JP6622772B2

JP6622772B2 - 計測システム

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Publication number: JP6622772B2
Application number: JP2017184732A
Authority: JP
Inventors: 悦来王; 有田　創一; 創一有田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: CN109551518B; DE102018122627B4; DE102018122627A1; CN109551518A; US10611032B2; US20190091867A1; JP2019058968A

Description

本発明は計測システムに関し、より具体的には、ロボットの先端部の位置のキャリブレーションに用いる計測システムに関する。

近年では、実際の設置場所におけるロボットの作業（ロボットの作動）をオフラインティーチングで設定し、実際の設置場所におけるロボットの設定にかかる時間の短縮が図られている。
オフラインティーチングは、シミュレーション装置上でロボットのモデル、設置場所におけるロボット周りの機器のモデル、ワークのモデル等を設定し、設置場所におけるロボットの動作プログラムをシミュレーション装置上で作成するものである。

実際のロボットの先端部の位置は、組立誤差、重力の影響等により、シミュレーション装置で計算されたロボットの先端部の位置と少し異なる。この差異はロボットのサイズ、ロボットが扱うワークの重量等により異なるが、差異が５ｍｍ程度になる場合もある。このため、オフラインティーチングで作成された動作プログラムそのもので設置場所のロボットを作動させると不具合が生ずる可能性がある。

そこで、設置場所のロボットの先端部の位置と動作プログラムで意図している位置との差を測定し、当該測定の結果に基づき動作プログラムの補正（キャリブレーション）が行われる。
ロボットの先端部の位置を計測する計測システムとしては、ロボットの先端部に互いに長手軸が直角になるように３本のシャフトを固定すると共に、各シャフトの両端にそれぞれ反射器を取付け、反射器の位置を計測装置によって計測するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１７−０１９０７２号公報

前記計測システムに用いられている６つの反射器は球形であり、球の中心に対し１２０°の角度範囲が入射範囲として設定されている。このような反射器が互いに直角に交わる３本のシャフトの両端に取付けられているので、ロボットの先端部が如何なる姿勢になっても、計測装置からのレーザ光が何れかの反射器により反射する。つまり、前記計測システムでは、ロボットの先端部が如何なる姿勢になっても、計測装置によってロボットの先端部の位置を計測できるように構成されている。

ここで、計測装置は、レーザ光の出射角度と、受光部で受光する反射光の位相等に基づき、反射器が取付けられたロボットの先端部の位置を測定する。前記計測システムでは、計測装置からのレーザ光が６つの反射器が配置されている範囲に入射すれば、計測装置が反射光を受光するように構成されているので、どの反射器で反射するかにより計測位置が変わることなり、ロボットの先端部の位置を精密に測定することができない。

また、ロボットの姿勢により、実際のロボットの先端部の位置とシミュレーション装置で計算されたロボットの先端部の位置との差異が変化する。このため、正確なキャリブレーションを行うためには、数十点又は数百点の測定位置について計測装置によりロボットの先端部の位置を計測する必要がある。各測定位置へのロボットの先端部の移動および計測装置のレーザ光の出射方向の調整を手動で行う場合、キャリブレーションに要する時間が長くなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、キャリブレーションに要する時間を短縮することができ、しかも正確なキャリブレーションが可能となる計測システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、ロボットの先端部に取付けられる反射器と、該反射器に向かってレーザ光を出射し該反射器からの反射光を受光するレーザヘッドおよび該レーザヘッドの向きを変更するヘッド駆動装置を有する計測装置とを備え、前記ロボットの先端部の前記反射器の位置を前記計測装置により計測する計測システムであって、前記ロボットの基部に設けた基準反射部に向かって前記レーザヘッドからレーザ光を出射し、前記基準反射部からの反射光を受光することにより、ロボット座標系に対する前記計測装置の座標系の位置および方向を取得する座標関係取得手段と、前記ロボットの先端部に取付けられた前記反射器の制御上の座標データを前記ロボットの制御装置から受付け、受付けた前記座標データと、前記ロボット座標系に対する前記計測装置の座標系の前記位置および前記方向とを用いて前記レーザヘッドの向きを変更するための制御指令を前記ヘッド駆動装置に送るヘッド駆動制御手段とを備える。

ここで、ロボットの座標系は、ロボットを設置する際に緻密に設定されるものである。このため、上記態様のように、ロボットの基部に設けられた基準反射部に向かってレーザヘッドからレーザ光を出射し、その反射光を受光してロボットの座標系に対する計測装置の座標系の位置および方向を取得することにより、緻密に設定されたロボット座標系に対する計測装置の座標系の位置および方向を正確に把握することができる。つまり、計測装置で計測される反射器の計測位置座標をロボット座標系に正確に対応させることができるので、正確なキャリブレーションを行うことが可能となる。

また、ロボット制御装置から受付ける反射器の制御上の座標データを用いてレーザヘッドの向きを変更するための制御指令を作成する際に、ロボット座標系に対する計測装置の座標系の位置および方向が正確に把握されているので、前記制御指令により向きが変更されたレーザヘッドからのレーザ光が反射器の入射範囲に正確に照射される、又は、当該入射範囲に近い位置に照射される。

入射範囲に近い位置にレーザ光が照射される場合、例えばレーザ光の照射位置を円を描くように走査させる探索動作をレーザヘッドに行わせることになる。特に、ロボットの先端部の位置のキャリブレーションをより正確に行うために、反射器の入射範囲の直径を小さくする場合は、探索動作を行うことが多くなる。これに対し、上記態様ではロボット座標系に対する計測装置の座標系の位置および方向を正確に把握するので、探索動作に要する時間を短縮することが可能となる。

上記態様において、前記基準反射部が、前記ロボットの設置の際の前記ロボット座標系の設定に用いるものであることが好ましい。
当該態様では、ロボット座標系の設定に用いる基準反射部を、ロボット座標系に対する計測装置の座標系の位置および方向の取得にも用いることになるので、ロボット座標系に対する計測装置の座標系の位置および方向をより正確に把握することが可能となる。

本発明によれば、キャリブレーションに要する時間を短縮することができ、しかも正確なキャリブレーションが可能となる。

本発明の一実施形態の計測システムの概略平面図である。本実施形態の計測システムで計測するロボットの概略正面図である。本実施形態の計測システムで計測するロボットのブロック図である。本実施形態の計測システムの反射器支持板および反射器の正面図である。本実施形態の計測システムの計測装置の側面図である。本実施形態に用いる計測装置のブロック図である。

本発明の第１の実施形態に係る計測システム１を図面を参照して以下に説明する。
この計測システム１はロボット２のキャリブレーションに用いられるものである。
ロボット２は、例えば図１に示すようにワークＷに対するスポット溶接等の所定の作業を行うものであり、複数のアーム部材および関節を備えると共に、複数の関節をそれぞれ駆動する複数のサーボモータ１１を備えている（図３参照）。各サーボモータ１１として、回転モータ、直動モータ等の各種のサーボモータを用いることが可能である。各サーボモータ１１はその作動位置を検出するエンコーダ等の作動位置検出装置を内蔵しており、作動位置検出装置の検出値がロボット制御装置２０に送信される。

ロボット２の先端部には加工ツール１２が取付けられ、加工ツール１２によりワークＷにスポット溶接が施される。ロボット２がワークの搬送を行うものである場合は、ロボット２の先端部には加工ツール１２の代わりにワークを保持するための保持装置であるチャック、吸着装置等が取付けられる。

ロボット２は、図１および図２に示すように、正確に位置決めされたベース板３上に緻密に位置決めされている。そして、精密な平面であるベース板３の上面の複数点の位置を計測し、これによりロボット２についてのロボット座標系の水平面（ロボット座標系のｘ軸およびｙ軸と平行な平面）を設定する。

また、図１および図２に示すように、ロボット２の基部２ａに精密に設けられた２つの基準孔２ｂにそれぞれ反射部材（基準反射部）２ｃを取付け、各反射部材２ｃの位置に基づきロボット座標系のｘ軸およびｙ軸の方向を設定する。さらに、各反射部材２ｃの位置と前記水平面に基づき、前記水平面の少し上にロボット座標系の原点を設定し、原点を中心にｘ軸、ｙ軸、および前記水平面に垂直なｚ軸を設定する。

ロボット制御装置２０は、図３に示すように、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ等を有するロボット制御部２１と、表示装置２２と、不揮発性ストレージ、ＲＯＭ等を有する記憶装置２３と、ロボット２のサーボモータ１１にそれぞれ対応するように設けられた複数のサーボ制御器２４と、ロボット制御装置２０に接続されると共に操作者が持ち運び可能な教示操作盤２５とを備えている。教示操作盤２５はロボット制御装置２０と無線通信するように構成されていてもよい。

記憶装置２３にはシステムプログラム２３ａが格納されており、システムプログラム２３ａがロボット制御装置２０の基本機能を担っている。また、記憶装置２３には、シミュレーション装置（図示せず）を用いて作成された動作プログラム２３ｂが少なくとも１つ格納されている。具体的には、シミュレーション装置上にロボット２のモデルおよび図１および図２に示すワークＷのモデルを作成し、ロボット２がワークＷに接触しないようにワークＷ内外の複数の溶接ポイントを溶接するように、シミュレーション装置上でロボット２の動作プログラム２３ｂが作成され、記憶装置２３に格納されている。また、記憶装置２３には、キャリブレーション動作プログラム２３ｃも格納されている。

ロボット制御部２１はシステムプログラム２３ａにより作動し、ワークＷの溶接を行う際には、記憶装置２３に格納されている動作プログラム２３ｂを読み出してＲＡＭに一時的に格納し、読み出した動作プログラム２３ｂに沿って各サーボ制御器２４に制御信号を送り、これによりロボット２の各サーボモータ１１のサーボアンプを制御すると共に、加工ツール１２からのレーザの出射を制御してワークＷの溶接を行う。

計測システム１は、図１、図２、図４、および図５に示すように、ロボット２の先端部に反射器支持板３０を介して取付けられる複数の反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃと、計測装置４０とを備え、図６に示す計測制御装置５０も備えている。本実施形態では計測制御装置５０は計測装置４０に内蔵されているが、計測制御装置５０が計測装置４０外の他の位置に設けられてもよい。

反射器支持板３０は例えば薄い金属板から成り、ロボット２の先端部と加工ツール１２との間に固定されている。各反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、入射したレーザ光を入射した方向と略同じ方向に反射する球形の部材であり、このような反射は再帰性反射と呼ばれている。各反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、再帰性反射を行う範囲が限定されたものであり、球の中心を頂点とし頂角が例えば１５°である円錐状形状Ｃを設定し、円錐状形状Ｃに含まれる範囲だけが再帰性反射が行われる入射範囲ＩＡとして設定されている。

なお、各反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃの直径は十数ｍｍや数ｍｍであるため、各反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃの入射範囲ＩＡの直径は１ｍｍ前後〜２ｍｍ前後となる。このように入射範囲ＩＡの直径が小さいため、ロボット２の先端部位置のキャリブレーションを正確に行うことができる。スポット溶接等の精度が求められる作業では、誤差を１ｍｍ以下にすることが求められる場合もあり、このような時は入射範囲ＩＡをより小さくする必要が生ずる場合もある。

また、図４に示すように、各反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃの入射範囲ＩＡの光軸が互いに９０°の角度をなすように、各反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃが反射器支持板３０に固定されている。これにより、計測装置４０からのレーザ光が反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃの複数から同時に反射されることがない。

計測装置４０は、反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃに向かってレーザ光を出射し、反射器３１からの反射光を受光するレーザヘッド４１と、レーザヘッド４１の向きを変更するヘッド駆動装置としての鉛直軸モータ４２および水平軸モータ４３とを備えている。

鉛直軸モータ４２はレーザヘッド４１および水平軸モータ４３を鉛直軸線周りに回転させるものであり、水平軸モータ４３はレーザヘッド４１を水平軸線周りに回転させるものである。鉛直軸モータ４２および水平軸モータ４３は計測制御装置５０に接続され、計測制御装置５０により鉛直軸モータ４２および水平軸モータ４３が制御される。また、各モータ４２，４３はその作動位置を検出するエンコーダ等の作動位置検出装置を内蔵しており、作動位置検出装置の検出値が計測制御装置５０に送信される。

レーザヘッド４１にはレーザ光出射部４１ａが設けられ、レーザ発振器（図示せず）からのレーザ光がレーザ光出射部４１ａから出射されるように構成されている。また、レーザヘッド４１のレーザ光出射部４１ａ内には、反射器で反射される反射光を受光する受光センサ４１ｂが設けられている。レーザヘッド４１は計測制御装置５０に接続され、計測制御装置５０によりレーザヘッド４１のレーザ光出射部４１ａからのレーザ光の出射が制御され、レーザヘッド４１の受光センサ４１ｂの検出結果が計測制御装置５０に送信される。

計測制御装置５０は、図６に示すように、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ等を有する制御部５１と、表示装置５２と、不揮発性ストレージ、ＲＯＭ等を有する記憶装置５３と、入力装置５４とを備えている。入力装置５４は計測制御装置５０と無線通信するように構成されていてもよい。

記憶装置５３にはシステムプログラム５３ａが格納されており、システムプログラム５３ａが計測制御装置５０の基本機能を担っている。また、記憶装置５３には、ロボット２の先端部に取付けられた反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃの位置計測を行う計測プログラム（ヘッド駆動制御手段）５３ｂと、ロボット２の座標系であるロボット座標系に対する計測装置４０の座標系である計測装置座標系の対応関係を取得する座標関係取得プログラム（座標関係取得手段）５３ｃとが格納されている。

ロボット座標系に対する計測装置座標系の対応関係を求める場合の制御部５１の作動を説明する。計測装置４０を測定のための大凡の位置に設置し、例えば制御部５１が入力装置５４等により入力される座標系の対応関係を求める要求信号を受付けると、制御部５１は座標関係取得プログラム５３ｃにより作動し、ロボット２の基部２ａの２つの基準孔２ｂに取付けられた反射部材（基準反射部）２ｃにそれぞれレーザヘッド４１からレーザ光を照射し、各反射部材２ｃからの反射光を受光センサ４１ｂで受光し、これにより計測装置４０に対する各反射部材２ｃの位置を計測する。

ここで、制御部５１が鉛直軸モータ４２および水平軸モータ４３によりレーザヘッド４１の向きを調整することにより、各反射部材２ｃにレーザヘッド４１からレーザ光を照射してもよく、作業者が手動でレーザヘッド４１の向きを調整することにより、各反射部材２ｃにレーザヘッド４１からレーザ光を照射してもよい。

続いて、制御部５１は、計測された各反射部材２ｃの位置に基づき、ロボット座標系の原点に対する計測装置座標系の原点の位置を求めると共に、ロボット座標系のｘ軸およびｙ軸に対する計測装置座標系のｘ軸およびｙ軸の各々の方向（傾き）を求める。これにより、計測装置座標系のロボット座標系に対する対応関係（位置および方向）が求められる。なお、ロボット座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に対する計測装置座標系のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の各々の方向（傾き）を求めるように構成してもよい。

続いて、キャリブレーションを行う際のロボット制御部２１および制御部５１の作動を説明する。ロボット制御部２１および制御部５１に所定のトリガー信号、例えば入力装置５４等で入力されるキャリブレーションの要求信号を受付けると、ロボット制御部２１はキャリブレーション動作プログラム２３ｃを読み出し、読み出したキャリブレーション動作プログラム２３ｃに沿って各サーボ制御器２４に制御信号を送り、これによりロボット２の各サーボモータ１１のサーボアンプを制御する。

ここで、キャリブレーション動作プログラム２３ｃは、ロボット２の先端部を予め設定された数十点〜数百点の測定位置に順次配置するものである。数十点〜数百点の測定位置は、動作プログラム２３ｂによってロボット２の先端部が動く軌跡に沿った位置であることが好ましい。様々な姿勢を取るロボット２の作動をシミュレーション装置上のロボット２の作動にできるだけ近づけるためには、このように多くの測定位置で測定を行いキャリブレーションすることが好ましい。なお、測定位置に応じてロボット２の先端部の姿勢も変化する。

ここで、各測定位置は、反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃのうち何れか１つの入射範囲ＩＡが計測装置４０側を向くように設定されている。そして、ロボット制御部２１は、ロボット２の先端部を各々の測定位置に配置する度に、反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃのうち入射範囲ＩＡが計測装置４０側を向いているものの反射器番号と、当該反射器の位置座標とを、計測装置４０に送信する。なお、ロボット制御部２１が、数十点〜数百点の測定位置のそれぞれの反射器番号および反射器の位置座標を計測装置４０に一度に送信するとともに、ロボット２の先端部を各々の測定位置に配置する度にその測定位置を計測装置４０に送信してもよい。なお、反射器番号を必ず送信する必要はない。

続いて、制御部５１は計測プログラム５３ｂにより作動し、ロボット制御部２１から反射器番号および反射器の位置座標（制御上の座標データ）を受付けると、当該位置座標を計測装置座標系のロボット座標系に対する対応関係に基づき計測装置座標系における位置座標に変換し、変換後の位置座標にレーザ光出射部４１ａが向くように鉛直軸モータ４２および水平軸モータ４３を作動させるための制御指令を作成する。そして、当該制御指令により鉛直軸モータ４２および水平軸モータ４３を制御すると共に、レーザヘッド４１からレーザ光を照射する。

そして、レーザヘッド４１の受光センサ４１ｂが反射光を受光すると、受光した際のレーザヘッド４１の仰角および首振角と、受光した反射光の位相等に基づき求められる計測装置４０とレーザ光を照射した反射器との距離とを用いて、レーザ光を照射した反射器の計測位置座標を求め、計測位置座標をロボット制御部２１に送信する。仰角および首振角は、例えば鉛直軸モータ４２および水平軸モータ４３に内蔵された作動位置検出装置の検出値に基づき求められる。なお、計測位置座標を計測装置座標系のロボット座標系に対する対応関係に基づきロボット座標系の位置座標に変換し、変換後の計測位置座標をロボット制御部２１に送信してもよい。

続いて、ロボット制御部２１は、制御部５１から計測位置座標又は変換後の計測位置座標を受信し、それと制御部５１に送信した反射器の位置座標との差異を求め、当該差異に基づき動作プログラム２３ｂを補正する。これにより、動作プログラム２３ｂについてロボット２のキャリブレーションを行うことができる。

このように、本実施形態によれば、ロボット２の基部２ａに設けられた反射部材（基準反射部）２ｃに向かってレーザヘッド４１からレーザ光を出射し、その反射光を受光してロボット２の座標系に対する計測装置座標系の位置および方向を取得することにより、緻密に設定されたロボット座標系に対する計測装置座標系の位置および方向を正確に把握することができる。つまり、計測装置で計測される反射器の計測位置座標をロボット座標系に正確に対応させることができるので、正確なキャリブレーションを行うことが可能となる。

また、ロボット制御装置２０から受付ける反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃの制御上の座標データを用いてレーザヘッド４１の向きを変更するための制御指令を作成する際に、ロボット座標系に対する計測装置座標系の位置および方向が正確に把握されているので、前記座標データを用いて向きが設定されたレーザヘッド４１からのレーザ光が反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃの入射範囲ＩＡに正確に照射される、又は、当該入射範囲ＩＡに近い位置に照射される。

入射範囲ＩＡに近い位置にレーザ光が照射される場合、例えばレーザ光の照射位置を円を描くように、そして、当該円の直径が徐々に大きくなるように走査させる探索動作をレーザヘッド４１に行わせることになる。特に、ロボット２の先端部の位置のキャリブレーションをより正確に行うために、反射器３１ａ，３１ｂ，３１ｃの入射範囲ＩＡの直径を小さくする場合は、探索動作を行うことが多くなる。これに対し、本実施形態ではロボット座標系に対する計測装置座標系の位置および方向が正確に把握されているので、探索動作に要する時間を短縮することが可能となる。

なお、入射範囲ＩＡに近い位置にレーザ光が照射される場合、計測装置４０に設けられた視覚センサによりレーザ光の照射方向を撮像し、撮像データを画像処理することによりレーザ光の位置と入射範囲ＩＡとの位置関係を得て、当該位置関係に基づき、レーザ光が入射範囲ＩＡに入るように制御部５１が鉛直軸モータ４２および水平軸モータ４３を制御してもよい。

また、本実施形態では、ロボット座標系の設定に用いる基準反射部２ｃを、ロボット座標系に対する計測装置座標系の位置および方向の取得にも用いる。このため、ロボット座標系に対する計測装置座標系の位置および方向をより正確に把握することが可能となる。

１計測システム
２ロボット
２ｃ反射部材（基準反射部）
３ベース板
１１サーボモータ
１２加工ツール
２０ロボット制御装置
２１ロボット制御部
２３記憶装置
２３ｂ動作プログラム
２３ｃキャリブレーション動作プログラム
３０反射器支持板
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ反射器
４０計測装置
４１レーザヘッド
４１ａレーザ光出射部
４１ｂ受光センサ
４２鉛直軸モータ（ヘッド駆動装置）
４３水平軸モータ（ヘッド駆動装置）
５０計測制御装置
５１制御部
５３記憶装置
５３ｂ計測プログラム（ヘッド駆動制御手段）
５３ｃ座標関係取得プログラム（座標関係取得手段）
Ｗワーク

Claims

ロボットの先端部に取付けられる反射器と、該反射器に向かってレーザ光を出射し該反射器からの反射光を受光するレーザヘッドおよび該レーザヘッドの向きを変更するヘッド駆動装置を有する計測装置とを備え、前記ロボットの先端部の前記反射器の位置を前記計測装置により計測する計測システムであって、
前記ロボットの基部に設けた基準反射部に向かって前記レーザヘッドからレーザ光を出射し、前記基準反射部からの反射光を受光することにより、ロボット座標系に対する前記計測装置の座標系の位置および方向を取得する座標関係取得手段と、
前記ロボットの先端部に取付けられた前記反射器の前記ロボット座標系における制御上の座標データを前記ロボットの制御装置から受付け、受付けた前記座標データと、前記ロボット座標系に対する前記計測装置の座標系の前記位置および前記方向とを用いて前記レーザヘッドの向きを変更するための制御指令を前記ヘッド駆動装置に送るヘッド駆動制御手段とを備え、
前記基準反射部が、前記ロボットの設置の際の前記ロボット座標系の設定に用いるものである計測システム。