JP6623286B2

JP6623286B2 - ロボットシステムの自動較正方法

Info

Publication number: JP6623286B2
Application number: JP2018509582A
Authority: JP
Inventors: デン，インコン; チャン，ダンダン; フランシスコ−イールー，ロベルト; リウ，ユン; フー，リュハイ; ジョー，レイ
Original assignee: TE Connectivity Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2036-08-18
Also published as: US20180243912A1; WO2017033100A1; CN106483963A; JP2018528084A; KR20180044970A; CN106483963B; US10695910B2; EP3341161A1; KR102081743B1

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年８月２６日に中国国家知識産権局に出願された中国特許出願第ＣＮ２０１５１０５３０２９５．８号の優先権を主張し、その全開示が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、ロボットシステムの自動較正方法に関する。

先行技術において、ロボットシステムの較正は、一般に、人工教示方法（artificial teaching method）によって行われている。例えば、オペレータがロボットを手動で制御して、ロボットのフランジに取り付けられた端部実行ツール（end execution tool）（またはエンドエフェクタと呼ばれる）を動かすことにより、複数の異なるポーズ（６軸ロボットの場合、一般に４つ以上の異なるポーズ）で同一の１つの目標点に到達させる。しかしながら、上記の方法では、端部実行ツールが同一の目標点に動いたかどうかをオペレータの目によって判定する必要がある。したがって、人工教示方法では誤差が避けられず、ロボットのフランジの中心に対する端部実行ツールの中心の変換行列（transformation matrix）が不正確になる。さらに、ロボットを手動で制御して異なるポーズで同一の目標点に到達させ、かつロボットが同一の目標点に到達したかどうかを目で判定するには非常に時間がかかるため、作業効率が大幅に低下する。さらに、ロボットシステムの端部実行ツールを頻繁に交換する必要がある場合、端部実行ツールを新しい端部実行ツールに交換する度にロボットシステムを再較正しなければならず、これは非常に面倒で時間がかかる。

先行技術において、較正された視覚センサに基づくロボットシステムの自動較正方法も提供されている。自動較正方法では、ロボットを制御して、ロボットのフランジに取り付けられた端部実行ツールの中心を様々な異なるポーズで同一の１つの目標点に動かす。

自動較正方法により、端部実行ツールが目標点に動いたかどうかを目で判断する方法と比べて時間と労力が大幅に節約される。しかしながら、上記の自動較正方法では、視覚センサを用いて端部実行ツールの中心を特定する必要がある。一般に、端部実行ツールは非常に複雑な幾何学的構造を有しており、端部実行ツールの中心を特定することは困難である。より詳細には、端部実行ツールを頻繁に交換する必要がある場合、端部実行ツールを新しい端部実行ツールに交換する度に端部実行ツールの中心を再特定する必要があり、これは非常に面倒で時間がかかる。

本発明は、上記の欠点のうちの少なくとも１つの局面を克服または軽減するためになされたものである。

本発明の目的によれば、ロボットシステムの較正を高精度かつ高効率で達成するためのロボットシステムの自動較正方法が提供される。

本発明の態様によれば、以下のステップＳ１００、ステップＳ２００、ステップＳ３００、およびステップＳ４００を含むロボットシステムの自動較正方法が提供される。
ステップＳ１００：
連結ロッドと連結ロッドの一端に連結された球体とを含むボールロッド部材（ｂａｌｌ−ｒｏｄｍｅｍｂｅｒ）を提供するステップ。
ステップＳ２００：
連結ロッドの他端を、ロボットのフランジに取り付けられた端部実行ツールに固定するステップ。
ステップＳ３００：
ロボットを制御して、視覚センサの案内により球体の中心を様々な異なるポーズで同一の１つの目標点に動かし、同一の目標点におけるロボットのポーズデータに基づいて、フランジの中心に対する球体の中心の変換行列Ｔｓを計算するステップ。
ステップＳ４００：
式（１）Ｔｔ＝Ｔｓ＊Ｔｃに従って、フランジの中心に対する、端部実行ツールの中心の変換行列Ｔｔを計算するステップ。ここで、Ｔｃは球体の中心に対する端部実行ツールの中心の変換行列であり、Ｔｃは既知で一定である。

本発明の例示的実施形態において、ステップＳ３００で、視覚センサにより検知された、視覚センサ座標系における球体の中心の実際の位置と、視覚センサ座標系における目標点の位置との位置誤差に基づいて、位置誤差がゼロになるまでロボットに対する閉ループフィードバック制御を実行する。

本発明の別の例示的実施形態において、視覚センサは、１つまたは複数のカメラを含み、１つまたは複数のカメラにより取り込まれたボールの画像に従って球体の中心を特定するように構成されている。

本発明の別の例示的実施形態において、ステップＳ３００で、ロボットを制御して、球体の中心を少なくとも２つの異なるポーズで同一の１つの目標点に正確に動かす。

本発明の別の例示的実施形態において、ステップＳ３００は、以下のステップＳ３１０、ステップＳ３２０、ステップＳ３３０、ステップＳ３４０、およびステップＳ３５０を含む。
ステップＳ３１０：
ロボットを制御して、視覚センサの案内により球体の中心を第１のポーズで視覚センサの視野内の目標点に動かし、目標点でロボットの第１のポーズデータを取得するステップ。
ステップＳ３２０：
ロボットを制御して、視覚センサの案内により球体の中心を第２のポーズで目標点に動かし、目標点でロボットの第２のポーズデータを取得するステップ。
ステップＳ３３０：
ロボットを制御して、視覚センサの案内により球体の中心を第３のポーズで目標点に動かし、目標点でロボットの第３のポーズデータを取得するステップ。
ステップＳ３４０：
ロボットを制御して、視覚センサの案内により球体の中心を第４のポーズで目標点に動かし、目標点でロボットの第４のポーズデータを取得するステップ。
ステップＳ３５０：
取得したロボットの第１のポーズデータ、第２のポーズデータ、第３のポーズデータ、および第４のポーズデータに基づいて、フランジの中心に対する球体の中心の変換行列Ｔｓを計算するステップ。

本発明の別の例示的実施形態において、視覚センサにより検知された、視覚センサ座標系における球体の中心の実際の位置と、視覚センサ座標系における目標点の位置との位置誤差に基づいて、ステップＳ３２０〜Ｓ３４０では、位置誤差がゼロになるまで、すなわち、球体の中心が目標点に正確に動くまでロボットに対する閉ループフィードバック制御を実行する。

本発明の別の例示的実施形態において、ロボットは多軸ロボットを含む。

本発明の別の例示的実施形態において、ロボットは４軸ロボットまたは６軸ロボットを含む。

本発明の上記の様々な例示的実施形態において、ボールロッド部材がロボットのフランジに取り付けられているため、ボールロッド部材の球体の中心を視覚センサにより特定するだけでよく、端部実行ツールの中心を特定する必要はない。球体は規則的な幾何形状を有するため、球体の中心を特定することは容易であり、ロボットシステムの較正精度および効率が向上する。

添付図面を参照しながら例示的実施形態を詳細に説明することにより、本発明の上記およびその他の特徴がより明らかになろう。

本発明の例示的実施形態によるロボットシステムの例示的な原理図である。

以下で、添付図面を参照しながら本開示の例示的実施形態について説明する。図中、同一の参照符号は同一の要素を示す。しかしながら、本開示を多くの異なる形態で具体化することができ、本開示を本明細書に記載された実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が網羅的かつ完全であり、本開示の概念を当業者に十分に伝えるように提示される。

以下の詳細な説明において、説明の目的で、開示された実施形態の完全な理解をもたらすために多くの具体的詳細について述べる。しかしながら、１つまたは複数の実施形態をこれらの具体的詳細なしで実施してもよいことが明らかであろう。他の例では、図面を簡略化するために周知の構造およびデバイスが概略的に示される。

本発明の一般的な概念によれば、連結ロッドと連結ロッドの一端に連結された球体とを含むボールロッド部材を提供するステップと、連結ロッドの他端をロボットのフランジに取り付けられた端部実行ツールに固定するステップと、ロボットを制御して、視覚センサの案内により球体の中心を様々な異なるポーズで同一の１つの目標点に動かし、同一の目標点における様々な異なるポーズのロボットのポーズデータに基づいて、フランジの中心に対する球体の中心の変換行列Ｔｓを計算するステップと、式（１）Ｔｔ＝Ｔｓ＊Ｔｃに従ってフランジの中心に対する端部実行ツールの中心の変換行列Ｔｔを計算するステップと、を含むロボットシステムの自動較正方法が提供される。
ここで、Ｔｃは球体の中心に対する端部実行ツールの中心の変換行列であり、Ｔｃは既知で一定である。

図１は、本発明の例示的実施形態によるロボットシステムの例示的な原理図である。

図１に示すように、ロボットシステムは６軸ロボットシステムであってよい。しかしながら、本発明はこれに限定されず、ロボットシステムは任意の適切な多自由度ロボットシステム、例えば４軸ロボットシステムまたは５軸ロボットシステムであってよい。

図１に示すように、ロボットシステムは主に、カメラ（視覚センサ）１０と、フランジ２１を含む６軸ロボット２０と、ロボット２０のフランジ２１に取り付けられた実行ツール（またはエンドエフェクタと呼ばれる）３０とを含む。

本発明の例示的実施形態において、図１に示すように、ロボットシステムを較正するためにボールロッド部材４１、４２が端部実行ツール３０に固定される。

図示した実施形態において、ボールロッド部材４１、４２は、連結ロッド４１と連結ロッド４１の一端に連結された球体４２とを含む。連結ロッド４１の他端は、ロボット２０のフランジ２１に取り付けられた端部実行ツール３０に固定される。図１に示すように、連結ロッド４１の中心軸は球体４２の中心を通る。

実施形態において、ボールロッド部材の連結ロッド４１および球体４２の幾何形状パラメータは既知で一定である。これにより、ボールロッド部材４１、４２が端部実行ツール３０に固定された後、球体４２の中心に対する端部実行ツール３０の中心Ｔｏｏｌの変換行列Ｔｃを予め取得することができる。ボールロッド部材の連結ロッド４１および球体４２の幾何形状パラメータが既知で一定であるため、変換行列Ｔｃも既知で一定である。

実施形態において、カメラ１０は視覚センサとして使用される。カメラ１０は、ボールロッド部材４１、４２の球体４２の画像を取り込むように構成されている。その後、カメラ１０は、例えば視覚センサ座標系または世界座標系における球体４２の中心の実際の位置を特定することができる。

実施形態において、視覚センサは１つまたは複数のカメラ１０を含むことができる。図示しないが、ロボットシステムは、予め記憶されたプログラムに基づいてロボットシステムを制御するように構成されたコントローラと、カメラにより取得した画像データを、球体４２の中心の実際の位置を特定できるよう処理するように構成されたプロセッサとをさらに含む。

以下で、図１を参照しながらロボットシステムの較正プロセスについて説明する。較正プロセスは、以下のステップＳ１００、ステップＳ２００、ステップＳ３００、およびステップＳ４００を含むことができる。
ステップＳ１００：
連結ロッド４１と連結ロッド４１の一端に連結された球体４２とを含むボールロッド部材４１、４２を提供するステップ。
ステップＳ２００：
連結ロッド４１の他端を、ロボット２０のフランジ２１に取り付けられた端部実行ツール３０に固定するステップ。
ステップＳ３００：
ロボット２０を制御して、視覚センサ１０の案内により球体４２の中心を様々な異なるポーズｐｏｓｅ＃１、ｐｏｓｅ＃２、ｐｏｓｅ＃３、ｐｏｓｅ＃４で同一の１つの目標点に動かし、同一の目標点におけるロボット２０のポーズデータに基づいて、フランジ２１の中心Ｔｏｏｌ_０に対する球体４２の中心の変換行列Ｔｓを計算するステップ。
ステップＳ４００：
式（１）Ｔｔ＝Ｔｓ＊Ｔｃに従ってフランジ２１の中心Ｔｏｏｌ_０に対する端部実行ツール３０の中心Ｔｏｏｌの変換行列Ｔｔを計算するステップ。ここで、Ｔｃは球体４２の中心に対する端部実行ツール３０の中心Ｔｏｏｌの変換行列であり、変換行列Ｔｃは既知で一定である。

上記ステップＳ３００で、視覚センサ１０により検知された、視覚センサ座標系における球体４２の中心の実際の位置と、視覚センサ座標系における目標点の位置との位置誤差に基づいて、位置誤差がゼロになるまで、すなわち、球体４２の中心が目標点に正確に動くまでロボット２０に対する閉ループフィードバック制御を実行する。

上記実施形態において、視覚センサ１０を、視覚センサ座標系における球体４２の中心の実際の位置を直接特定するように構成してもよい。知られているように、世界座標系における球体４２の中心の実際の位置はＸ値、Ｙ値、およびＺ値により示されることが多い。但し、視覚センサ座標系における球体４２の中心の実際の位置はＵ値、Ｖ値、およびＺ値により示されることが多く、ＵおよびＶは画素点の位置を示し、Ｚは球体の直径を示す。これにより、視覚センサ座標系において、球体の直径が大きくなるにつれてＺ値は増加し、球体の直径が小さくなるにつれてＺ値は減少する。

本発明の例示的実施形態において、上記ステップＳ３００は、以下のステップＳ３１０と、ステップＳ３２０と、ステップＳ３３０と、ステップＳ３４０と、ステップＳ３５０とを主に含む。
ステップＳ３１０：
ロボット２０を制御して、視覚センサ１０の案内により球体４２の中心を第１のポーズｐｏｓｅ＃１で視覚センサ１０の視野内の目標点に動かし、目標点でロボット２０の第１のポーズデータを取得するステップ。
ステップＳ３２０：
ロボット２０を制御して、視覚センサ１０の案内により球体４２の中心を第２のポーズｐｏｓｅ＃２で目標点に動かし、目標点でロボット２０の第２のポーズデータを取得するステップ。
ステップＳ３３０：
ロボット２０を制御して、視覚センサ１０の案内により球体４２の中心を第３のポーズｐｏｓｅ＃３で目標点に動かし、目標点でロボット２０の第３のポーズデータを取得するステップ。
ステップＳ３４０：
ロボット２０を制御して、視覚センサ１０の案内により球体４２の中心を第４のポーズｐｏｓｅ＃４で目標点に動かし、目標点でロボット２０の第４のポーズデータを取得するステップ。
ステップＳ３５０：
取得したロボット２０の第１のポーズデータ、第２のポーズデータ、第３のポーズデータ、および第４のポーズデータに基づいて、フランジ２１の中心Ｔｏｏｌ_０に対する球体４２の中心の変換行列Ｔｓを計算するステップ。

本発明の例示的実施形態において、視覚センサ１０により検知された、視覚センサ座標系における球体４２の中心の実際の位置と、視覚センサ座標系における目標点の位置との位置誤差に基づいて、上記ステップＳ３２０〜Ｓ３４０では、位置誤差がゼロになるまで、すなわち、球体４２の中心が目標点に正確に動くまでロボット２０に対する閉ループフィードバック制御を実行する。

上記実施形態において、ロボット２０は、球体４２の中心を４つの異なるポーズｐｏｓｅ＃１、ｐｏｓｅ＃２、ｐｏｓｅ＃３、ｐｏｓｅ＃４で同一の１つの目標点に正確に動かすように構成されるが、本発明はこれに限定されず、ロボット２０は、球体４２の中心を２つ、３つ、５つ以上の異なるポーズで同一の１つの目標点に正確に動かすことができる。

本発明の上記の様々な例示的実施形態において、ボールロッド部材４１、４２がロボット２０のフランジ２１に取り付けられているため、ボールロッド部材４１、４２の球体４２の中心を視覚センサ１０により特定するだけでよく、端部実行ツール３０の中心を特定する必要はない。球体４２は規則的な幾何形状を有するため、球体の中心を特定することは容易である。これにより、ロボットシステムの較正精度および効率が向上する。

上記の実施形態は例示のためのものであり限定的なものではないことを当業者は理解すべきである。例えば、当業者が上記実施形態に多くの修正を行うことができ、異なる実施形態に記載された様々な特徴を、構成または原理の矛盾なく互いに自由に組み合わせることができる。

いくつかの例示的実施形態について図示し説明したが、特許請求の範囲およびその均等物においてその範囲が定義される本開示の原理および精神から逸脱することなく、これらの実施形態に様々な変更または修正を行うことができることを当業者は理解するだろう。

本明細書で使用されるとき、単数形で記載され、用語「ａ」または「ａｎ」で始まる要素は、特に明記されない限り、複数の前記要素またはステップを排除しないものと理解されるべきである。さらに、本発明の「一実施形態」への言及は、記載された特徴も組み込んださらなる実施形態の存在を排除するものと解釈されるものではない。さらに、特に明記されない限り、特定の特性を有する１つまたは複数の要素を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その特性を有していない、さらなるそのような要素を含んでもよい。

Claims

一端と他端との間で延びる所定長の連結ロッド（４１）と前記連結ロッド（４１）の前記一端に連結された球体（４２）とを含むボールロッド部材（４１、４２）を提供するステップＳ１００と、
前記連結ロッド（４１）の前記他端を、ロボット（２０）のフランジ（２１）に取り付けられた端部実行ツール（３０）に固定するステップＳ２００と、
前記ロボット（２０）を制御して、視覚センサ（１０）の案内により前記球体（４２）の中心を様々な異なるポーズ（ｐｏｓｅ＃１、ｐｏｓｅ＃２、ｐｏｓｅ＃３、ｐｏｓｅ＃４）で同一の１つの目標点に動かし、前記同一の目標点における前記ロボット（２０）のポーズデータに基づいて、前記フランジ（２１）の中心（Ｔｏｏｌ_０）に対する前記球体（４２）の前記中心の変換行列Ｔｓを計算するステップＳ３００と、
式（１）Ｔｔ＝Ｔｓ＊Ｔｃに従って前記フランジ（２１）の前記中心（Ｔｏｏｌ_０）に対する前記端部実行ツール（３０）の中心（Ｔｏｏｌ）の変換行列Ｔｔを計算するステップＳ４００と、を含み、
ここで、Ｔｃは前記球体（４２）の前記中心に対する、前記端部実行ツール（３０）の前記中心（Ｔｏｏｌ）の変換行列であり、Ｔｃは既知で一定である、
ロボットシステムの自動較正方法。
前記ステップＳ３００で、前記視覚センサ（１０）により検知された、視覚センサ座標系における前記球体（４２）の前記中心の実際の位置と、視覚センサ座標系における前記目標点の位置との位置誤差に基づいて、前記位置誤差がゼロになるまで前記ロボット（２０）に対する閉ループフィードバック制御を実行する、
請求項１に記載の方法。
前記視覚センサ（１０）は、１つまたは複数のカメラを含み、前記１つまたは複数のカメラにより取り込まれた前記ボール（４２）の画像に従って前記球体（４２）の前記中心を特定するように構成されている、
請求項２に記載の方法。
前記ステップＳ３００で、前記ロボット（２０）を制御して、前記球体（４２）の前記中心を少なくとも２つの異なるポーズ（ｐｏｓｅ＃１、ｐｏｓｅ＃２、ｐｏｓｅ＃３、ｐｏｓｅ＃４）で前記同一の１つの目標点に正確に動かす、
請求項３に記載の方法。
前記ステップＳ３００は、
前記ロボット（２０）を制御して、前記視覚センサ（１０）の案内により前記球体（４２）の前記中心を第１のポーズ（ｐｏｓｅ＃１）で前記視覚センサ（１０）の視野内の前記目標点に動かし、前記目標点で前記ロボット（２０）の第１のポーズデータを取得するステップＳ３１０と、
前記ロボット（２０）を制御して、前記視覚センサ（１０）の案内により前記球体（４２）の前記中心を第２のポーズ（ｐｏｓｅ＃２）で前記目標点に動かし、前記目標点で前記ロボット（２０）の第２のポーズデータを取得するステップＳ３２０と、
前記ロボット（２０）を制御して、前記視覚センサ（１０）の案内により前記球体（４２）の前記中心を第３のポーズ（ｐｏｓｅ＃３）で前記目標点に動かし、前記目標点で前記ロボット（２０）の第３のポーズデータを取得するステップＳ３３０と、
前記ロボット（２０）を制御して、前記視覚センサ（１０）の案内により前記球体（４２）の前記中心を第４のポーズ（ｐｏｓｅ＃４）で前記目標点に動かし、前記目標点で前記ロボット（２０）の第４のポーズデータを取得するステップＳ３４０と、
取得した前記ロボット（２０）の前記第１のポーズデータ、前記第２のポーズデータ、前記第３のポーズデータ、および前記第４のポーズデータに基づいて、前記フランジ（２１）の前記中心（Ｔｏｏｌ_０）に対する、前記球体（４２）の前記中心の前記変換行列Ｔｓを計算するステップＳ３５０と、を含む、
請求項３に記載の方法。
前記視覚センサ（１０）により検知された、前記視覚センサ座標系における前記球体（４２）の前記中心の実際の位置と、前記視覚センサ座標系における前記目標点の位置との位置誤差に基づいて、
前記ステップＳ３２０〜Ｓ３４０では、前記位置誤差がゼロになるまで、すなわち、前記球体（４２）の前記中心が前記目標点に正確に動くまで前記ロボット（２０）に対する閉ループフィードバック制御を実行する、
請求項５に記載の方法。
前記ロボット（２０）は多軸ロボットを含む、
請求項１に記載の方法。
前記ロボット（２０）は４軸ロボットまたは６軸ロボットを含む、
請求項７に記載の方法。