JP5549223B2 - ロボットの制御装置および制御方法、ロボットシステム - Google Patents
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Description
オンライン教示の方法として、例えば、作業者がロボットを誘導して実際の作業の動作や手順を教示する方法がある。オフライン教示の方法として、予め外部のパソコンなどで作業プログラムを作成して、それをロボットコントローラに転送して再生運転する方法がある。
しかし、オンライン教示では、ワークの位置決め誤差により、実際に教示した位置と再生運転時に作業する位置がずれる可能性がある。オフライン教示では、教示データの原点と実際のロボットの原点がずれている場合があり、教示点位置の補正が難しいという問題があった。
そこで、特許文献1には、オンライン教示で精度良く教示位置を教示する方法が開示されている。特許文献1は、ロボットエンドエフェクタ上にワークの位置検出をする位置検出センサを設け、この位置検出センサが位置検出領域に測定光を照射し、その位置検出領域から帰還する乱反射光や正反射光に基づいてワークの位置情報を取得するものである。
特許文献2および3は、(i)測定用動作ファイルに基づいてロボットを動かして、距離センサにより基準ワークをセンシングして測定距離を記憶した後、(ii)実ワークをセンシングして測定距離を求めて、その測定距離と基準ワークの測定距離との差から作業用動作ファイルを補正するものである。
特許文献4は、(i)ワークに対する距離センサの動きを予めティーチングすることによって基準データを測定し、(ii)この状態で作業手順と動作を教示し、(iii)ワーク交換時には距離測定センサでワークを3方向から測定して、基準データと比較して補正するものである。
特許文献5は、ワーク上の特定の点までの距離を非接触で計測する距離センサをロボットの手首に備える。その距離センサで計測される距離から得られる距離データを、視覚的イメージの指示経路に変換して画面上で表示し、操作員が指示する所望の位置を位置データに変換して指示し、得られた距離データから所望の指示経路を取得するものである。
特許文献6には、距離センサによりワーク全体をセンシングし、オフライン教示プログラムに自動入力し、溶接線サーチジョブ及び溶接ジョブを作成する例がある。
特許文献3および4については、ワーク毎に測定用動作ファイル(ジョブ)を作る必要があり、また、ワークに対する測定方向も3方向から測定する必要があるので、教示に時間がかかり、ロボットの自由度や周辺環境との干渉によってはその測定姿勢を取れない。
特許文献5については、ワーク毎に操作員がワークをどのように走査するかを指示する手間が必要で、ワーク形状認識に膨大な時間もかかる。
特許文献6については、ワーク全体の走査に時間がかかる。予め全体の大きさを入力する必要がある。全体走査と溶接線走査の2回センシングが必要である。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、作業者がワーク毎に毎回、計測動作の位置および姿勢を教示する必要がなく、3次元の位置および姿勢を高精度に取得して、ワークの位置や姿勢のずれを修正することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、ロボットの手先に配置されたエンドエフェクタが、ワークを把持する直前であって前記エンドエフェクタの爪の間に前記ワークが入るような第1の位置および姿勢となるように作業者によって前記エンドエフェクタを誘導させる手段と、前記誘導が終了した際に、誘導された前記第1の位置および姿勢を記憶するメモリと、前記ワークの形状寸法データを入力するためのワーク寸法入力部と、前記第1の位置および姿勢と前記入力された前記ワークの形状寸法データとに基づいて前記ワークの形状寸法に関する情報を含む前記ワークの演算上の位置および姿勢を求め、前記ワークの演算上の位置および姿勢に基づいて、前記エンドエフェクタに設けられた位置検出センサが前記ワークの実際の位置および姿勢を測定するための動作指令を生成する動作パターン生成器と、前記動作パターン生成器が生成した動作指令に基づいて前記ロボットを動作させ、前記位置検出センサにより前記ワークの実際の位置および姿勢を実測し、前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとに基づいて求められた前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記ワークの実測による前記ワークの実際の位置および姿勢とのずれ量を求め、前記ずれ量に基づいて前記エンドエフェクタの位置および姿勢を修正する制御手段と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、前記メモリに前記第1の位置および姿勢を記憶する際には、実際の作業でエンドエフェクタがワークを把持するのと同じ位置および姿勢を1点登録することを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、前記位置検出センサは、1次元の位置検出センサであることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、前記位置検出センサは、2次元の位置検出センサであることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、前記ワークの形状寸法データは、教示装置から入力されることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、前記ワークの形状寸法データは、CADデータに基づくデータであることを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、前記ワークは、直方体形状であり、前記動作指令は、前記位置検出センサが、前記ワークの測定対象面となる長方形の4つの頂点からそれぞれ所定距離離れた長辺上の4つのエッジ上の位置と、前記長方形の2つの短辺のそれぞれ中点となる2つのエッジ上の位置と、を計測するための動作指令であることを特徴とするものである。
請求項8に記載の発明は、前記ワークは、直方体形状であり、前記動作指令は、前記2次元の位置検出センサが、前記ワークの測定対象面となる長方形の短辺方向に移動しながら前記ワークの3次元形状を計測するための動作指令であることを特徴とするものである。
請求項9に記載の発明は、前記ワークは、測定対象面を上面とする円柱形状であり、前記動作指令は、前記上面の円中心から反対方向に等間隔離れた平行な直線と前記上面とが交わる4つのエッジ上の位置をそれぞれ計測するための動作指令であることを特徴とするものである。
請求項10に記載の発明は、前記ワークは、円柱形状であり、
前記動作指令は、前記2次元の位置検出センサが、前記ワークの測定対象面となる上面を一定方向に走査する動作指令であることを特徴とするものである。
請求項11に記載の発明は、前記ワークの位置ずれ量が予め設定された閾値を超えた場合に、再度前記動作指令に基づいて前記ロボットを動作させて前記ワークの実測による位置および姿勢を求め、前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとに基づいて求められた前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記再度の実測による位置および姿勢とのずれ量を求め直す制御手段を備えたことを特徴とするものである。
請求項12に記載の発明は、前記ワークの位置ずれ量が予め設定された閾値を超えた場合に、前記動作パターン生成器は、動作方向を逆又は直交方向に変更して、前記位置検出センサが前記ワークの実測定位置を検出する動作指令を生成し直し、前記生成し直された動作指令に基づいて前記ロボットを動作させ、前記ワークの実測による位置および姿勢を求め、前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとに基づいて求められた前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記再度の実測による位置および姿勢とのずれ量を求め直す制御手段を備えたことを特徴とするものである。
請求項13に記載の発明は、ワークを把持するエンドエフェクタが設けられたロボットと、前記エンドエフェクタに設けられ、前記ワークの位置および姿勢を測定する位置検出センサと、前記ロボットを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記エンドエフェクタが、前記ワークを把持する直前であって前記エンドエフェクタの爪の間に前記ワークが入るような第1の位置および姿勢となるように作業者によって前記エンドエフェクタを誘導させる手段と、前記誘導が終了した際に、誘導された前記第1の位置および姿勢を記憶するメモリと、前記ワークの形状寸法データを入力するためのワーク寸法入力部と、前記第1の位置および姿勢と前記入力された前記ワークの形状寸法データとに基づいて前記ワークの形状寸法に関する情報を含む前記ワークの演算上の位置および姿勢を求め、前記ワークの演算上の位置および姿勢に基づいて、前記位置検出センサが前記ワークの実際の位置および姿勢を測定するための動作指令を生成する動作パターン生成器と、前記動作パターン生成器が生成した動作パターンに基づいて前記ロボットの動作指令を生成する指令生成器と、を備え、前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとから演算して求められた前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記位置検出センサによって実測された前記ワークの実際の位置および姿勢とのずれ量を求め、前記ずれ量に基づいて前記エンドエフェクタの位置および姿勢を修正することを特徴とするものである。
請求項14に記載の発明は、前記位置検出センサは、1次元の位置検出センサであることを特徴とするものである。
請求項15に記載の発明は、前記位置検出センサは、2次元の位置検出センサであることを特徴とするものである。
請求項16に記載の発明は、前記ワークは、直方体形状であり、前記動作指令は、前記位置検出センサが、前記ワークの測定対象面となる長方形の4つの頂点からそれぞれ所定距離離れた長辺上の4つのエッジ上の位置と、前記長方形の2つの短辺のそれぞれ中点となる2つのエッジ上の位置と、を計測するための動作指令であることを特徴とするものである。
請求項17に記載の発明は、前記ワークは、測定対象面を上面とする円柱形状であり、前記動作指令は、前記上面の円中心から反対方向に等間隔離れた平行な直線と前記上面とが交わる4つのエッジ上の位置をそれぞれ計測するための動作指令であることを特徴とするものである。
請求項18に記載の発明は、ワークを把持するエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに設けられ、前記ワークの位置および姿勢を測定するための位置検出センサと、を備えたロボットを、下記ステップで教示および再生することを特徴とするものである。(1)前記エンドエフェクタが、前記ワークを把持する直前であって前記エンドエフェクタの爪の間に前記ワークが入るような第1の位置および姿勢となるように作業者によって前記エンドエフェクタを誘導させ、前記第1の位置および姿勢を大まかに教示する。(2)前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとに基づいて、前記ワークの形状寸法に関する情報を含む前記ワークの演算上の位置および姿勢を求める。(3)前記ワークの演算上の位置および姿勢に基づいて、前記ワークの実際の位置および姿勢を測定するための前記ロボットの動作指令を生成する。(4)前記動作指令に基づいて前記ロボットを動作させ、前記位置検出センサにより前記ワークの実際の位置および姿勢を実測する。(5)前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記位置検出センサにより実測された前記ワークの実際の位置および姿勢とのずれ量を求める。(6)前記ずれ量に基づいて、前記エンドエフェクタの把持位置での位置および姿勢を修正する。
請求項3、15に記載の発明によれば、1次元の距離センサでワークの3次元の位置および姿勢を測定できるため、安価であり、信号処理も簡単という効果がある。
請求項4、16に記載の発明によれば、2次元の距離センサでワークの3次元の位置および姿勢を測定できるため、測定動作の時間が短く、安価であり、信号処理も簡単という効果がある。
請求項2に記載の発明によれば、実作業でエンドエフェクタがワークに作用する位置および姿勢を1点登録するだけで測定動作を生成できるため、例えば、組立作業でワークを把持させないでその把持姿勢の位置を登録するだけで正しい詳細なワーク位置を取得できるようになる。そのため、実際にワークを把持させるなどの面倒な教示作業が不要となるという効果がある。
請求項5に記載の発明によれば、ワーク寸法データはワークの外形寸法を数値入力すれば良いため、誰でも現場で簡単に入力可能であるいう効果がある。
請求項6に記載の発明によれば、ワーク寸法データは、CADデータを使用するため、正確で表面の凹凸も考慮した動作パターンを生成可能であるいう効果がある。
請求項7、17に記載の発明によれば、ワーク形状が直方体である場合の動作パターンは、位置検出センサが、ワークの長辺上の4つのエッジ位置と、短辺上の2つのエッジ位置と、を計測するための動作パターンである。そのため、少ない動作で3次元の位置および姿勢を計測できるという効果がある。
請求項8に記載の発明によれば、ワーク形状が直方体である場合の動作パターンは、2次元の距離センサが、ワークの測定対象面となる長方形の短辺方向に移動しながらワークの3次元形状を計測するための動作パターンである。そのため、1回の計測動作のみで3次元の位置および姿勢を計測できるという効果がある。
請求項9、18に記載の発明によれば、ワーク形状が円柱である時の動作パターンは、ワークに対して1方向から円中心から等間隔離れたワーク断面を2回計測し、計測データからワークの位置ずれ量を算出するため、2回の計測のみという少ない測定回数で3次元位置を計測し、ワーク位置ずれ量を演算可能であるいう効果がある。
請求項10に記載の発明によれば、ワーク形状が円柱である時の動作パターンは、2次元センサでワークに対して1方向からワーク全体を連続して1回計測し、計測データからワークの位置ずれ量を算出するため、1回の計測のみで3次元位置を計測し、ワーク位置ずれ量を演算可能であるいう効果がある。
請求項11に記載の発明によれば、ワークの位置ずれ量が予め設定された閾値を超えた場合に、再び、動作指令に基づいてワークの実測による位置および姿勢を求め、第1の位置および姿勢とワークの形状寸法データとに基づいて求められたワークの演算上の位置および姿勢と再実測による位置および姿勢とのずれ量を求め直すため、計測ミスによる作業失敗を防げるという効果がある。
請求項12に記載の発明によれば、ワークの位置ずれ量が予め設定された閾値を超えた場合に、動作パターン生成器で位置検出センサの移動方向を逆方向又は直交方向に変更して、位置検出センサがワークの実測定位置を検出する動作指令を生成し直す。この動作指令に基づいてロボットを動作させ、ワークの位置および姿勢を求め、演算上の位置および姿勢と実測による位置および姿勢とのずれ量を求め直す。そのため、同方向の計測でミスが多発する場合でも計測ミスによる作業失敗を防げるという効果がある。
請求項19、20に記載の発明によれば、作業者はワーク位置を大まかに教示すれば、自動的に正確なワーク位置の取得が可能となるという効果がある。
102 コントローラ
1021 指令生成部
1022 サーボ制御部
1023 メモリ
1024 ワーク寸法入力部
1025 動作パターン生成部
103 教示装置
104 エンドエフェクタ(グリッパ)
105 ワーク
106 位置検出センサ
コントローラ102内には、教示作業時に教示装置103上からの作業者のエンタキーなどの入力により教示データ等を保存するメモリ1023、ワークの寸法データを入力するワーク寸法入力部1024、前記メモリ1023に記憶したワーク教示位置と前記ワーク寸法入力部1024から入力したワーク寸法データから位置検出センサが特定の計測動作ができるようにロボットの動作パターンを生成する動作パターン生成部1025、メモリ1023に記憶された教示データ、または動作パターン生成部1025が生成する動作パターンからロボットの動作指令を生成する指令生成部1021、前記動作指令を元にロボットに搭載したモータを駆動するサーボ制御部1022、が設けられている。ワーク寸法入力部1024は、教示装置103上のディスプレイとキー操作を介してデータが入力される。
教示時には把持位置の大まかな位置の教示のみ実行し、再生運転時にワーク毎にスキャン動作を行い、把持位置修正量を求めて把持動作する手順について述べる。
教示作業は、以下の4段階(A〜D)に分けることができる。
作業者は、ロボット101を誘導して、実際にグリッパ104でワーク105を把持させる直前の位置および姿勢を大まかに教示することで、コントローラ102内のメモリ1023に教示データが格納される。この教示データにより、ロボット101に対するワーク105の大まかな位置と姿勢を求めることができる。この時、図2に示すように、実際にグリッパの開閉中心位置にワークを位置決めする必要がなく、グリッパの爪の間にワーク105を入れる程度の大まかな教示で良い。したがって、ワーク105とグリッパ104のセンタを一致させて、実際にワークを把持させなくとも良く、作業者の負担を減らすことが可能である。
作業者は、教示装置103上のディスプレイとキー操作を介して、図面や実ワークを測定した結果からワークの形状寸法を入力する。この入力された形状寸法はコントローラ102内のワーク寸法入力部1024内に記憶される。具体的には、グリッパ104にワーク105の中心位置WC(Work Center)を把持させる場合には、直方体の外形寸法とワークの把持高さ位置(ワーク105の下面からのZ軸方向位置)を入力すれば良い。ただし、グリッパ104のグリッパ部分の把持中心位置HC(Hand Center)が、ワーク中心位置WCと一致する場合にはワーク把持高さ位置も入力不要である。一方、グリッパ104にワーク105の中心位置WCを把持させるのではない場合には、そのオフセット量(X軸またはY軸方向のずれ量)を入力する。
作業者は、作業プログラムで把持位置として登録した動作コマンドの前に、スキャン動作用コマンドを追加する。若しくは、前記動作コマンドにスキャン動作するタグ命令を追加しても良い。
スキャン動作用コマンドが追加されると、動作パターン生成部1025では、メモリ1023に記憶された把持位置の位置および姿勢と、ワーク寸法入力部1024に記憶されたワークの形状寸法から、ロボット101に搭載した位置検出センサ106を移動させるための動作パターンを自動生成する。具体的には、以下の手順で生成する。
グリッパ104の把持位置および把持姿勢はロボットの各軸角度として記憶されているため、把持中心位置HCにおけるグリッパ104がロボット座標系でどの位置および姿勢にあるか求める。これは、順変換等によりロボット座標の値に変換することで求められる。直方体形状のワークの位置および姿勢は、そのワークの頂点8点を使って表現される。したがって、把持中心位置HCにおけるグリッパ104のロボット座標系での位置および姿勢とワーク形状寸法とから、ワーク105の演算上の位置および姿勢は、ロボット座標におけるその頂点8点で表される。
ワーク105の演算上の位置および姿勢は、実際のワークの位置および姿勢からずれている。したがって、このワーク105の演算上の位置および姿勢を表す頂点8点は実際のワーク105の頂点8点のおおよその位置である。
なお、ワーク105の位置および姿勢は、ワーク105の頂点8点以外の方法で表現しても良い。
図3にワーク105を上面から見た図を示す。XYZ軸は、ワーク座標系を表している。ワーク105の上面は、位置検出センサ106の測定面である。ワーク105の長辺W1とW2を4等分して、両端から1/4の位置をそれぞれ、a、b、c、dとし、ロボット座標の四隅8点の位置から、座標データを求める。これらの位置a〜dからワーク105の位置ズレ許容誤差分ΔYより大きく外側に位置する仮想の点を、a1、b1、c1、d1(b1、d1は不図示)とし、これらの位置a1〜d1が位置検出センサ106の測定距離内に入るように、高さ調整分ΔZだけ上方に位置する点をa2、b2、c2、d2とする。
断面Aに示すように、位置検出センサ106が2次元センサである場合は、センサ走査方向をY軸方向に、センサ距離測定方向をZ軸方向に取る。次に、短辺方向にスキャン動作する際に、a1とc1、b1とd1をそれぞれ測定できるように(a1とc1等が1走査での測定範囲である点線内部に入るように)、位置検出センサ106のセンサ測定範囲が、a2とc2、b2とd2間のそれぞれ適切な位置a3とb3(b3は不図示であるが、断面Bにおける、a3に相当する位置である。)になる位置と高さを求める。そして、このa3とb3の2点をそれぞれスキャン動作の基準となる教示点としてメモリ1023に格納する。
ここでは、長辺W1とW2を4等分してスキャン動作の点a〜dを決めたが、四隅からの距離が位置ズレ許容誤差分ΔXよりも大きければ、任意のスキャン動作の点で良い。位置ズレ許容誤差分ΔXを考慮するのは、X軸方向の位置ズレ量が大き過ぎた場合に、位置検出センサ106でワーク105の短辺の走査ができなくなることを避けるためである。
位置検出センサ106が1次元センサである場合には、短辺方向のスキャン動作は、a2とc2、b2とd2を通る直線となるため、位置検出センサ106のセンサ測定開始及び終了位置a2〜d2を教示点として、メモリ1023に格納する。
ワーク105の短辺D1とD2を2等分した位置をそれぞれ求めてe、fとし、eとfを通る直線を求める。この直線上で、ワーク105の位置ズレ許容誤差分ΔXだけ、外側に位置する仮想の点e1、f1を設定し、これらの位置e1、f1が位置検出センサ106の測定距離内に入るように、高さ調整分ΔZだけ上方に位置する点をe2、f2とする。
断面Cに示すように、位置検出センサ106が2次元センサである場合は、センサ走査方向をX軸方向に、センサ距離測定方向をZ軸方向に取り、長辺方向のスキャン動作で、e1とf1を通るように、位置検出センサ106のセンサ測定位置を、e2とf2間の適切な位置e3を求める。そして、このe3をスキャン動作の基準となる教示点として、メモリ1023に格納する。
ここでは短辺Dを2等分してスキャン動作の点eとfを決めたが、四隅からの距離が位置ズレ許容誤差分ΔYよりも大きければ、任意のスキャン動作の点で良い。位置ズレ許容誤差分ΔYを考慮するのは、Y軸方向の位置ズレ量が大き過ぎた場合に、位置検出センサ106でワーク105の長辺の走査ができなるからである。
位置検出センサ106が1次元センサである場合には、長辺方向のスキャン動作は、e2とf2を通る直線となるため、位置検出センサ106のセンサ測定開始及び終了位置e2とf2を教示点として、メモリ1023に格納する。
以上の手順により、スキャン動作用の教示位置を自動的に生成することができる。
再生運転時には、上記作業プログラムが実行され、ワーク105をグリッパ104で把持する直前に前記スキャン動作のコマンドが処理されることで、位置検出センサ106でワーク105を3回計測する動作を行う。具体的には、位置検出センサ106が2次元センサである場合は、位置a3とb3とe3でそれぞれ1回走査を行う。位置検出センサ106が1次元センサである場合には、a2からc2へ、b2からd2へ、e2からf2へ、直線動作で走査することで計測する。
位置検出センサ106の3回の計測により、ロボット座標でのワーク105の長辺と短辺の演算上のエッジ位置a〜fに対するエッジ実測定位置am〜fmを求める。これらのエッジ演算位置a〜fと実測定位置am〜fmの差がワークのずれ量となる。
具体的には、演算位置a〜dと実測定位置am〜dmを頂点とする長方形をそれぞれ求め、以下の式(1)〜(3)により、ワーク105の姿勢のずれ量dRx、dRy、dRzを求めることができる。
エッジ演算位置a〜fを用いて求められるロボット座標のx、y、z軸周りのワーク105の傾きをそれぞれdRx1、dRy1、dRz1、同様に実測定位置am〜fmを用いて求められる傾きをそれぞれdRx2、dRy2、dRz2とする。図4(a)に示すように、dRx1はY軸対するエッジ演算位置aとcのなす角度から求められる。dRx2はY軸対する実測定位置amとcmのなす角度から求められる。このdRx1とdRx2の差が姿勢ずれ量dRxとなる。同じようにして、dRyとdRzもそれぞれ求めることができる。
−tan−1((azm−czm)/(aym−cym)) 式(1)
−tan−1((fzm−ezm)/(fxm−exm)) 式(2)
−tan−1((bym−aym)/(bxm−axm)) 式(3)
ax、axm:エッジ位置aのX方向の演算位置、実測定位置
ay、aym:エッジ位置aのY方向の演算位置、実測定位置
az、azm:エッジ位置aのZ方向の演算位置、実測定位置
bx、bxm:エッジ位置bのX方向の演算位置、実測定位置
by、bym:エッジ位置bのY方向の演算位置、実測定位置
cy、cym:エッジ位置cのY方向の演算位置、実測定位置
cz、czm:エッジ位置cのZ方向の演算位置、実測定位置
ex、exm:エッジ位置eのX方向の演算位置、実測定位置
ez、ezm:エッジ位置eのZ方向の演算位置、実測定位置
fx、fxm:エッジ位置fのX方向の演算位置、実測定位置
fz、fzm:エッジ位置fのZ方向の演算位置、実測定位置
+(exm1−ex)+(fxm1−fx))/6 式(4)
+(eym1−ey)+(fym1−fy))/6 式(5)
+(ezm1−ez)+(fzm1−fz))/6 式(6)
bz:エッジ位置bのZ方向の演算位置
cx:エッジ位置cのX方向の演算位置
ey:エッジ位置eのY方向の演算位置
fy:エッジ位置fのY方向の演算位置
dx、dxm1:エッジ位置dのX方向の演算位置、実測定姿勢補正位置
dy、dym1:エッジ位置dのY方向の演算位置、実測定姿勢補正位置
dz、dzm1:エッジ位置dのZ方向の演算位置、実測定姿勢補正位置
axm1:エッジ位置aのX方向の実測定姿勢補正位置
aym1:エッジ位置aのY方向の実測定姿勢補正位置
azm1:エッジ位置aのZ方向の実測定姿勢補正位置
bxm1:エッジ位置bのX方向の実測定姿勢補正位置
bym1:エッジ位置bのY方向の実測定姿勢補正位置
cym1:エッジ位置cのY方向の実測定姿勢補正位置
czm1:エッジ位置cのZ方向の実測定姿勢補正位置
eym1:エッジ位置eのY方向の実測定姿勢補正位置
ezm1:エッジ位置eのZ方向の実測定姿勢補正位置
fym1:エッジ位置fのY方向の実測定姿勢補正位置
fzm1:エッジ位置fのZ方向の実測定姿勢補正位置
前記スキャン動作のコマンド後の把持動作で、上記式(1)〜(6)で求めたワーク105の姿勢のずれ量dRx、dRy、dRzと位置のずれ量dX、dY、dZを用いて、把持位置の位置および姿勢を修正することで、ワーク105をグリッパ104で正確に把持することができる。
また、本実施例では、教示時には把持位置の大まかな教示のみ実行し、再生運転時にワーク毎にスキャン動作を行い、把持位置修正量を求めて把持動作を行っていた。この手順は再生運転時もワークの位置決め誤差が大きい場合に適用される。しかし、位置決め誤差が小さい場合には、教示時には大まかに教示して、その直後にスキャン動作の指令を生成し、その場でスキャン動作させて詳細な教示位置を求めて、教示位置の修正量を作業プログラムに反映する。そして再生運転時はスキャン動作をしないという構成でも良い。
図5に示すように、位置検出センサ106が2次元センサである場合は、ワーク105の長辺に対して直角に、位置検出センサ106を移動させて、ワーク全体を連続して計測することによって、ワーク105の3次元形状を求める。これにより、位置および姿勢の修正量を求めることができる。この場合の開始位置と終了位置はe31とe32である。e31とe32は、実施例1で求めたセンサ測定位置e3をY軸方向にワーク105の位置ズレ許容誤差分ΔYだけワーク105の外側に配置した点の位置である。この位置e31からe32までを位置検出センサ106で連続して走査して3次元データを取得する。
このワーク105の3次元形状の測定データから、ワーク上面の長辺と短辺の直線を求め、これらの直線の中から、エッジ実測定位置am〜fmを求める処理を追加する。エッジ実測定位置am〜fmが求められた後は、実施例1と同様の演算を行う。
なお、上記実施例において、ワーク105が立方体の場合であっても、長辺と短辺を仮定することによって実施できることは明らかである。
実施例1に示したように、教示作業の4段階の内、Aの大まかな位置の教示とCのコマンド追加は本実施例でも同じである。Bのワーク形状入力では、円柱の外形寸法(例えば、直径および高さ)を入力する。Dのスキャン動作生成の手順は、実施例1と同じ手順を含んでいる。実施例1と同じ手順は、コントローラ102内の動作パターン生成部1025でメモリ1023に記憶された把持位置の位置および姿勢と、ワーク寸法入力部1024に記憶されたワークの形状寸法から、ロボット101に搭載した位置検出センサ106を移動させるための指令を自動生成する手順である。実施例1と異なる手順ついて以下に述べる。
順変換等の変換をすることにより、把持中心位置HCにおけるグリッパ104がロボット座標系でどの位置および姿勢にあるかを求める。把持中心位置HCにおけるグリッパ104のロボット座標での位置および姿勢とワーク形状寸法とから、ワーク105の演算上の位置および姿勢をロボット座標で表すことができる。ワーク105の演算上の位置および姿勢は、ロボット座標系における2点(ワーク105の上面および下面の円中心)で表される。
ワーク105の演算上の位置および姿勢は、実際のワークの位置および姿勢からずれている。したがって、このワーク105の演算上の位置および姿勢を表す円中心2点は実際のワーク105の円中心2点のおおよその位置である。
なお、ワーク105の位置および姿勢は、ワーク105の円中心2点以外の方法で表現しても良い。
図7にワーク105を上面から見た図を示す。XYZ軸は、ワーク座標系を表している。ワーク105の上面は、位置検出センサ106の測定面である。細線の円は、理想位置にある状態である。太線の円は、実際にワークが置かれた位置の状態である。理想位置にある円について、ワーク105の半径を2等分して円中心WCからX軸方向に1/2の位置でY軸に沿った2本の直線を引いて円周と交わる位置をそれぞれ、a、b、c、dとする。円中心WCからX軸に直線を引いて円周と交わる位置をe、fとする。円中心WCからY軸に直線を引いて円周と交わる位置をg、hとする。ただし、円中心WCから反対方向に等間隔離れた異なるワーク断面位置を求めることができれば、1/2の位置に限らず、任意の位置としてもよい。
理想位置を表す円上のa、b、c、d、e、f、g、hに対応する実際にワークが置かれた位置を示す円(太線の円)上の点を、それぞれ、aa、bb、cc、dd、ee、ff、gg、hhとする。
これらの位置a〜dからワーク105の位置ズレ許容誤差分ΔYより大きく外側に位置する仮想の点を、a1、b1、c1、d1(b1、d1は不図示)とする。これらの位置a1〜d1が位置検出センサ106の測定距離内に入るように、高さ調整分ΔZだけ上方に位置する点をa2、b2、c2、d2とする。
断面Aに示すように、位置検出センサ106が2次元センサである場合は、センサ走査方向をY軸方向に、センサ距離測定方向をZ軸方向に取る。次に、Y軸方向にスキャン動作する際に、a1とc1、b1とd1をそれぞれ測定できるように(a1とc1等が1走査での測定範囲である点線内部に入るように)、位置検出センサ106のセンサ測定範囲が、a2とc2、b2とd2間のそれぞれ適切な位置a3とb3(b3は不図示であるが、断面Bにおける、a3に相当する位置である。)になる位置と高さを求める。このa3とc3の2点をそれぞれスキャン動作の基準となる教示点としてメモリ1023に格納する。
ここでは半径を2等分してスキャン動作の点a〜dを決めたが、eやfからの距離が位置ズレ許容誤差分ΔXよりも大きければ、予め設定された固定値に応じて決めても良い。
位置検出センサ106が1次元センサである場合には、スキャン動作は、a2とc2、b2とd2を通る直線となるため、位置検出センサ106のセンサ測定開始及び終了位置a2〜d2を教示点として、メモリ1023に格納する。
以上により、スキャン動作用の教示位置を自動的に生成することができる。
再生運転時には、上記作業プログラムが実行され、ワーク105をグリッパ104で把持する直前に前記スキャン動作のコマンドが処理されることで、位置検出センサ106でワーク105を2回計測する動作を行う。具体的には、位置検出センサ106が2次元センサである場合は、位置a3とb3でそれぞれ1回走査を行う。位置検出センサ106が1次元センサである場合には、a2からc2へ、b2からd2へ、直線動作で行うことで計測する。
位置検出センサ106で2回の計測することにより、ロボット座標でのワーク105に関する円周の演算上のエッジ位置a〜dに対するエッジ実測定位置aa〜ddを求める。これらエッジ演算位置a〜dと実測定位置aa〜ddの差がワークのずれ量となる。
具体的な演算方法は、以下の通りである。4点の位置の内、3点を使用し(ここではdを除く)、それらの位置から円中心位置を求める。ここで、これら3点の座標をa(X1、Y1)、 b(X2、Y2)、c(X3、Y3)とする。線分abの中点座標(X4、Y4)を求める。
X4=(X1+X2)÷2 式(7)
Y4=(Y1+Y2)÷2 式(8)
中点座標(X4、Y4)を通って、線分abと直交する線のX軸に対する角度をAとすると
A=tan-1{(Y2−Y1)÷(X2−X1)}+90 式(9)
となる。
同様に、線分bcの中点座標(X5、Y5)を求める。
X5=(X2+X3)÷2 式(10)
Y5=(Y2+Y3)÷2 式(11)
中点座標(X5、Y5)を通って、線分bcと直交する線のX軸に対する角度をBとすると
B=tan-1{(Y3−Y2)÷(X3−X2)}+90 式(12)
となる。
ここで、線分abの中点座標(X4、Y4)を通る角度Aの直線の方程式と、中点座標(X5、Y5)を通る角度Bの直線の方程式をつくり、連立方程式を解くと、円中心座標(XC、YC)を求めることができる。
XC=X4+{(Y5−Y4)−(X5−X4)tanB}
÷(tanA−tanB) 式(13)
YC=Y4+(XC−X4)tanB 式(14)
同様に、実測定位置aa〜ddに関しても円中心座標(XC1、YC1)を求めることで、理想位置の円中心座標(XC、YC)との差分を求めて、位置修正量とする。
図7に示すように、位置検出センサ106が2次元センサである場合は、ワーク105のX軸方向に位置検出センサ106を移動させ、ワーク全体を連続して計測し、ワーク105の3次元形状を求める。これにより、位置および姿勢の修正量を求めることができる。この場合の開始位置と終了位置は、以下のように定義される。実施例3で求めた円周上の点eとfを通る直線上で、ワーク105の位置ズレ許容誤差分ΔXだけ、外側に位置する仮想の点e1、f1を設定する。これらの位置e1、f1が位置検出センサ106の測定距離内に入るように、高さ調整分ΔZだけ上方に位置する点をそれぞれ開始位置e2、終了位置f2とする。
断面Cに示すように、位置検出センサ106が2次元センサである場合は、センサ走査方向をY軸方向に、センサ距離測定方向をZ軸方向に取り、e2とf2をスキャン動作の基準となる教示点として、メモリ1023に格納する。
再生運転時には、位置e2からf2までを位置検出センサ106で連続して走査して3次元データを取得する。
このワーク105の3次元形状の測定データから、ワーク上面の円中心位置求める処理を追加する。円中心は、実施例3と同様の円周上の位置(3点又は4点)を求めてから円中心位置を求める。
図8(a)のフローチャートに従って説明する。ワーク105は直方体とする。
教示作業としては、実施例1と同様の4段階(A〜D)を実施し、再生運転時の作業も実施例1と同様の3段階(E〜G)を実施する。実施例1との違いは、Fの修正量演算を終わった段階で、位置と姿勢のずれ量が予め設定された閾値を超えていた場合に、再度、Eの再生運転時のスキャン動作からやり直すことである。
位置検出センサがレーザセンサの場合には、ワーク105のエッジ部分でレーザの乱反射が大きくなり、ワークのエッジ位置の検出誤差が大きくなる場合がある。しかし、スキャン動作の測定を繰り返すことでエッジ位置を正確に求めることができる。また、複数回のスキャン動作の測定結果を平均して、平均値からエッジ位置を求めることで、安定した測定も可能である。
図8(b)のフローチャートに従って、説明する。実施例5と同様に、ワーク105は直方体である。
実施例5と同様に、教示作業としては4段階(A〜D)、再生運転時の作業も3段階(E〜G)を実施する。実施例5との違いは、Fの修正量演算を終わった段階で、位置と姿勢のずれ量が予め設定された閾値を超えていた場合に、再度、Eの再生運転時のスキャン動作からやり直すが、やり直す回数が所定回数に達した場合に、Dのスキャン動作の生成に戻ることである。
Dのスキャン動作の生成で、例えば実施例1や5では、長辺上のエッジ位置検出動作は、断面Aであればエッジ位置aからcに向かう向きにスキャン動作し、位置ずれ量が一定以上の誤差があり、測定をやり直す回数が所定回数に達した場合にはスキャン動作方向を変更する。具体的には、長辺上のエッジ位置検出動作は、断面Aであればエッジ位置cからaに向かう向きにスキャン動作を行う。また、例えば実施例3では、図7に示すように円柱ワークでY軸方向にスキャン動作し、位置ずれ量が一定以上の誤差があり、測定をやり直す回数が所定回数に達した場合にはスキャン動作方向をX軸方向にして、スキャン動作を行う。
なお、動作方向を変更せずに、ワーク105の長辺W1とW2を4等分せずに、両端から所定距離の位置に変更しても良い。動作方向を変更せずに、ロボットの測定する姿勢を変更する方法でも良い。図3でX軸周りに位置検出センサを回転させて、エッジへのレーザの照射角度を変更して対応しても良い。
作業者が大まかに教示した位置を位置検出センサとワーク教示位置とワーク寸法データを利用してワークの詳細な3次元の位置および姿勢を取得して補正することが可能となる。
Claims (18)
- ロボットの手先に配置されたエンドエフェクタが、ワークを把持する直前であって前記エンドエフェクタの爪の間に前記ワークが入るような第1の位置および姿勢となるように作業者によって前記エンドエフェクタを誘導させる手段と、
前記誘導が終了した際に、誘導された前記第1の位置および姿勢を記憶するメモリと、
前記ワークの形状寸法データを入力するためのワーク寸法入力部と、
前記第1の位置および姿勢と前記入力された前記ワークの形状寸法データとに基づいて前記ワークの形状寸法に関する情報を含む前記ワークの演算上の位置および姿勢を求め、前記ワークの演算上の位置および姿勢に基づいて、前記エンドエフェクタに設けられた位置検出センサが前記ワークの実際の位置および姿勢を測定するための動作指令を生成する動作パターン生成器と、
前記動作パターン生成器が生成した動作指令に基づいて前記ロボットを動作させ、前記位置検出センサにより前記ワークの実際の位置および姿勢を実測し、前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとに基づいて求められた前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記ワークの実測による前記ワークの実際の位置および姿勢とのずれ量を求め、前記ずれ量に基づいて前記エンドエフェクタの位置および姿勢を修正する制御手段と、を備えたことを特徴とするロボットの制御装置。 - 前記メモリに前記第1の位置および姿勢を記憶する際には、実際の作業でエンドエフェクタがワークを把持するのと同じ位置および姿勢を1点登録することを特徴とする請求項1に記載のロボットの制御装置。
- 前記位置検出センサは、1次元の位置検出センサであることを特徴とする請求項1または2に記載のロボットの制御装置。
- 前記位置検出センサは、2次元の位置検出センサであることを特徴とする請求項1または2に記載のロボットの制御装置。
- 前記ワークの形状寸法データは、教示装置から入力されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のロボットの制御装置。
- 前記ワークの形状寸法データは、CADデータに基づくデータであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のロボットの制御装置。
- 前記ワークは、直方体形状であり、
前記動作指令は、前記位置検出センサが、前記ワークの測定対象面となる長方形の4つの頂点からそれぞれ所定距離離れた長辺上の4つのエッジ上の位置と、前記長方形の2つの短辺のそれぞれ中点となる2つのエッジ上の位置と、を計測するための動作指令であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のロボットの制御装置。 - 前記ワークは、直方体形状であり、
前記動作指令は、前記2次元の位置検出センサが、前記ワークの測定対象面となる長方形の短辺方向に移動しながら前記ワークの3次元形状を計測するための動作指令であることを特徴とする請求項4に記載のロボットの制御装置。 - 前記ワークは、測定対象面を上面とする円柱形状であり、
前記動作指令は、前記上面の円中心から反対方向に等間隔離れた平行な直線と前記上面とが交わる4つのエッジ上の位置をそれぞれ計測するための動作指令であることを特徴とする請求項4に記載のロボットの制御装置。 - 前記ワークは、円柱形状であり、
前記動作指令は、前記2次元の位置検出センサが、前記ワークの測定対象面となる上面を一定方向に走査する動作指令であることを特徴とする請求項4に記載のロボットの制御装置。 - 前記ワークの位置ずれ量が予め設定された閾値を超えた場合に、再度前記動作指令に基づいて前記ロボットを動作させて前記ワークの実測による位置および姿勢を求め、前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとに基づいて求められた前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記再度の実測による位置および姿勢とのずれ量を求め直す制御手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載のロボットの制御装置。
- 前記ワークの位置ずれ量が予め設定された閾値を超えた場合に、前記動作パターン生成器は、動作方向を逆又は直交方向に変更して、前記位置検出センサが前記ワークの実測定位置を検出する動作指令を生成し直し、前記生成し直された動作指令に基づいて前記ロボットを動作させ、前記ワークの実測による位置および姿勢を求め、前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとに基づいて求められた前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記再度の実測による位置および姿勢とのずれ量を求め直す制御手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載のロボットの制御装置。
- ワークを把持するエンドエフェクタが設けられたロボットと、
前記エンドエフェクタに設けられ、前記ワークの位置および姿勢を測定する位置検出センサと、
前記ロボットを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記エンドエフェクタが、前記ワークを把持する直前であって前記エンドエフェクタの爪の間に前記ワークが入るような第1の位置および姿勢となるように作業者によって前記エンドエフェクタを誘導させる手段と、
前記誘導が終了した際に、誘導された前記第1の位置および姿勢を記憶するメモリと、
前記ワークの形状寸法データを入力するためのワーク寸法入力部と、
前記第1の位置および姿勢と前記入力された前記ワークの形状寸法データとに基づいて前記ワークの形状寸法に関する情報を含む前記ワークの演算上の位置および姿勢を求め、前記ワークの演算上の位置および姿勢に基づいて、前記位置検出センサが前記ワークの実際の位置および姿勢を測定するための動作指令を生成する動作パターン生成器と、
前記動作パターン生成器が生成した動作パターンに基づいて前記ロボットの動作指令を生成する指令生成器と、を備え、
前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとから演算して求められた前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記位置検出センサによって実測された前記ワークの実際の位置および姿勢とのずれ量を求め、前記ずれ量に基づいて前記エンドエフェクタの位置および姿勢を修正することを特徴とするロボットシステム。 - 前記位置検出センサは、1次元の位置検出センサであることを特徴とする請求項13に記載のロボットシステム。
- 前記位置検出センサは、2次元の位置検出センサであることを特徴とする請求項13に記載のロボットシステム。
- 前記ワークは、直方体形状であり、
前記動作指令は、前記位置検出センサが、前記ワークの測定対象面となる長方形の4つの頂点からそれぞれ所定距離離れた長辺上の4つのエッジ上の位置と、前記長方形の2つの短辺のそれぞれ中点となる2つのエッジ上の位置と、を計測するための動作指令であることを特徴とする請求項13乃至15のいずれか1項に記載のロボットシステム。 - 前記ワークは、測定対象面を上面とする円柱形状であり、
前記動作指令は、前記上面の円中心から反対方向に等間隔離れた平行な直線と前記上面とが交わる4つのエッジ上の位置をそれぞれ計測するための動作指令であることを特徴とする請求項13乃至15のいずれか1項に記載のロボットシステム。 - ワークを把持するエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに設けられ、前記ワークの位置および姿勢を測定するための位置検出センサと、を備えたロボットを、下記ステップで教示および再生することを特徴とするロボットの制御方法:
(1)前記エンドエフェクタが、前記ワークを把持する直前であって前記エンドエフェクタの爪の間に前記ワークが入るような第1の位置および姿勢となるように作業者によって前記エンドエフェクタを誘導させ、前記第1の位置および姿勢を大まかに教示する。
(2)前記第1の位置および姿勢と前記ワークの形状寸法データとに基づいて、前記ワークの形状寸法に関する情報を含む前記ワークの演算上の位置および姿勢を求める。
(3)前記ワークの演算上の位置および姿勢に基づいて、前記ワークの実際の位置および姿勢を測定するための前記ロボットの動作指令を生成する。
(4)前記動作指令に基づいて前記ロボットを動作させ、前記位置検出センサにより前記ワークの実際の位置および姿勢を実測する。
(5)前記ワークの演算上の位置および姿勢と前記位置検出センサにより実測された前記ワークの実際の位置および姿勢とのずれ量を求める。
(6)前記ずれ量に基づいて、前記エンドエフェクタの把持位置での位置および姿勢を修正する。
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