JP5618770B2 - ロボットの校正装置および校正方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載された技術では、カメラによる画像処理を通じてロボットと作業対象との校正を実行している。ここで、カメラ座標系とロボット座標系とを校正する方法は多く知られているものの、ロボットの位置姿勢が大きく変化する場合には、校正の精度がロボットの位置決め精度と比較して低下する。
また、この発明に係るロボットの校正方法によれば、接触判定ステップは、ロボットと作業対象との接触を判定し、位置取得ステップは、ロボットと作業対象との接触時におけるロボットの位置姿勢を取得し、姿勢算出ステップは、位置取得ステップで取得された複数のロボットの位置姿勢に基づいて、作業対象の姿勢をロボット座標系で算出し、駆動ステップは、姿勢算出ステップで算出された作業対象の姿勢にロボットを移動させ、位置算出ステップは、駆動ステップにより移動された複数のロボットの位置姿勢に基づいて、作業対象の位置を算出する。
これにより、サーボモータのエンコーダ値やロボットの内部パラメータ(例えば、リンク長等)とで定義されるロボット座標系とロボット外部の機器で計測した世界座標系との歪みに起因する校正誤差や、想定している計測点にロボットを移動させる際の誤差に起因する校正誤差を排除することができる。
そのため、ロボットと作業対象とを校正する際に、カメラやハンド手先位置といった外部機器の校正を必要とせず、ロボットの位置決め精度と同等の精度でロボットと作業対象との校正を実行することができるとともに、校正作業を効率化させることができる。
図1は、この発明の実施の形態1に係るロボットの校正装置を含む産業用ロボットの全体構造を示す構成図である。この産業用ロボットの全体構造は、従来から広く使用されているものである。図1において、この産業用ロボットは、ロボット本体11、ロボット制御部12、ティーチングボックス13、力覚センサ14およびロボットハンド15から構成されている。
すなわち、最終的に、作業対象20のワーク座標系の座標軸の方向と原点位置とを、ロボット座標系の基で、ロボットの位置決め精度と同等の精度で算出することができる。
これにより、サーボモータのエンコーダ値やロボットの内部パラメータ(例えば、リンク長等)とで定義されるロボット座標系とロボット外部の機器で計測した世界座標系との歪みに起因する校正誤差や、想定している計測点にロボットを移動させる際の誤差に起因する校正誤差を排除することができる。
そのため、ロボットと作業対象とを校正する際に、カメラやハンド手先位置といった外部機器の校正を必要とせず、ロボットの位置決め精度と同等の精度でロボットと作業対象との校正を実行することができるとともに、校正作業を効率化させることができるロボットの校正装置および校正方法を得ることができる。
上記実施の形態1で示したロボットと作業対象20との校正を利用することにより、ロボットの位置決め精度と同等の精度で、教示点の補正を実行することができる。教示点の補正は、ロボットの修理や交換が行われた場合や、同等設備の立ち上げや設備レイアウトの変更時等に利用される。
上記実施の形態1、2において、校正の作業対象20をロボットハンド15としてもよい。この場合には、ロボットハンド15を単純な直方体として捉え、ロボットハンド15の先端中心の位置姿勢をロボット座標系で算出する。
以上より、ロボットハンド15の先端面に固定された座標軸の方向が、ロボット座標系の基で算出される。
以上より、基本ツール座標系PTのZ軸方向以外のロボットハンド15先端面の中心位置が算出される。
上述した実施の形態で示した方法を、複数のロボットの協調作業向けの校正に用いてもよい。1つの作業対象20に対して、複数のロボットが協調して作業する場合がある。例えば、ロボット単体の可搬重量に対して作業対象20が重い場合に、複数のロボットの協調作業で作業対象20を運搬する場面がある。このとき、各ロボットが作業対象20のワーク座標系を精確に把握していないと、作業対象20やロボットに過大な負荷がかかり、作業対象20やロボットの破損などを引き起こす。
上述した実施の形態で示した方法を用いて、複数のロボット同士の間で、協調作業向けの校正を実行してもよい。すなわち、一方のロボットが作業対象20を把持して位置姿勢を変更し、他方のロボットが作業対象20に対して作業を実行する協調作業において、把持側ロボットのロボットハンド15と作業側ロボットとの校正を実行する。校正の方法は、上記実施の形態1と同様である。
上記実施の形態5では、ロボットハンド15に対してのみ校正を実行したが、これに限定されず、さらに作業対象20に対して校正を実行してもよい。上述したように、ロボットハンド15との校正のみで、姿勢変更を追従する(補正する)ことはできる。
上述した実施の形態で示した方法を用いて、作業側ロボットと把持側ロボットの制御点との校正を実行してもよい。すなわち、作業側ロボットと作業対象20との校正ができ、さらに作業側ロボットと把持側ロボットの制御点との校正ができると、把持側ロボットの制御点に対する作業対象20の原点の位置姿勢を、作業側ロボットのロボット座標系の基で算出することができる。そのため、把持側ロボットの位置姿勢が変更された場合であっても、変更後の作業対象20の位置姿勢を算出することができるので、上記実施の形態2と同様に、教示点の補正を実行することができる。
上述した実施の形態で示した方法を、ロボット外部に固定された2Dカメラによるビジュアルフィードバックの校正に利用してもよい。
以下、図10を参照しながら、ロボット外部に固定されたカメラの校正について説明する。図10において、ロボット外部に固定されたカメラの光軸と、撮像対象が置かれた平面(以下、「撮像平面」と称する)の垂線とは、通常は一致していない。
これにより、カメラ座標系と撮像平面の垂線との傾きが算出されたので、これを用いて画像補正を実行することができる。なお、カメラ画像の傾き補正は既知なので、詳細な説明は省略する。
上記実施の形態8では、カメラ座標系を計測する際に、カメラ本体やレンズの直方体部分を用いていたが、これに限定されず、カメラ画像を併用してもよい。すなわち、校正に適した直方体部分がない場合には、上記実施の形態1に示した方法では、カメラの光軸周りの回転方向を計測することができない。そこで、カメラ画像内の特徴点を用いて代用する。なお、カメラの光軸方向をロボット座標系で算出するまでは、上記実施の形態7と同様である。
上記実施の形態8では、2Dカメラの光軸と撮像平面の垂線との傾きに起因する、画像中心を境にした点対象の線型歪みを、画像補正によって解決した。しかしながら、これに限定されず、ビジュアルフィードバック時のロボットの移動量を用いて補正してもよい。
上述した実施の形態で示した方法を用いて、ロボットハンド15にカメラを取付けたハンドアイ構成に対して校正を実行してもよい。すなわち、カメラの取付け治具の製作誤差や取付け誤差により、カメラ座標系とロボット座標系との関係は設計と異なる。そのため、ビジュアルフィードバック時に、上記実施の形態8で説明したように、2Dカメラの光軸と撮像平面の垂線との傾きに起因する歪みによる影響が起きる。
ここで、カメラ座標系の計測は、上記実施の形態3と同様に、外部に固定された直方体を用いることによって実行される。なお、上記実施の形態8と同様に、原点位置は必要ないので、計測および算出は必要ない。また、光軸周りの回転は、上記実施の形態9と同様に実行してもよい。また、撮像平面の座標系の検出は、上記実施の形態1と同様である。
上述した実施の形態で示した方法を、ロボットとカメラとの校正において、校正を行った平面と作業対象20の撮像面との高さの違いを補正することに用いてもよい。
以下、図11を参照しながら、校正を行った平面と作業対象20の撮像面との高さの違いの補正について説明する。
これにより、撮像平面からの高さと、画素あたりのロボット座標系の距離の拡大率とが算出される。
上記実施の形態3では、ロボットの設置平面に置かれた直方体を用いてロボットハンド15の校正を実行している。しかしながら、ロボットハンド15の校正を始める前に、上記実施の形態1で示した方法を用いて、直方体のワーク座標系を求めた上で校正を実行してもよい。
上述した実施の形態では、作業対象20上のワーク座標系X−Y平面内に写像したときに、ワーク座標系の座標軸(X軸またはY軸)と平行で、かつ互いに平行でない(直交する)、作業対象20上の異なる2直線部分を利用して、作業対象20の原点位置を算出した。
上述した実施の形態において、接触判定は、全てロボット本体11の手首に取り付けられた力覚センサ14の入力を用いて実行していたが、これに限定されず、他のセンサを用いて接触判定を実行してもよい。
上述した実施の形態では、実運転用のロボットハンド15を介して接触を判定してきたが、これに限定されず、校正専用のハンドや、校正専用の治具を把持または取付けすることにより、接触を判定してもよい。
上記実施の形態8において、ロボットと、指矩やスコヤ等の安価で垂直が得られる治具との校正を用いて、ビジュアルフィードバック作業を補正してもよい。
これまで説明してきた各実施の形態の全て、または一部を組み合わせてもよい。
例えば、上記実施の形態3で示した方法において、ロボットとロボットハンド15との校正を実行する。これにより、ロボットハンド15の先端面中心の位置姿勢が算出されるとともに、ロボットハンド15の大きさ(実施の形態3で示した距離D)を算出することができる。
上述した実施の形態で示した方法を、3Dビジョンセンサの校正に用いてもよい。
まず、ある直方体の位置姿勢を、上述した実施の形態1の方法を用いて、ロボット座標系の基で計測する。続いて、同じ直方体の位置姿勢を、3Dビジョンセンサで計測する。最後に、2つの計測結果から、座標変換行列を計算して校正が完了する。
ここで、3Dビジョンセンサで直方体の姿勢を検出する際には、ロボットで計測したのと同様に、面を計測してその法線方向を、および直線から法線方向周りの回転量を計測することが望ましい。
Claims (11)
- ロボットのロボットハンドと作業対象との位置関係の誤差を修正するロボットの校正装置であって、前記作業対象の基準面が、ワーク座標系のXY平面に平行な面であり、前記ロボットハンドの直線部分が、ツール座標系のX軸またはY軸に平行であり、
前記ロボットハンドと前記作業対象との接触を判定する接触判定部と、
前記ロボットハンドと前記作業対象の同一面に対する接触時における前記ロボットハンドの制御点の位置姿勢を取得する位置取得部と、
前記位置取得部で取得された複数の前記制御点の位置姿勢に基づいて、前記作業対象の姿勢をロボット座標系で算出する姿勢算出部と、
前記姿勢算出部で算出された前記作業対象の、前記ロボットハンドが接触する面である基準面に対して、前記ロボットハンドの基準となる部分の方向を合わせる駆動部と、
前記ロボットハンドの直線部分を、前記作業対象の、ワーク座標系のX軸またはY軸の一方に平行な直線部分である端面に接触させて、ツール座標系のX軸またはY軸を、ワーク座標系のX軸またはY軸の一方と合わせるとともに、前記ロボットハンドの直線部分を、前記作業対象の、ワーク座標系のX軸またはY軸の他方に平行な直線部分である端面に接触させて、ツール座標系のX軸およびY軸の位置を取得し、ワーク座標系の原点を求める位置算出部と、
を備えたことを特徴とするロボットの校正装置。 - 前記ロボット座標系で算出された前記作業対象の原点の座標に基づいて、ワーク座標系から前記ロボット座標系への変換行列を作成する変換行列算出部と、
前記変換行列を用いて、前記ワーク座標系で表された前記作業対象上の教示点の座標を前記ロボット座標系の座標に座標変換する座標変換部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載のロボットの校正装置。 - 前記接触判定部は、前記ロボットハンドに取り付けられた力覚センサであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のロボットの校正装置。
- ロボットと前記ロボットが備えるロボットハンドとの位置関係の誤差を修正するロボットの校正装置であって、固定治具の基準面が、ワーク座標系のXY平面に平行な面であり、前記ロボットハンドの直線部分が、ツール座標系のX軸またはY軸に平行であり、
前記ロボットハンドと前記固定治具との接触を判定する接触判定部と、
前記ロボットハンドと前記固定治具との接触時における前記ロボットハンドの制御点の位置姿勢を取得する位置取得部と、
前記位置取得部で取得された複数の前記制御点の位置姿勢に基づいて、前記ロボットハンドの姿勢をロボット座標系で算出する姿勢算出部と、
前記姿勢算出部で算出された前記ロボットハンドの姿勢に基づいて、前記ロボットハンドを前記固定治具に接触させる面である、前記固定治具の基準面に対して、前記制御点の位置姿勢を変更することで、前記ロボットハンドに固定されたツール座標系の方向を合わせる駆動部と、
前記ロボットハンドの直線部分を、前記固定治具の、ワーク座標系のX軸またはY軸の一方に平行な直線部分である端面に接触させて、ツール座標系のX軸またはY軸を、ワーク座標系のX軸またはY軸の一方と合わせるとともに、前記ロボットハンドの直線部分を、前記固定治具の、ワーク座標系のX軸またはY軸の他方に平行な直線部分である端面に接触させて、ツール座標系のX軸およびY軸の位置を取得し、前記制御点から前記ロボットハンドの先端面までの距離を算出する位置算出部と、
を備えたことを特徴とするロボットの校正装置。 - 前記ロボットが、前記作業対象である他のロボットとの位置関係の誤差を修正することを特徴とする請求項1から請求項3までの何れか1項に記載のロボットの校正装置。
- 前記ロボットが、前記作業対象であるロボット外部に固定されたカメラとの位置関係の誤差を修正することを特徴とする請求項1から請求項3までの何れか1項に記載のロボットの校正装置。
- ロボットのロボットハンドと作業対象との位置関係の誤差を修正するロボットの校正方法であって、前記作業対象の基準面が、ワーク座標系のXY平面に平行な面であり、前記ロボットハンドの直線部分が、ツール座標系のX軸またはY軸に平行であり、
前記ロボットハンドと前記作業対象との接触を判定する接触判定ステップと、
前記ロボットハンドと前記作業対象の同一面に対する接触時における前記ロボットハンドの制御点の位置姿勢を取得する位置取得ステップと、
前記位置取得ステップで取得された複数の前記制御点の位置姿勢に基づいて、前記作業対象の姿勢をロボット座標系で算出する姿勢算出ステップと、
前記姿勢算出ステップで算出された前記作業対象の、前記ロボットハンドが接触する面である基準面に対して、前記ロボットハンドの基準となる部分の方向を合わせる駆動ステップと、
前記ロボットハンドの直線部分を、前記作業対象の、ワーク座標系のX軸またはY軸の一方に平行な直線部分である端面に接触させて、ツール座標系のX軸またはY軸を、ワーク座標系のX軸またはY軸の一方と合わせるとともに、前記ロボットハンドの直線部分を、前記作業対象の、ワーク座標系のX軸またはY軸の他方に平行な直線部分である端面に接触させて、ツール座標系のX軸およびY軸の位置を取得し、ワーク座標系の原点を求める位置算出ステップと、
を備えたことを特徴とするロボットの校正方法。 - 前記ロボット座標系で算出された前記作業対象の原点の座標に基づいて、ワーク座標系から前記ロボット座標系への変換行列を作成する変換行列算出ステップと、
前記変換行列を用いて、前記ワーク座標系で表された前記作業対象上の教示点の座標を前記ロボット座標系の座標に座標変換する座標変換ステップと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項7に記載のロボットの校正方法。 - ロボットと前記ロボットが備えるロボットハンドとの位置関係の誤差を修正するロボットの校正方法であって、固定治具の基準面が、ワーク座標系のXY平面に平行な面であり、前記ロボットハンドの直線部分が、ツール座標系のX軸またはY軸に平行であり、
前記ロボットハンドと固定治具との接触を判定する接触判定ステップと、
前記ロボットハンドと前記固定治具との接触時における前記ロボットハンドの制御点の位置姿勢を取得する位置取得ステップと、
前記位置取得ステップで取得された複数の前記制御点の位置姿勢に基づいて、前記ロボットハンドの姿勢をロボット座標系で算出する姿勢算出ステップと、
前記姿勢算出ステップで算出された前記ロボットハンドの姿勢に基づいて、前記ロボットハンドを前記固定治具に接触させる面である、前記固定治具の基準面に対して、前記制御点の位置姿勢を変更することで、前記ロボットハンドに固定されたツール座標系の方向を合わせる駆動ステップと、
前記ロボットハンドの直線部分を、前記固定治具の、ワーク座標系のX軸またはY軸の一方に平行な直線部分である端面に接触させて、ツール座標系のX軸またはY軸を、ワーク座標系のX軸またはY軸の一方と合わせるとともに、前記ロボットハンドの直線部分を、前記固定治具の、ワーク座標系のX軸またはY軸の他方に平行な直線部分である端面に接触させて、ツール座標系のX軸およびY軸の位置を取得し、前記制御点から前記ロボットハンドの先端面までの距離を算出する位置算出ステップと、
を備えたことを特徴とするロボットの校正方法。 - 前記ロボットが、前記作業対象である他のロボットとの位置関係の誤差を修正することを特徴とする請求項7または請求項8に記載のロボットの校正方法。
- 前記ロボットが、前記作業対象であるロボット外部に固定されたカメラとの位置関係の誤差を修正することを特徴とする請求項7または請求項8に記載のロボットの校正方法。
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