に対する前記ロボットアームの端部の位置を突き止めるステップを有する、方法。

Images