JP6235664B2 - ロボットの機構パラメータを校正するために使用される計測装置 - Google Patents

Description

ロボットおよび工作機械を備えた計測装置に関する。

産業用の多関節ロボットの全動作範囲にわたって位置決め精度を向上させるために、機構パラメータのキャリブレーションを自動的に行うことが公知である。

特許文献１には、ターゲットを認識する受光デバイスを用いてロボットの先端位置と制御可能な駆動軸の変位との関係を自動的に計測するとともに、機構部の寸法誤差およびその弾性変形量等の定式化可能な誤差を求める方法が開示されている。また、特許文献１には、ロボットの全動作範囲にわたって精度向上を実現するために、複数のターゲットを設置するとともに、それぞれのターゲットに対して複数回の計測を行うことが記載されている。

ロボットの作業範囲内において位置決め精度を均一に向上することを目的として、ロボットの作業範囲内に複数のターゲットを設置して、それぞれのターゲットに対して複数回の計測を行う場合、各ターゲット位置の誤差を、同定計算すべきパラメータに追加する必要がある。そのため、設置されるターゲットの数が増えるのに従って計測回数を増やす必要がある。例えば、特許文献１に記載された発明では、計測すべきターゲットの位置が１つ増えると、ターゲット位置の誤差パラメータが３つ増えることになる。計測位置および姿勢を１つ増やせば、同定計算に利用できる式の数が３つ増えるので、誤差パラメータの増大に対応するためにターゲットの位置を１つ増やす度に計測位置および姿勢を１つ増やす必要がある。

特開２００８−０１２６０４号公報 特開２００５−２０１８２４号公報

ロボットの作業範囲内において位置決め精度を均一に向上させることを目的として複数のターゲットに対して複数回の計測を行う際に、より簡素な態様で計測できる計測装置が求められている。

本願の１番目の発明によれば、受光デバイスをアームの先端に備えた多関節のロボットと、前記ロボットの動作範囲内に設けられた工作機械と、を備えていて、前記受光デバイスを利用して前記工作機械に固定されたターゲットを計測する計測装置であって、前記ターゲットは、前記受光デバイスの受光面上に結像した該ターゲットの位置の情報、および前記受光デバイスと該ターゲットとの間の距離に関連する長さの情報を特定可能にする幾何学的特徴を有しており、前記工作機械の複数の停止位置と、前記工作機械が前記複数の停止位置に配置されているときに、前記ターゲットが前記受光デバイスの視野内に含まれるような前記ロボットの複数の計測位置および姿勢と、を決定する計測位置姿勢決定部と、前記工作機械を前記複数の停止位置に順次位置決めするとともに、前記複数の停止位置にそれぞれ対応する前記複数の計測位置および姿勢に前記ロボットを順次位置決めする位置決め部と、前記ターゲットを前記受光デバイスの受光面上に結像するとともに、前記ターゲットの前記位置の情報および前記長さの情報に基づいて、前記受光デバイスと前記ターゲットとの間の距離の情報を検出するターゲット検出部と、前記工作機械を前記停止位置に配置するとともに前記ロボットを前記計測位置および姿勢に配置した状態において、前記受光デバイスの受光面上における前記ターゲットの位置と、前記受光デバイスによって取得される画像の所定箇所との差が、予め定められる誤差以内になり、かつ前記距離の情報と予め定められる値との差が、予め定められる誤差以内になるように、前記ロボットを移動するロボット移動部と、前記ロボット移動部によって移動させられた後の前記ロボットの位置および姿勢を、前記工作機械の停止位置および前記計測位置および姿勢に関連付けられた終点として記憶するロボット終点記憶部と、前記複数の停止位置および前記複数の計測位置および姿勢にそれぞれ対応する複数の前記終点と前記複数の停止位置とに基づいて、前記ロボットの機構パラメータの誤差、および前記ロボットの座標系と前記工作機械の座標系との間の相対関係を同時に求める計算部と、を備えることを特徴とする計測装置が提供される。
本願の２番目の発明によれば、１番目の発明に係る計測装置において、前記計測位置姿勢決定部は、前記受光デバイスと前記ターゲットの所定点との間の距離が一定であり、かつ該所定点を通る前記受光デバイスの視線の傾きが異なるような前記複数の計測位置姿勢を決定するように構成される。
本願の３番目の発明によれば、１番目の発明に係る計測装置において、前記計測位置姿勢決定部は、前記ターゲットの所定点を通る前記受光デバイスの視線の姿勢が一定であり、かつ前記受光デバイスと前記ターゲットの該所定点との間の距離が異なるような前記複数の計測位置姿勢を決定するように構成される。
本願の４番目の発明によれば、１番目の発明に係る計測装置において、前記計測位置姿勢決定部は、前記複数の計測位置および姿勢を自動的に生成するように構成される。
本願の５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明に係る計測装置において、前記計算部は、ニュートンラプソン法、遺伝的アルゴリズムおよびニューラルネットワークを含む非線形問題の最適化法を利用することにより、前記ロボットの機構パラメータの誤差を求めるように構成される。
本願の６番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明に係る計測装置において、前記受光デバイスは、２次元画像を撮像するように構成されるＣＣＤカメラである。
本願の７番目の発明によれば、１番目の発明に係る計測装置において、前記ターゲットが円形状のマークを有しており、前記長さの情報は、前記受光デバイスの受光面に結像した前記マークに対応する楕円の長軸長を含む。
本願の８番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明に係る計測装置において、前記受光デバイスは、受光量分布の重心を求めるように構成されるＰＳＤである。
本願の９番目の発明によれば、８番目の発明に係る計測装置において、前記ターゲットは発光体である。
本願の１０番目の発明によれば、１番目から９番目のいずれかの発明に係る計測装置において、前記計算部は、前記受光デバイスの注視点の位置と、前記ターゲットに形成されたマークの所定点の位置との誤差に基づいて、前記ロボットの機構パラメータの誤差を求めるように構成される。
本願の１１番目の発明によれば、受光デバイスをアームの先端に備えた多関節のロボットと、前記ロボットの動作範囲内に設けられた工作機械と、を備える計測装置を用いて、前記ロボットの機構パラメータを校正するキャリブレーション方法であって、前記工作機械の複数の停止位置と、前記工作機械が前記複数の停止位置に配置されているときに、前記工作機械に固定されたターゲットが前記受光デバイスの視野内に含まれるような前記ロボットの複数の計測位置および姿勢と、を決定し、前記工作機械を前記複数の停止位置に順次位置決めするとともに、前記複数の停止位置にそれぞれ対応する前記複数の計測位置および姿勢に前記ロボットを順次位置決めし、前記ターゲットを前記受光デバイスの受光面上に結像するとともに、前記ターゲットの位置の情報、および長さの情報に基づいて前記受光デバイスと前記ターゲットとの間の距離の情報を検出し、前記工作機械を前記停止位置に配置するとともに前記ロボットを前記計測位置および姿勢に配置した状態において、前記受光デバイスの受光面上における前記ターゲットの位置と、前記受光デバイスによって取得される画像の所定箇所との差が、予め定められる誤差以内になり、かつ前記距離の情報と予め定められる値との差が、予め定められる誤差以内になるように、前記ロボットを移動し、前記差に基づいて移動した後の前記ロボットの位置および姿勢を、前記工作機械の停止位置および前記計測位置および姿勢に関連付けられた終点として記憶し、前記複数の停止位置および前記複数の計測位置および姿勢にそれぞれ対応する複数の前記終点と前記複数の停止位置とに基づいて、前記ロボットの機構パラメータの誤差、および前記ロボットの座標系と前記工作機械の座標系との間の相対関係を同時に求めることを含む、キャリブレーション方法が提供される。
本願の１２番目の発明によれば、１１番目の発明に係るキャリブレーション方法において、前記ロボットの機構パラメータの誤差を求める際に、前記受光デバイスの注視点の位置と、前記ターゲットに形成されたマークの所定点の位置との誤差に基づいて、前記ロボットの機構パラメータの誤差を求めることを含む。

これら並びに他の本発明の目的、特徴および利点は、添付図面に示される本発明の例示的な実施形態に係る詳細な説明を参照することによって、より明らかになるであろう。

本発明によれば、工作機械を移動させることによって複数の位置に配置されるターゲットに対して計測を行い、ロボットの機構パラメータを補正する。それにより、複数のターゲットを設置する場合に比べて少ない計測回数で、ロボットの動作範囲にわたって精度を均一に向上させられる。また、本発明によれば、機構パラメータの誤差と同時に、ロボット座標系と工作機械座標系との間の相対姿勢関係を表す回転行列の誤差を求められるようになる。

一実施形態に係る計測装置の構成を概略的に示した図である。 一実施形態に係るロボット制御装置のブロック構成を示した図である。 一実施形態に係る画像処理装置のブロック構成を示した図である。 一実施形態に従って実行される工作機械の処理の概略を示すフローチャートである。 一実施形態に従って実行されるロボットの処理の概略を示すフローチャートである。 図５のフローチャートのステップＲ７における処理に関連する説明図である。 カメラおよびターゲットの相対位置関係を示す図である。 図７Ａに対応するモニタ画面を示す図である。 カメラおよびターゲットの相対位置関係を示す図である。 図８Ａに対応するモニタ画面を示す図である。 図５のフローチャートのステップＲ８における処理の概略を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるために縮尺が適宜変更されている。同一または対応する構成要素には、同一の参照符号が使用される。

図１は、一実施形態に係る計測装置１０の構成を概略的に示す図である。計測装置１０は、多関節ロボット１と、ロボット１の動作範囲内に設けられた工作機械８と、を備えている。図１に示されるように、ロボット１は、アーム１ａおよびベース１ｂを含む任意の公知の構成を有するロボットである。ロボット１は、ロボット１を制御するロボット制御装置５に接続されている。アーム１ａの先端、すなわちツール取付面３２には、カメラ４が取り付けられている。

ロボット１には、ロボット座標系Σｂおよびメカニカルインタフェイス座標系Σｆがそれぞれ設定される。ロボット座標系Σｂは、ロボット１のベース１ｂに固定された、すなわち作業空間に固定された座標系である。メカニカルインタフェイス座標系Σｆは、ツール取付面３２に固定されていて、ロボット１の動作に従ってその位置および姿勢が変化する座標系である。ロボット制御装置５は、メカニカルインタフェイス座標系Σｆの原点の位置および姿勢を常時取得するように構成される。

操作キーを備えた公知の教示操作盤１８が、ロボット制御装置５に接続されている。作業者は、操作キーを手動で操作することにより、ロボット１を操作することができる。

工作機械８には、工作機械座標系Σｍが設定される。工作機械８は、公知の操作キーを備えており、作業者は、操作キーを操作することにより、工作機械８を操作することができるとともに、工作機械８に固定されているターゲット６の、工作機械座標系Σｍにおける位置の変化量を取得することができる。

カメラ４は、例えばＣＣＤカメラであり、撮像により２次元画像を受光面（ＣＣＤアレイ面上）で検出する機能を持つ公知の受光デバイスである。カメラ４は、ＬＣＤまたはＣＲＴ等からなるモニタ３を備えた画像処理装置２に接続されている。本実施形態において、カメラ４は、工作機械８に固定されているターゲット６のマーク７を撮像するために使用される。一実施形態において、ターゲット６は光源を備えた発光体であってもよい。その場合、受光量分布の重心を求めるように構成されたＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が受光デバイスとして使用される。

ロボット制御装置５は、図２に示されるような公知のブロック構成を有する。すなわち、ロボット制御装置５は、メインＣＰＵ（以下、単に「ＣＰＵ」と称する。）１１に接続されたバス１７に対して、メモリ１２、教示操作盤用インタフェイス１３、外部装置用の入出力インタフェイス１６、サーボ制御部１５および通信インタフェイス１４が並列に接続されている。メモリ１２は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、不揮発性メモリ等を含んでいる。

教示操作盤用インタフェイス１３に接続される教示操作盤１８は、ディスプレイを備えた公知の構成を有している。作業者は、教示操作盤１８を手動で操作することにより、ロボットの動作プログラムの作成、修正および登録、または各種パラメータの設定、或いは教示された動作プログラムの再生運転、ジョグ送り等を実行できる。

ロボット１およびロボット制御装置５の基本機能を制御するシステムプログラムは、メモリ１２のＲＯＭに格納される。また、アプリケーションに応じて教示されるロボットの動作プログラムおよび関連する設定データは、メモリ１２の不揮発性メモリに格納される。また、後述する種々の処理（機構パラメータを求める際のロボットの移動およびそのための画像処理装置との通信等を行うための処理）のためのプログラム、パラメータ等のデータもメモリ１２の不揮発性メモリに格納される。

メモリ１２のＲＡＭは、ＣＰＵ１１によって実行される種々の処理に関連するデータを一時的に記憶するために使用される。サーボ制御部１５は、サーボ制御器＃１〜＃ｎ（ｎはロボットの軸総数であり、例えば、ｎ＝６である）を備えている。サーボ制御部１５は、移動指令と、各軸に設けられたパルスコーダ（図示せず）から受信するフィードバック信号と、に基づいて、サーボアンプＡ１〜Ａｎに対してトルク指令を出力する。移動指令は、ロボット１を制御するための演算処理（軌道計画作成およびそれに基づく補間、逆変換等）に従って公知の方法で作成される。

各々のサーボアンプＡ１〜Ａｎは、対応するトルク指令に基づいて各軸のサーボモータに電流を供給してそれらを駆動する。通信インタフェイス１４は、画像処理装置２（図１参照）に接続されている。通信インタフェイス１４を介して、画像処理装置２とロボット制御装置５との間で後述する計測に関連する指令および計測結果データ等の送受信が行なわれる。

画像処理装置２は、図３に示されるような公知のブロック構成を有する。画像処理装置２は、マイクロプロセッサから構成されるＣＰＵ２０を有している。ＣＰＵ２０には、バスライン３０を介して、ＲＯＭ２１、画像処理プロセッサ２２、カメラインタフェイス２３、モニタインタフェイス２４、入力機器（Ｉ／Ｏ）２５、フレームメモリ（画像メモリ）２６、不揮発性メモリ２７、ＲＡＭ２８および通信インタフェイス２９がそれぞれ接続されている。

カメラインタフェイス２３には、撮像手段であるカメラ４（例えば、ＣＣＤカメラ）が接続されている。カメラ４は、電子シャッタ機能を有しており、カメラインタフェイス２３を介して受信する撮影指令に応答して、撮影を実行するように構成される。カメラ４によって撮影された映像データは、カメラインタフェイス２３を介して、グレイスケール信号の形式でフレームメモリ２６に格納される。

モニタインタフェイス２４は、モニタ３（図１参照）に接続されている。モニタ３は、カメラ４による撮影中の画像、フレームメモリ２６に格納された過去の画像、および画像処理プロセッサ２２によって処理された画像等を必要に応じて表示する。

図１に示されるように、ロボット１のツール取付面３２に取付けられたカメラ４は、工作機械８に固定されているターゲット６のマーク７を撮像する。フレームメモリ２６に格納されたマーク７の映像信号は、画像処理プロセッサ２２を利用して解析され、その２次元位置および大きさ等が求められる（詳細は後述）。マーク７は、カメラ４の受光面に結像するターゲット６の位置の情報およびカメラ４とターゲット６との間の距離に関連する長さの情報を特定可能にする、ターゲット６の幾何学的特徴である。

画像処理に必要な解析プログラムおよびパラメータ等は、不揮発性メモリ２７に格納されている。また、ＲＡＭ２８は、ＣＰＵ２０によって実行される種々の処理に関連するデータを一時的に記憶するために使用される。通信インタフェイス２９は、ロボット制御装置５の通信インタフェイス１４を介してロボット制御装置５に接続される。

図１を再度参照すれば、カメラ４の視線４０が、カメラ４の代表点（例えば、カメラレンズの中心）からターゲット６に向かって延びる直線として描かれている。図１に示す座標系Σｖは、視線４０を代表する座標系である。座標系Σｖは、原点が視線４０上に位置するとともに、１つの座標軸（例えば、Ｚ軸）が視線４０に一致するように設定される。

なお、メカニカルインタフェイス座標系Σｆは、前述したようにツール取付面３２の位置および姿勢を代表する座標系であるものの、本明細書においては、ロボット１の位置および姿勢を代表する座標系でもある。すなわち、特に言及されない限り、「ロボットの位置」とは、ロボット座標系Σｂにおける、メカニカルインタフェイス座標系Σｆの原点の位置を意味する。「ロボットの位置」にロボットの姿勢が含まれる場合、「ロボットの位置」は、ロボット座標系Σｂにおける、メカニカルインタフェイス座標系Σｆの原点の位置および姿勢を意味する。

本実施形態に係る計測装置１０は、ロボット１の機構パラメータを校正するためにターゲット６のマーク７を検出する。図１に示されるように、ロボット制御装置５は、計測位置姿勢決定部５１と、位置決め部５２と、ターゲット検出部５３と、ロボット移動部５４と、ロボット終点記憶部５５と、計算部５６と、を備えている。

計測位置姿勢決定部５１は、工作機械８の複数の停止位置と、工作機械８が複数の停止位置に配置されているときに、ターゲット６がカメラ４の視野内に含まれるようなロボット１の複数の計測位置および姿勢と、を決定する。

計測位置姿勢決定部５１は、カメラ４とターゲット６の所定点との間の距離が一定であり、かつ該所定点を通るカメラ４の視線の傾きが異なるような複数の計測位置姿勢を決定するように構成されてもよい。

計測位置姿勢決定部５１は、ターゲット６の所定点を通るカメラ４の視線の姿勢が一定であり、かつカメラ４とターゲット６の該所定点との間の距離が異なるような複数の計測位置姿勢を決定するように構成されてもよい。

計測位置姿勢決定部５１は、複数の計測位置および姿勢を自動的に生成するように構成されてもよい。

位置決め部５２は、工作機械８を複数の停止位置に順次位置決めするとともに、複数の停止位置にそれぞれ対応する複数の計測位置および姿勢にロボット１を順次位置決めする。

ターゲット検出部５３は、ターゲット６をカメラ４の受光面上に結像するとともに、ターゲット６の位置の情報および長さの情報に基づいて、カメラ４とターゲット６との間の距離の情報を検出する。

ロボット移動部５４は、工作機械８を停止位置に配置するとともにロボット１を計測位置および姿勢に配置した状態において、カメラ４の受光面上におけるターゲット６の位置と、カメラ４によって取得される画像の所定箇所との差が、予め定められる誤差以内になり、かつ距離の情報と予め定められる値との差が、予め定められる誤差以内になるように、ロボット１を移動する。

ロボット終点記憶部５５は、ロボット移動部５４によって移動させられた後のロボット１の位置および姿勢を、工作機械８の停止位置および計測位置および姿勢に関連付けられた終点として記憶する。

計算部５６は、複数の停止位置および複数の計測位置および姿勢にそれぞれ対応する複数の終点と複数の停止位置とに基づいて、ロボット１の機構パラメータの誤差、およびロボット座標系Σｂと工作機械座標系Σｍとの間の相対関係を同時に求める。

計算部５６は、ニュートンラプソン法、遺伝的アルゴリズムおよびニューラルネットワークを含む非線形問題の最適化法を利用することにより、ロボット１の機構パラメータの誤差を求めるように構成されてもよい。

図４および図５のフローチャートを参照して、本実施形態に係る計測装置において実行される機構パラメータのキャリブレーション方法について説明する。図４は、工作機械８の処理の概略を示すフローチャートであり、図５は、ロボット１の処理の概略を示すフローチャートである。

ステップＭ１では、ターゲット６を工作機械８に固定する。ステップＲ１では、ロボット１のツール取付面３２にカメラ４を取付ける。ターゲット６およびカメラ４は、正確な位置に設置されなくてもよいものの、計測途中で位置が変化しないように固定される。

ステップＭ２では、画像上のターゲット６の移動方向および移動距離と、工作機械８の移動方向および移動距離との間の関係を求める。ステップＲ２では、画像上のターゲット６の移動方向および移動距離と、ロボット１の移動方向および移動距離との間の関係を求める。これらの関係は、ロボット１または工作機械８をどのように動かせば、画像上のターゲット６を意図する方向に意図する距離だけ移動させられるかを求めるために使用される。例えば、ロボット１または工作機械８を複数回並進移動させ、その都度、カメラ４の受光面上に結像したターゲット６の図形の特徴値を検出することによって、ロボット１または工作機械８の各軸の移動方向および移動距離と、ターゲット６の特徴値の変化との間の関係が求められる。

本実施形態では、工作機械８のｍ個の停止位置に対して、ロボット１のｎ_i個（ｉ＝１，２，・・・，ｍ）の計測位置および姿勢で計測をそれぞれ実行する。工作機械８の停止位置の番号を指標「ｉ」で表す。工作機械座標系Σｍにおけるｉ番目の工作機械の停止位置を^Mｐ_iで表す。

ステップＭ３では、指標iに「１」を入力する。ステップＭ４では、作業者が工作機械８を初期停止位置^Mｐ₁に移動させる。工作機械８は、^Mｐ₁を記録し、移動完了信号をロボット制御装置５に送信する。

ロボット制御装置５が移動完了信号を受信したら（ステップＲ３）、ステップＲ４に進み、指標ｉが「１」であるか否かを判定する。指標ｉが「１」である場合、ステップＲ５に進み、工作機械８が停止位置^Mｐ₁に配置されているときにおいて、ターゲット６のマーク７がカメラ４の視野内に入るように（例えば、画像処理装置２のモニタ３にマーク７が映るように）、作業者がロボット１を移動させる。

ステップＲ６では、工作機械が停止位置^Mｐ₁に配置されているときの、ロボット座標系Σｂにおけるマーク７の所定点の位置（ターゲット６の初期位置）^Bｐ_tと、メカニカルインタフェイス座標系Σｆにおけるカメラ４の注視点３１の位置^Fｐ_Sと、を自動的に計測する。

ステップＲ６での計測を実行するために、例えば、特許文献２に記載された公知技術を利用できる。この公知技術によれば、カメラ４の注視点３１をロボット座標系Σｂにおけるマーク７の所定点に合わせた状態で複数の方向から（複数のロボット姿勢で）計測を行い、注視点３１の位置^Fp_Sおよびマーク７の所定点の位置^Bｐ_tを算出する。注視点３１を、ロボットの手先に装着されたツール先端点（ＴＣＰ（Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ）に置換して考えれば、この方法は、ロボット座標系の所定点に複数方向から機械的にタッチアップして、ＴＣＰおよびマーク７の所定点の位置を算出する従来の方法に類似している。

なお、この段階では、カメラ４およびターゲット６の位置を高精度に計算する必要はない。すなわち、注視点３１をターゲット６の所定点に一致させた状態で注視点３１周りにロボット１の姿勢を変化させたときに、ターゲット６がカメラ４の視野から外れない程度であれば十分である。

ステップＲ７では、工作機械８が停止位置^Mｐ_iに配置されているときのターゲット６の位置に対する、ｎ_i個の計測位置および姿勢^BＰ’_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）を決定するとともに、ロボット制御装置５が、計測位置および姿勢^BＰ’_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）を記録する。

本実施例では、計測位置および姿勢^BＰ’_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）を後述するように自動的に算出する。まず、指標ｉが「１」であるとき、工作機械が停止位置^Mｐ₁に配置されているときのターゲット６の位置に対するロボット１のｎ個の位置および姿勢を、ステップＲ６において算出されたロボット座標系Σｂにおけるターゲット６の初期位置^Bｐ_tと、メカニカルインタフェイス座標系Σｆにおけるカメラ４の注視点３１の位置^Fp_Sと、に基づいて、自動的に算出して記録する。

ｎ個の位置および姿勢は、第１の例として、カメラ４とマーク７の所定点との間の距離が一定であり、かつその所定点を通るカメラ４の視線４０の傾きが異なる複数の位置および姿勢を含んでいてもよい。或いは、ｎ個の位置および姿勢は、第２の例として、マーク７の所定点を通るカメラ４の視線４０の姿勢が一定であり、かつカメラ４とその所定点との間の距離が異なる複数の位置および姿勢を含んでいてもよい。

図６は、第１の例に従って、カメラ４とマーク７の所定点との間の距離が一定であり、かつ所定点を通るカメラ４の視線４０の傾きが異なる３つの位置および姿勢を示している。

なお、ｎ個の位置および姿勢を自動的に算出するために、先ずステップＲ６でカメラ４の注視点３１とターゲット６とを位置合わせして得られたロボット１の位置および姿勢を基本位置姿勢とし、次にカメラ４の注視点３１の位置を一定とした上でカメラ４の姿勢角に所定値を加算してもよい。それにより、ロボット１の動作範囲内に含まれる複数の位置および姿勢が自動的に生成される。

或いは、カメラ４の注視点３１の位置を一定とした上でロボット１の動作範囲に対応するカメラ４の姿勢角の範囲を算出するとともに、その姿勢角の範囲に含まれる任意の複数の角度（例えば、姿勢角範囲を等分して得られる角度）に対して、複数の位置および姿勢を生成する方法を採用してもよい。

このようにして工作機械８が停止位置^Mｐ₁に配置されているときのターゲット６の位置に対するロボットのｎ個の位置および姿勢を自動算出して記録した後、指標ｉが「１」であるときは、ｎ個の位置および姿勢の中からｎ₁個の位置および姿勢を選択し、工作機械８が停止位置^Mｐ₁に配置されているときのターゲット６の位置に対するロボット１のｎ₁個の計測位置および姿勢^BＰ’_1,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ₁）として決定し、記録する。

ステップＲ８では、工作機械８が停止位置^Mｐ_iに配置されているときのターゲット６の位置について、ロボット１のｎ_i個の計測位置および姿勢^BＰ’_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）を起点として順番に「自動タッチアップ処理」を実行する。「自動タッチアップ処理」終了時点のロボット１の位置および姿勢^BＰ_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）を終点として記録し、ロボット制御装置５が「自動タッチアップ処理」終了信号を工作機械８に送信する。「自動タッチアップ処理」では、カメラ４の受光面上に結像したマーク７の形状の幾何学的特徴を示す値またはパラメータが所定の条件を満足するように、ロボット１を移動させる。

「自動タッチアップ処理」の詳細を図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂおよび図９を参照して説明する。例えば、マーク７は、中心の位置を示す十字線が描かれた円形状を有しており、カメラ４の受光面上に結像されたターゲット６の幾何学的特徴値は、楕円の中心位置および長軸長とする（図７Ｂ参照）。通常、カメラ４の受光面は、ターゲット６のマーク７の平面に対して傾斜しているので、円形のマーク７は、画像上において楕円として現れることになる。マーク７は、円形以外の他の形状または文字或いは記号であってもよい。

カメラ４とターゲット６との位置がずれている場合（図７Ａ参照）、図７Ｂに示されるように、受光面に結像された楕円形のマーク画像７ａが、受光面の所定点（例えば、受光面の中心Ｍ）からずれており、また、マーク画像７ａの長軸長がマーク７の直径よりも短くなっている。

そこで、図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、ロボット１を移動させることによって、マーク画像７ａの中心が受光面の中心Ｍに一致するように、かつマーク画像７ａの長軸長がマーク７の直径に一致するように、カメラ４とターゲット６との間の相対位置関係を変化させる。

より具体的には、受光面上においてマーク画像７ａの中心と受光面の中心Ｍとの差、並びにマーク画像７ａの長軸長とマーク７の直径との差が、予め定められる誤差以内になるよう自動的にロボット１を移動させる。受光面上では画像処理によってマーク画像７ａの特徴値を検出できるので、検出結果に従って、上記処理を実行できる。

図９を参照して、カメラ４によって撮像されたマーク画像７ａを画像上の中心Ｍに移動させるとともに、画像の大きさを適合させる「自動タッチアップ処理」について説明する。

ステップＳ１では、カメラ４によってマーク７を撮像する。これにより、例えば図７Ｂに示されるマーク画像７ａが得られる。

ステップＳ２では、画像上におけるマーク７の図形の位置および大きさ（例えば、画面上におけるマーク画像７ａの中心位置およびマーク画像７ａの長軸長）を画像処理装置２によって検出する。

ステップＳ３では、ステップＳ２で求められたターゲット６の図形の位置および大きさが、画像上における所定点（例えば、受光面の中心点Ｍ）および所定長（例えば、マーク７の直径）にそれぞれ一致しているか否かを判定する。具体的には、中心点Ｍとマーク画像７ａの中心との間の距離、およびマーク画像７ａの長軸長とマーク７の直径との差が、いずれも、画像上において許容可能な予め定められる誤差、すなわち閾距離δ_image以下である場合、ターゲット６の位置および大きさが所定点および所定長に「一致」していると判定し、処理を終了する。

前述した距離の差および長軸長と直径との差の少なくともいずれか一方が閾距離δ_imageよりも大きい場合、ターゲット６の位置および大きさが所定点および所定長に対して「不一致」であると判定し、ステップＳ４へ進む。なお、画像上における距離は、例えば、当該距離に対応する正方形の「画素」の数に置換して計測することができる。

ステップＳ４では、マーク画像７ａを画像上の中心Ｍに移動させるとともに、マーク画像７ａの長軸長が所定値に一致するようにロボット並進指令を作成する。ここで、ロボット並進指令とは、ロボット１の姿勢、すなわちメカニカルインタフェイス座標系Σｆの姿勢を、空間に固定されたロボット座標系Σｂにおいて変更することなく、ロボット１を移動させる移動指令を意味する。

ステップＳ５では、前述したロボット並進指令に従って、ロボット１を移動させる。ロボット１の移動が完了したらステップＳ１へ戻る。そして、ステップＳ３において「一致」の判定が出されるまで、ステップＳ１〜Ｓ５の処理を繰り返す。

前述した「自動タッチアップ処理」を終了した時点のロボット位置（終点）は、画像上におけるマーク７の中心位置と所定点との間の距離、およびマーク画像７ａの長軸長と所定の大きさとの差がいずれも閾距離δ_image以下になっている。

再び図４を参照し、工作機械８が、ステップＭ５において「自動タッチアップ処理」終了信号を受信した場合、ステップＭ６に進む。ステップＭ６では、指標ｉが「ｍ」に等しいか否かを判定する。指標ｉが「ｍ」よりも小さい場合、ステップＭ７において、指標ｉが「１」だけインクリメントされるとともに、ステップＭ４に戻る。そして、ステップＭ４において、作業者が工作機械８を次の停止位置^Mｐ_iに移動させ、工作機械８は停止位置^Mｐ_iを記録するとともに、移動完了信号をロボット制御装置５に送信する。

図５を参照し、ステップＲ３において、ロボット制御装置５が移動完了信号を受信した場合、ステップＲ４に進む。ステップＲ４では、指標ｉが「１」に等しいか否かを判定する。指標ｉが「１」より大きい場合、ステップＲ７に進み、工作機械８が停止位置^Mｐ_iに配置されているときのターゲット位置に対するｎ_i個の計測位置および姿勢^BＰ’_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）を決定する。本実施形態においては、指標ｉが「１」であるときにステップＲ７で記録されたｎ個の位置および姿勢を利用して、計測位置および姿勢を自動的に算出する。

次に、計測位置および姿勢の算出方法について説明する。まず、ステップＭ２で求められた画像上におけるターゲット６の移動と工作機械８の移動との間の関係と、ステップＲ２で求められた画像上におけるターゲット６の移動とロボット１の移動との間の関係と、に基づいて、ロボット座標系Σｂと工作機械座標系Σｍとの間の相対姿勢関係を表す回転行列^BＲ_Mを求める。

なお、この段階では、回転行列^BＲ_Mを高精度に計算しなくてもよい。例えば、ターゲット６がカメラ４の視野内に含まれている状態から工作機械８を並進移動させてターゲット６を移動させたときに、回転行列^BＲ_Mから計算されたロボット座標系Σｂにおけるターゲット６の移動方向および移動距離だけロボット１を並進移動させて、ターゲット６がカメラ４の視野から外れない程度であれば十分である。

そして、指標ｉが「１」であるときにステップＲ７において記録したｎ個の位置および姿勢の中からｎ_i個の位置および姿勢を選択し、^BＲ_M（^Mｐ_i−^Mｐ₁）だけ平行移動させた位置および姿勢を、工作機械８が停止位置^Mｐ_iに配置されているときのターゲット６の位置に対するロボット１のｎ_i個の計測位置および姿勢^BＰ’_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）として決定する。ロボット制御装置５は、計測位置および姿勢^BＰ’_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）を記録する。

ステップＲ８では、^BＰ’_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）を起点として順番に「自動タッチアップ処理」を実行する。「自動タッチアップ処理」終了時点のロボット位置姿勢^BＰ_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）を終点として記録するとともに、ロボット制御装置５が「自動タッチアップ処理」終了信号を工作機械８に送信する。

工作機械８が「自動タッチアップ処理」終了信号を受信した場合（ステップＭ５）、ステップＭ６に進み、指標ｉが「ｍ」に等しいか否かを判定する。指標ｉが「ｍ」よりも小さい場合、ステップＭ７に戻り、ステップＭ７，Ｍ４，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ７，Ｒ８，Ｍ５，Ｍ６の処理が繰返し実行される。

ステップＭ６で指標ｉが「ｍ」に等しいと判定された場合、工作機械８のすべての停止位置への移動が完了したことを意味する。その場合、ステップＭ８に進み、工作機械８は、計測終了信号をロボット制御装置５に送信する。

指標ｉが「ｍ」であるときに、ステップＭ４の処理が実行される前にステップＲ３が実行されたり、またはステップＭ８の処理が実行される前にステップＲ９が実行されたりした場合、ステップＲ１０，Ｒ９，Ｒ３の処理が繰返し実行される。

ステップＲ９において、ロボット制御装置５が計測終了信号を受信した場合、工作機械８の各停止位置および各終点におけるロボット１の位置および姿勢に基づいて、ロボット１の機構パラメータと、ロボット座標系Σｂと工作機械座標系Σｍとの間の回転行列を計算し、更新する。具体的には、ステップＲ１１において、工作機械８の各停止位置および各終点におけるロボット１の位置および姿勢について、ロボット座標系Σｂにおける注視点３１の位置とターゲット６の位置とが一致していることを前提として、ロボットのｐ個の機構パラメータＰ_K,0=［Ｐ_k,0,1，Ｐ_k,0,2，,・・・，Ｐ_k,0,p］の誤差と、メカニカルインタフェイス座標系Σｆにおける注視点３１の位置^Fp_S＝［Ｘ_S，Ｙ_S，Ｚ_S］の誤差と、工作機械８が停止位置^Mｐ₁に配置されているときのロボット座標系Σｂにおけるマーク７の所定点の位置^Bp_t＝［Ｘ_t，Ｙ_t，Ｚ_t］の誤差と、ロボット座標系Σｂと工作機械座標系Σｍとの間の回転行列^BＲ_Mの誤差とを同定計算する。回転行列^BＲ_Mは、オイラー角等により３つの変数Ｒ＝［φ，θ，ψ］を用いて表現され得る。

機構パラメータＰ_K,0、注視点３１の位置^Fp_S、およびマーク７の所定点の位置^Bｐ_t、変数Ｒの誤差のパラメータをＰ_ID＝［ΔＰ_k，ΔＰ_S，ΔＰ_t，ΔＲ］とする。誤差パラメータＰ_IDは、以下のように同定計算される。

ターゲット６の位置^Bｐ_tは、工作機械８が停止位置^Mｐ₁に配置されているときのロボット座標系Σｂにおけるターゲット６の位置である。したがって、工作機械８が停止位置^Mｐ_iに配置されているときのロボット座標系Σｂにおけるターゲット６の位置は、工作機械８の移動距離（^Mｐ_i−^Mｐ₁）に基づいて、式：^Bｐ_t＋^BＲ_M（^Mｐ_i−^Mｐ₁）を計算することによって求められる。

「自動タッチアップ処理」終了時点のロボットの位置および姿勢（終点）^BＰ_i,j（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）の位置を表すベクトルを^Bｐ_i,jとし、姿勢を表す回転行列を^BＲ_i,jとすると、ロボット座標系Σｂにおける注視点３１の位置は、メカニカルインタフェイス座標系Σｆにおける注視点３１の位置^Fｐ_Sを用いて、式：^Bｐ_i,j＋^BＲ_i,j ^Fｐ_Sを計算することによって求められる。

理想的な状態、すなわち誤差パラメータＰ_IDのすべての成分がゼロであり、工作機械８の位置決めに誤差がない場合は、工作機械８の各停止位置^Mｐ_i（ｉ＝１，２，・・・，ｍ）について、ロボット座標系Σｂにおける注視点３１の位置^Bｐ_i,j＋^BＲ_i,j ^Fp_S（ｊ＝１，２，・・・，ｎ_i）が、ロボット座標系Σｂにおけるターゲット６の位置^Bｐ_t＋^BＲ_M（^Mｐ_i−^Mｐ₁）に一致することになる。

誤差が生じない理想的な状態に対し、実際には、機構パラメータまたは回転行列の誤差を含む誤差パラメータＰ_IDに従って、ロボット座標系Σｂにおける注視点３１の位置と、ターゲット６の位置との間には位置誤差ｅ_i,j＝（^Bｐ_i,j＋^BＲ_i,j ^Fｐ_S）−（^Bｐ_t＋^BＲ_M（^Mｐ_i−^Mｐ₁））が存在する。幾何学的関係から分かるように、ロボット１の各駆動軸の値を一定値に固定して考えた場合は、^Bｐ_i,j＋^BＲ_i,j ^Fｐ_SはＰ_IDの関数になる。したがって、ｅ_i,jもＰ_IDの関数になる。

ニュートンラプソン法を用いて、工作機械８の各停止位置、各終点におけるロボット１の位置および姿勢に対応するロボット座標系Σｂにおける注視点３１の位置^Bｐ_i,j＋^BＲ_i,j ^Fｐ_Sと、ロボット座標系Σｂにおけるターゲット位置^Bｐ_t＋^BＲ_M（^Mp_i−^Mｐ₁）との誤差Ｅ＝［ｅ_1,1，・・・，ｅ_i,j，・・・，ｅ_m,nm］が最小値をとるようなＰ_IDを求める。そして、ロボット１の機構パラメータが算出された値に置換されることによって更新される。

本実施形態に係る計算システムによれば、工作機械８の高い位置決め精度を利用して、工作機械８の移動距離から工作機械８に固定されたターゲット６の位置が求められる。そのため、ターゲット６の位置を増やす度に計測位置および姿勢を増やす必要がなくなる。具体的には、本実施形態においては、回転行列の誤差パラメータが３つ増えるものの、計測されるターゲットの位置の数ｍを増やしても、同定計算されるべきパラメータは増えない。そのため、２箇所のターゲット位置について計測を行う場合（ｍ＝２）、同定計算するために必要な計測位置および姿勢の数は複数のターゲットを設置する場合と変わらない。しかしながら、３箇所以上のターゲット位置について計測を行う場合（ｍ＞２）、同定計算するために必要な計測位置および姿勢の数は、複数のターゲットを設置する場合とくらべてｍ−２だけ少なくできる。

このように、本実施形態によれば、簡素な態様で、ロボット１の動作範囲において均一にロボット１の位置決め精度を向上させられる。また、機構パラメータの誤差と同時に、ロボット座標系Σｂと工作機械座標系Σｍとの間の回転行列の誤差を求めることができる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、当業者であれば、他の実施形態によっても本発明の意図する作用効果を実現できることを認識するであろう。特に、本発明の範囲を逸脱することなく、前述した実施形態の構成要素を削除または置換することができるし、或いは公知の手段をさらに付加することができる。また、本明細書において明示的または暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。

１ ロボット
２ 画像処理装置
３ モニタ
４ カメラ
５ ロボット制御装置
６ ターゲット
７ マーク
８ 工作機械
１０ 計測装置
１１ メインＣＰＵ
１２ メモリ
１３ 教示操作盤用インタフェイス
１４ 通信インタフェイス（ロボット制御装置側）
１５ サーボ制御部
１６ 外部装置用の入出力インタフェイス
１７ バス
１８ 教示操作盤
２０ ＣＰＵ
２１ ＲＯＭ
２２ 画像処理プロセッサ
２３ カメラインタフェイス
２４ モニタインタフェイス
２５ 入力機器
２６ フレームメモリ
２７ 不揮発性メモリ
２８ ＲＡＭ
２９ 通信インタフェイス（画像処理装置側）
３０ バスライン
３１ 注視点
３２ ツール取付面
４０ 視線
５１ 計測位置姿勢決定部
５２ 位置決め部
５３ ターゲット検出部
５４ ロボット移動部
５５ ロボット終点記憶部
５６ 計算部

Claims (12)

1. 受光デバイスをアームの先端に備えた多関節のロボットと、前記ロボットの動作範囲内に設けられた工作機械と、を備えていて、前記受光デバイスを利用して前記工作機械に固定されたターゲットを計測する計測装置であって、
   前記ターゲットは、前記受光デバイスの受光面上に結像した該ターゲットの位置の情報、および前記受光デバイスと該ターゲットとの間の距離に関連する長さの情報を特定可能にする幾何学的特徴を有しており、
   前記工作機械の複数の停止位置と、前記工作機械が前記複数の停止位置に配置されているときに、前記ターゲットが前記受光デバイスの視野内に含まれるような前記ロボットの複数の計測位置および姿勢と、を決定する計測位置姿勢決定部と、
   前記工作機械を前記複数の停止位置に順次位置決めするとともに、前記複数の停止位置にそれぞれ対応する前記複数の計測位置および姿勢に前記ロボットを順次位置決めする位置決め部と、
   前記ターゲットを前記受光デバイスの受光面上に結像するとともに、前記ターゲットの前記位置の情報および前記長さの情報に基づいて、前記受光デバイスと前記ターゲットとの間の距離の情報を検出するターゲット検出部と、
   前記工作機械を前記停止位置に配置するとともに前記ロボットを前記計測位置および姿勢に配置した状態において、前記受光デバイスの受光面上における前記ターゲットの位置と、前記受光デバイスによって取得される画像の所定箇所との差が、予め定められる誤差以内になり、かつ前記距離の情報と予め定められる値との差が、予め定められる誤差以内になるように、前記ロボットを移動するロボット移動部と、
   前記ロボット移動部によって移動させられた後の前記ロボットの位置および姿勢を、前記工作機械の停止位置および前記計測位置および姿勢に関連付けられた終点として記憶するロボット終点記憶部と、
   前記複数の停止位置および前記複数の計測位置および姿勢にそれぞれ対応する複数の前記終点と前記複数の停止位置とに基づいて、前記ロボットの機構パラメータの誤差、および前記ロボットの座標系と前記工作機械の座標系との間の相対関係を同時に求める計算部と、を備えることを特徴とする計測装置。
2. 前記計測位置姿勢決定部は、前記受光デバイスと前記ターゲットの所定点との間の距離が一定であり、かつ該所定点を通る前記受光デバイスの視線の傾きが異なるような前記複数の計測位置姿勢を決定するように構成される、請求項１に記載の計測装置。
3. 前記計測位置姿勢決定部は、前記ターゲットの所定点を通る前記受光デバイスの視線の姿勢が一定であり、かつ前記受光デバイスと前記ターゲットの該所定点との間の距離が異なるような前記複数の計測位置姿勢を決定するように構成される、請求項１に記載の計測装置。
4. 前記計測位置姿勢決定部は、前記複数の計測位置および姿勢を自動的に生成するように構成される、請求項１に記載の計測装置。
5. 前記計算部は、ニュートンラプソン法、遺伝的アルゴリズムおよびニューラルネットワークを含む非線形問題の最適化法を利用することにより、前記ロボットの機構パラメータの誤差を求めるように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記受光デバイスは、２次元画像を撮像するように構成されるＣＣＤカメラである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の計測装置。
7. 前記ターゲットが円形状のマークを有しており、前記長さの情報は、前記受光デバイスの受光面に結像した前記マークに対応する楕円の長軸長を含む、請求項１に記載の計測装置。
8. 前記受光デバイスは、受光量分布の重心を求めるように構成されるＰＳＤである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記ターゲットは発光体である、請求項８に記載の計測装置。
10. 前記計算部は、前記受光デバイスの注視点の位置と、前記ターゲットに形成されたマークの所定点の位置との誤差に基づいて、前記ロボットの機構パラメータの誤差を求めるように構成される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の計測装置。
11. 受光デバイスをアームの先端に備えた多関節のロボットと、前記ロボットの動作範囲内に設けられた工作機械と、を備える計測装置を用いて、前記ロボットの機構パラメータを校正するキャリブレーション方法であって、
    前記工作機械の複数の停止位置と、前記工作機械が前記複数の停止位置に配置されているときに、前記工作機械に固定されたターゲットが前記受光デバイスの視野内に含まれるような前記ロボットの複数の計測位置および姿勢と、を決定し、
    前記工作機械を前記複数の停止位置に順次位置決めするとともに、前記複数の停止位置にそれぞれ対応する前記複数の計測位置および姿勢に前記ロボットを順次位置決めし、
    前記ターゲットを前記受光デバイスの受光面上に結像するとともに、前記ターゲットの位置の情報、および長さの情報に基づいて前記受光デバイスと前記ターゲットとの間の距離の情報を検出し、
    前記工作機械を前記停止位置に配置するとともに前記ロボットを前記計測位置および姿勢に配置した状態において、前記受光デバイスの受光面上における前記ターゲットの位置と、前記受光デバイスによって取得される画像の所定箇所との差が、予め定められる誤差以内になり、かつ前記距離の情報と予め定められる値との差が、予め定められる誤差以内になるように、前記ロボットを移動し、
    前記差に基づいて移動した後の前記ロボットの位置および姿勢を、前記工作機械の停止位置および前記計測位置および姿勢に関連付けられた終点として記憶し、
    前記複数の停止位置および前記複数の計測位置および姿勢にそれぞれ対応する複数の前記終点と前記複数の停止位置とに基づいて、前記ロボットの機構パラメータの誤差、および前記ロボットの座標系と前記工作機械の座標系との間の相対関係を同時に求めることを含む、キャリブレーション方法。
12. 前記ロボットの機構パラメータの誤差を求める際に、前記受光デバイスの注視点の位置と、前記ターゲットに形成されたマークの所定点の位置との誤差に基づいて、前記ロボットの機構パラメータの誤差を求めることを含む、請求項１１に記載のキャリブレーション方法。

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