JP6810116B2 - レーザ加工ロボットのキャリブレーション方法および制御装置 - Google Patents

レーザ加工ロボットのキャリブレーション方法および制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ加工ロボットのキャリブレーション方法および制御装置に関するものである。
従来、付加軸を有するレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１のキャリブレーション方法は、付加軸を含むロボットを動作させて、加工ツールを実際に移動させてキャリブレーションを行っている。
特開２００６−５５９０１号公報
しかしながら、教示操作盤を用いてロボットを動作させることにより、キャリブレーションの姿勢を厳密に実現することには熟練を要し、キャリブレーション作業に時間がかかるという不都合がある。
本発明は、ロボットの先端に取り付けるレーザ加工ツールを交換した場合等にキャリブレーション作業に要する時間を低減することができるレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法および制御装置を提供することを目的としている。
本発明の一態様は、被設置面に固定されるベースと、該ベースに対して可動する可動部とを備え、先端にレーザ加工ツールを装着したレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法であって、前記ベースに所定形状の測定対象部位を有する測定用治具を固定し、前記レーザ加工ツールが、計測用レーザ光を２次元的に走査する機能を有するとともに、前記計測用レーザ光の物体における反射光を受光して前記物体までの距離を測定する測距機能を有し、前記レーザ加工ロボットを動作させることにより、前記測定対象部位に対して前記計測用レーザ光を走査可能な位置に前記レーザ加工ツールを配置し、前記測定対象部位において前記計測用レーザ光を走査させることにより、前記測定対象部位の各部の距離を測定し、測定された前記測定対象部位の各部の距離に基づいてロボット座標系における前記測定対象部位の位置および姿勢を算出し、算出された前記測定対象部位の位置および姿勢を、前記ロボット座標系における実際の既知の前記測定対象部位の位置および姿勢に変換する座標変換関数を算出し、算出された座標変換関数を用いて前記レーザ加工ツールのツール先端点を補正するレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法である。
本態様によれば、レーザ加工ロボットを動作させて先端に装着したレーザ加工ツールからの計測用レーザ光を、ベースに取り付けた測定用治具の測定対象部位に照射することができる位置にレーザ加工ツールを配置し、レーザ加工ツールから計測用レーザ光を射出させ、測定対象部位において２次元的に走査させる。これにより、測定対象部位の各部からの反射光がレーザ加工ツールにより受光され、レーザ加工ツールの測距機能により、レーザ加工ツールから測定対象部位の各部までの距離を測定することができる。
一方、測定時のレーザ加工ロボットの各軸の角度は既知であるため、測定された測定対象部位の距離から、ロボットの座標系を基準とした位置および姿勢を算出することができる。また、測定用治具はロボットのベースに固定されているので、実際の測定対象部位のロボットの座標系を基準とした位置および姿勢については既知である。
レーザ加工ツールの実際のツール先端点が、レーザ加工ロボットの制御装置側で認識しているツール先端点と一致している場合には、算出された測定対象部位の位置および姿勢と、実際の測定対象部位の位置および姿勢とは一致するが、レーザ加工ツールを交換した場合など、個体差により不一致となる場合がある。このような場合に、算出された測定対象部位の位置および姿勢を実際の測定対象部位の位置および姿勢に変換する座標変換関数を算出し、算出された座標変換関数を用いて、制御装置側で認識しているツール先端点を補正することにより、ツール先端点のずれをなくすことができる。
すなわち、レーザ加工ツールを測定用治具に対して厳密に位置合わせしなくても、ツール先端点をキャリブレーションすることができ、ロボットの先端に取り付けるレーザ加工ツールを交換した場合等にキャリブレーションに要する時間を低減することができる。
上記態様においては、前記測定対象部位が、非対称な形状を有していてもよい。
この構成により、計測用レーザ光の走査による測定対象部位までの距離の測定により、測定対象部位の形状を認識し、その際に、回転角度についても簡易に認識することができる。
また、上記態様においては、前記測定対象部位が、平面であってもよい。
この構成により、座標変換関数を演算するための測定対象部位の形状を最も簡易にすることができ、演算量を低減することができる。
また、上記態様においては、前記測定対象部位が、対称形状の平面の非対象位置に形状識別部を備えていてもよい。
この構成により、測定対象部位を構成する平面としては対称形状を有していたとしても非対象位置に配置した形状識別部を含めて測定対象部位を非対象形状とすることができ、回転角度についても簡易に認識することができる。
本発明によれば、ロボットの先端に取り付けるレーザ加工ツールを交換した場合等にキャリブレーションに要する時間を低減することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法に用いられるロボットシステムを示す全体構成図である。 図１のロボットシステムに備えられる測定用治具の測定対象部位の一例とレーザ加工ツールによるレーザ光の走査軌跡の一例とを示す図である。 図１のロボットシステムに備えらえる制御装置内のキャリブレーションに関わる部分を示す機能ブロック図である。 図１のレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法を示すフローチャートである。 図１のロボットシステムのレーザ加工ツールの測距機能により取得された点群の一例を示す図である。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工ロボット１のキャリブレーション方法について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るキャリブレーション方法に用いられるロボットシステム１００は、図１に示されるように、レーザ加工ロボット１と、レーザ加工ロボット１を制御する制御装置１０とを備えている。
レーザ加工ロボット１は、例えば、６軸多関節型ロボットであり、床面（被設置面）に固定されるベース２と、該ベース２に対して動作する可動部３とを備えている。レーザ加工ロボット１は、例えば、ベース２に固定されたロボット座標系ＸＹＺを備えている。
可動部３は、例えば、鉛直な第１軸線回りにベース２に対して回転する旋回胴４と、水平な第２軸線回りに旋回胴４に対して回転する第１アーム５と、水平な第３軸線回りに第１アーム５に対して回転する第２アーム６と、第２アーム６の先端に設けられた３軸手首ユニット７とを備えている。
レーザ加工ロボット１は、３軸手首ユニット７の先端にレーザ加工ツール８を装着し、ベース２に測定用治具９を固定している。レーザ加工ツール８は加工用レーザ光および、加工用レーザ光とは別に教示用レーザ光（計測用レーザ光）Ｌを出力することができる。
また、レーザ加工ツール８は、図２に軌跡を示すように、教示用レーザ光Ｌを、例えば、ラスタスキャン方式で、２次元的に走査する機能と、走査の各位置において物体から反射して戻る反射光を受光して、ツール先端点ＴＣＰに設定されたツール座標系ｘｙｚを基準とした物体までの距離を測定する測距機能とを備えている。
測定用治具９は、図１に示される姿勢にレーザ加工ロボット１を動作させ、レーザ加工ツール８の姿勢を設定したときに、レーザ加工ツール８にほぼ対向する位置に配置される測定対象部位９ａを備えている。図１および図２に示す例では、測定対象部位９ａは、正方形状の平面を備える平板状部分であり、図２に示されるように３箇所に板厚方向に貫通する孔（形状識別部）９ｂを備えている。孔９ｂは、測定対象部位９ａを構成する平面内の非対象位置に３箇所に間隔をあけて配置されている。
測定用治具９はベース２に固定されることにより、測定対象部位９ａが、ロボット座標系ＸＹＺにおいて精度よく位置決めされた位置に配置されている。これにより、実際の測定対象部位９ａのロボット座標系ＸＹＺにおける位置および姿勢は既知である。
制御装置１０は、図３に示されるように、レーザ加工ツール８により測定された測定対象部位９ａの各部までの距離の情報と、レーザ加工ロボット１の各軸の角度情報とに基づいて、測定された測定対象部位９ａの位置および姿勢を算出する位置姿勢算出部１１と、図１に示されるロボット座標系ＸＹＺにおけるレーザ加工ツール８のツール先端点ＴＣＰの座標、および、実際の測定用治具９の測定対象部位９ａの位置および姿勢を記憶する記憶部１２と、測定された測定対象部位９ａの位置および姿勢を実際の測定対象部位９ａの位置および姿勢に一致させるための座標変換関数を算出する関数算出部１３と、算出された座標変換関数を用いて記憶されているレーザ加工ツール８のツール先端点ＴＣＰを補正する補正部１４とを備えている。
関数算出部１３は、ＩＣＰマッチング等の公知の手法により、類似形状の物体の位置関係を座標変換関数として得ることができる。
本実施形態に係るレーザ加工ロボット１のキャリブレーション方法について、以下に説明する。
本実施形態に係るレーザ加工ロボット１のキャリブレーション方法は、図４に示されるように、まず、制御装置１０が自動的に、あるいは、作業者が教示操作盤を用いてレーザ加工ロボット１を動作させて図１に示されるキャリブレーション位置まで移動させる（ステップＳ１）。キャリブレーション位置は厳密な位置ではなく、レーザ加工ツール８から射出するレーザ光を測定用治具９の測定対象部位９ａにおいて走査させることができる概略位置でよい。
次いで、レーザ加工ツール８から教示用レーザ光Ｌを射出させ、図２に示されるように、測定対象部位９ａにおいて２次元的に走査させるとともに、走査経路の各位置において、測定対象部位９ａから反射して戻る反射光を受光させ、図１に示されるツール座標系ｘｙｚにおいて測定対象部位９ａの各部の距離を測定する（ステップＳ２）。教示用レーザ光Ｌの各照射位置の座標は、レーザ加工ツール８の図示しないガルバノミラーの角度に基づいて決定される。このため、当該座標と測定された距離とを対応づけて記憶することにより、図５に示されるように、測定対象部位９ａである平面の形状の各部において、レーザ加工ツール８からの距離情報を有する点群を取得することができる。
取得された点群の情報が制御装置１０に送られると、制御装置１０においては、測定時のレーザ加工ロボット１の各軸の角度情報が位置姿勢算出部１１に送られて、測定された測定対象部位９ａの図１に示されるロボット座標系ＸＹＺにおける位置および姿勢が算出される（ステップＳ３）。測定された距離に基づいて算出された測定対象部位９ａの位置および姿勢と記憶部１２に記憶されている実際の測定対象部位９ａの位置および姿勢とが関数算出部１３に送られ、座標変換関数が算出される（ステップＳ４）。
そして、算出された座標変換関数および記憶部１２に記憶されているツール先端点ＴＣＰの座標が補正部１４に送られると、ツール先端点ＴＣＰの座標に座標変換関数が乗算されてツール先端点ＴＣＰの座標が補正される（ステップＳ５）。
このように、本実施形態に係るレーザ加工ロボット１のキャリブレーション方法によれば、レーザ加工ツール８を測定用治具９に対して精度よく位置決めすることなくキャリブレーションを行うことができる。その結果、レーザ加工ツール８を精度よく位置決めするために要していた作業を省略して、キャリブレーション作業に要する時間を低減することができるという効果を奏する。
また、本実施形態に係るレーザ加工ロボット１のキャリブレーション方法によれば、測定用治具９の測定対象部位９ａとして、正方形の平面を採用しているので、簡易な構成とすることができるとともに、座標変換関数を算出し易いという利点がある。また、対称形状の平面を用いているが、３箇所の孔９ｂを含めると非対称な形状とすることができ、座標変換関数を算出する際の回転方向の対応付けを容易に行うことができるという利点がある。
なお、本実施形態においては、測定対象部位９ａとして正方形の平面に非対称に孔９ｂをあけたものを採用したが、これに代えて、他の任意の形状の測定対象部位９ａを採用してもよい。例えば、平面に限ることなく、球状、錐体状、直方体状等の任意の立体を採用してもよい。また、平面を採用する場合に、回転対称ではない多角形等任意の形状を採用してもよい。
また、測定対象部位９ａに、再帰性反射材を塗布あるいはコーティングすることにより、レーザ加工ツール８により受光される反射光の強度を増大させ、所定の閾値を超える強度の反射光が検出される領域を測定対象部位９ａとして抽出することにしてもよい。これにより、測定対象部位９ａの抽出を容易にすることができる。
また、本実施形態においては、レーザ加工ツール８で出力可能なレーザ光として、加工用レーザ光および教示用レーザ光を例示したが、これに代えて、レーザ加工ツール８のレーザ光と同軸上に誘導された測距用レーザ光を出力し、これを用いる手法を採用してもよい。
また、本実施形態においては、レーザ加工ツール８としてガルバノミラーを内蔵したものを例示したが、これに限られるものではなく、レーザ光の照射経路を任意に変更可能なものであればよく、例えば、プリズムなどによるものを採用してもよい。
また、本実施形態においては、レーザ加工ツール８としてガルバノミラーを内蔵した物を上げたが、レーザ加工ツール８にレーザ光の照射方向を変更可能な機能の無い場合、レーザ加工ロボット１によりレーザ加工ツール８の姿勢を移動させることにより走査をする手法を採用してもよい。
１ レーザ加工ロボット
２ ベース
３ 可動部
８ レーザ加工ツール
９ 測定用治具
９ａ 測定対象部位
９ｂ 孔（形状識別部）
ＴＣＰ ツール先端点
Ｌ 教示用レーザ光（計測用レーザ光）

Claims (5)

  1. 被設置面に固定されるベースと、該ベースに対して可動する可動部とを備え、先端にレーザ加工ツールを装着したレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法であって、
    前記ベースに所定形状の測定対象部位を有する測定用治具を固定し、
    前記レーザ加工ツールが、計測用レーザ光を２次元的に走査する機能を有するとともに、前記計測用レーザ光の物体における反射光を受光して前記物体までの距離を測定する測距機能を有し、
    前記レーザ加工ロボットを動作させることにより、前記測定対象部位に対して前記計測用レーザ光を走査可能な位置に前記レーザ加工ツールを配置し、
    前記測定対象部位において前記計測用レーザ光を走査させることにより、前記測定対象部位の各部の距離を測定し、
    測定された前記測定対象部位の各部の距離に基づいてロボット座標系における前記測定対象部位の位置および姿勢を算出し、
    算出された前記測定対象部位の位置および姿勢を、前記ロボット座標系における実際の既知の前記測定対象部位の位置および姿勢に変換する座標変換関数を算出し、
    算出された座標変換関数を用いて前記レーザ加工ツールのツール先端点を補正するレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法。
  2. 前記測定対象部位が、非対称な形状を有する請求項１に記載のレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法。
  3. 前記測定対象部位が、平面である請求項１または請求項２に記載のレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法。
  4. 前記測定対象部位が、対称形状の平面の非対象位置に形状識別部を備える請求項２に記載のレーザ加工ロボットのキャリブレーション方法。
  5. 被設置面に固定されるベースと、該ベースに対して可動する可動部とを備え、先端にレーザ加工ツールを装着したレーザ加工ロボットの制御装置であって、前記レーザ加工ツールが、計測用レーザ光を２次元的に走査する機能を有するとともに、前記計測用レーザ光の物体における反射光を受光して前記物体までの距離を測定する測距機能を有し、前記ベースに所定形状の測定対象部位を有する測定用治具が固定され、
    前記制御装置が、
    前記レーザ加工ツールによって測定された前記測定対象部位の各部の距離に基づいてロボット座標系における前記測定対象部位の位置および姿勢を算出し、
    算出された前記測定対象部位の位置および姿勢を、前記ロボット座標系における実際の既知の前記測定対象部位の位置および姿勢に変換する座標変換関数を算出し、
    算出された前記座標変換関数を用いて前記レーザ加工ツールのツール先端点を補正する、制御装置。
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