JP6928015B2 - ロボットシステムおよび座標変換方法 - Google Patents

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本発明はロボットシステムおよび座標変換方法に関する。
従来、搬送装置によって移動している対象に対して作業を行うロボットと、ロボットを制御するロボット制御装置と、ロボット制御装置によって制御されるビジョンシステムと、搬送装置による対象の移動量を計測する計測部とを備え、ビジョンシステムによって得られた画像中で対象の位置が検出され、検出された位置と計測部により計測される移動量とに基づきロボットが制御されるロボットシステムが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特許第4022843号公報
前記ビジョンシステムはロボットの製造会社によって設計されたロボット制御用のものであり、ロボットの制御に特化したものである。一般的に、ロボット制御装置およびビジョンシステムは互いに適合するように作られ、ビジョンシステムによって得られる情報、データ等はロボット制御装置での使用に適したものである。また、ロボット制御装置およびビジョンシステムにはキャリブレーションのためのプログラムが格納されており、ドットパターンもしくはそれに類するものを有するキャリブレーション冶具を用いて半自動的又は自動的にキャリブレーションが行われる。
ドットパターンの間隔寸法は既知である。このため、前記キャリブレーションでは、例えば、ビジョンシステムの固定されたカメラによって得られたドットパターンの画像に基づき、キャリブレーション冶具に対するカメラの位置がビジョンシステムの制御部によって特定される。また、ドットパターンの複数個所にロボットの先端部に設けられた所定のツールを接触させることによって、ロボット座標系におけるキャリブレーション冶具の位置がロボット制御部によって特定される。その他、レンズのゆがみ等の内部パラメータ導出等のための様々な処理が行われる。このような処理が半自動的又は自動的に行われ、ロボット制御部がビジョンシステムの座標系を認識し、ロボット制御部が、ビジョンシステムからのデータに基づき、ロボット座標系上において各対象の位置データを正確に認識できるようになる。
なお、ここでは固定カメラの場合を述べたが、カメラをロボットアームに固定した場合も同様である。この場合は、撮像時のロボット位置も使ってカメラの位置が同定される。
一方、例えば検査装置やロボットの動作性能を超える高精度な計測器の製造会社等によって製造されるセンサシステムは、前記ビジョンシステムよりも優れた機能を有する場合がある。このため、センサシステムを用いたロボットのトラッキング制御の要望が出てきている。しかし、センサシステムのセンサおよびセンサ制御装置はロボットの制御用ではない。センサシステムが検査以外の用途に用いられるものである場合も同様である。このようなセンサシステムはその用途に適した仕様およびインターフェースを備えており、センサシステムのセンサおよびセンサ制御装置内で行われる処理も前記用途に特化したものである。このため、センサシステムはロボットの制御に適した情報、データ等を提供できるものではなく、センサシステムは、ロボットの制御に用いられるキャリブレーション冶具を用いてセンサの位置(外部パラメータ)を特定できるものでもない。上記のように複雑なキャリブレーションを行うプログラムを使えないので、通常はロボットの制御用のビジョンシステムの導入が検討される。
前述の事情に鑑み、検査装置や高精度な計測器の製造会社等によって製造されるセンサシステムとロボットとのキャリブレーションを、ロボットが行う作業に関して行うことができるロボットシステムおよび座標変換方法の提供が望まれている。
第1の態様のロボットシステムは、センサシステムと、ロボットと、前記ロボットを制御するロボット制御装置と、少なくとも複数の対象又は複数の点を移動方向に移動させるための移動手段と、を備え、記ロボット制御装置が、前記センサシステムによって得られた前記複数の対象又は前記複数の点の位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応するロボット座標系における位置座標とに基づき、前記センサシステムによって得られる位置座標を前記移動方向を含む平面内において座標変換を行うための変換行列を作成前記ロボット制御装置が、前記センサシステムによって得られる第2の位置座標であって前記位置座標に対して前記移動方向に位置が異なる第2の位置座標を受付け、前記変換行列によって座標変換された前記位置座標の少なくとも一つと前記変換行列によって座標変換された前記第2の位置座標との前記移動方向の位置の差が基準内か否か判断する
第2の態様の座標変換方法は、センサシステムによって検出された位置座標をロボット制御装置が認識しているロボット座標系上の位置座標に変換する座標変換方法であって、前記センサシステムによって得られた複数の対象又は複数の点の位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応する前記ロボット座標系における位置座標とに基づき、前記センサシステムよって得られる位置座標を、前記複数の対象又は前記複数の点が移動手段によって移動する移動方向を含む平面内において座標変換を行うための変換行列を作成し、前記センサシステムによって得られる第2の位置座標であって前記位置座標に対して前記移動方向に位置が異なる第2の位置座標を受付け、前記変換行列によって座標変換された前記位置座標の少なくとも一つと前記変換行列によって座標変換された前記第2の位置座標との前記移動方向の位置の差が基準内か否か判断し、前記センサシステムによって検出された位置座標を前記変換行列を用いて変換する。
また、第3の態様の座標変換方法は、センサシステムによって検出された位置座標をロボット制御装置が認識しているロボット座標系上の位置座標に変換する座標変換方法であって、複数の対象又は複数の点を移動可能な移動手段によって、前記複数の対象又は前記複数の点を前記センサシステムの検出範囲内に配置し、前記複数の対象又は前記複数の点のうち位置を検出したい対象又は点以外を物理的に隠しながら、前記検出したい対象又は点の位置座標を得ることにより、前記複数の対象又は前記複数の点の前記位置座標を得て、前記センサシステムによって得られた前記複数の対象又は前記複数の点の前記位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応する前記ロボット座標系における位置座標とに基づき、前記センサシステムよって得られる位置座標を前記移動方向を含む平面内において座標変換を行うための変換行列を作成し、前記センサシステムによって検出された位置座標を前記変換行列を用いて変換する。
上記態様によれば、検査装置の製造会社や高精度な計測器の製造会社等によって製造されるセンサシステムとロボットとのキャリブレーションを、ロボットが行う作業に関して行うことができる。
第1実施形態の検出システムが使用されるロボットシステムの構成を示す図である。 第1実施形態の検出システムの制御ユニットのブロック図である。 第1実施形態の検出システムによって検出される対象の動作説明図である。 第1実施形態の検出システムを用いたキャリブレーションの一例を示すフローチャートである。 第1実施形態の検出システムを用いたキャリブレーションの変形例を示すフローチャートである。 第2実施形態の検出システムによって検出される対象の動作説明図である。 第2実施形態の検出システムを用いたキャリブレーションの一例を示すフローチャートである。 第2実施形態の検出システムを用いたキャリブレーションの一例を示すフローチャートである。 第2実施形態の検出システムを用いたキャリブレーションの変形例を示すフローチャートである。 第2実施形態の検出システムによって検出される他の対象の動作説明図である。 第1および第2実施形態の検出システムが使用されるロボットシステムの変形例の構成を示す図である。
第1実施形態に係るロボットシステムが、図面を用いながら以下説明されている。
本実施形態のロボットシステムは、図1および図2に示されるように、物品(対象)Oを移動させる移動手段としての搬送装置(移動手段)10と、センサシステム20と、ロボット30と、ロボット30を制御するロボット制御装置40とを備えている。搬送装置10の搬送方向とロボット30の座標系であるロボット座標系201のX軸方向が一致しており、搬送装置10の搬送面に垂直な方向とロボット座標系201のZ軸方向とが一致しており、ロボット座標系201のY軸方向は搬送装置10の幅方向と一致するように取られている。本実施形態ではZ軸方向は鉛直方向である。
各対象Oがワークである場合、ロボット30は各対象Oに対して取出し、加工等の作業を行う。各対象Oが単一のワーク上に形成された穴であってもよい。この場合、ロボット30は各対象Oに対して加工、部品取付け等の作業を行う。
搬送装置10は、搬送される対象Oの移動量を検出することができるエンコーダ等の計測部10aを有する。計測部10aは例えば搬送装置10を駆動するモータ10b内に設けられている。もしくはエンコーダ先端にローラを付けて、そのローラをコンベヤ面に押し当てても良い。計測部10aはロボット制御装置40に接続され、計測部10aの検出結果が常にロボット制御装置40に送られている。
センサシステム20は、例えば、搬送装置10によって搬送される対象Oの検査を行うためのシステムである。センサシステム20は、センサ21と、センサ21で得られたデータを処理する処理部22と、処理部22によって得られた処理後データを用いて判断を行う判断部23とを備えている。処理部22および判断部23は例えばセンサ制御装置24内に設けられている。
なお、処理部22および判断部23はセンサ21に内蔵されても良い。
センサ21は、対象Oの位置を検出するためのデータを得ることができるものでればよく、例えば二次元カメラ、三次元カメラ、三次元距離センサ等である。本実施形態では、センサ21は搬送装置10の上方に配置され、センサ21の光軸はZ軸と平行である。つまり、搬送装置10の搬送面に対してセンサ21はその光軸が略垂直となるように配置されている。
センサ制御装置24は、CPU等のプロセッサ、不揮発性ストレージ、ROM、RAM等の記憶部、キーボード等の入力部、ディスプレイ等を有するものであり、ロボット制御装置40と接続されている。記憶部に格納されているプログラムに基づき作動するプロセッサによって、処理部22および判断部23が実現される。
前記検査は如何なる検査であってもよく、処理部22は、周知の画像処理等を行うことによって処理後データを作成し、判断部23は処理後データに基づき各対象Oについて例えば部品検査又は製品検査の一環として合否判断を行う。
また、処理部22又は判断部23は、処理後または処理前のデータを用いて、各対象Oの少なくとも位置を検出する。なお、処理部22又は判断部23が、各対象Oの位置および姿勢を検出してもよい。
また、検出される各対象Oの位置は、センサ21によって得られたデータ上の各対象Oの位置又は処理後データ上の各対象Oの位置であってもよい。
ロボット30は特定の種類のロボットに限定されないが、本実施形態のロボット30は、複数の可動部をそれぞれ駆動する複数のサーボモータ31(図3参照)を備える垂直多関節ロボットである。なお、複数の可動部によってロボット30のアーム30aが構成されている。各サーボモータ31はその作動位置を検出するための作動位置検出装置を有し、作動位置検出装置は一例としてエンコーダである。作動位置検出装置の検出値はロボット制御装置40に送信される。ロボット30は、水平多関節ロボット、マルチリンクロボット等であってもよい。
ロボット制御装置40は、一例では、図3に示されるように、CPU等のプロセッサ41と、表示装置42と、不揮発性ストレージ、ROM、RAM等を有する記憶部43と、ロボット30のサーボモータ31にそれぞれ対応している複数のサーボ制御器44と、操作盤等の入力部45とを備えている。
記憶部43にはシステムプログラム43aが格納されており、システムプログラム43aはロボット制御装置40の基本機能を担っている。また、記憶部43には動作プログラム43bおよび追随制御プログラム43cも格納されており、各プログラムに基づきプロセッサ41がロボット30の各サーボモータ31およびロボット30の先端部のツールTを制御し、これにより搬送装置10によって搬送されている対象Oにロボット30が作業を行う。また、記憶部43にはキャリブレーションプログラム43dが格納されている。
本実施形態では、センサ21の検出範囲AR1はロボット30の作業範囲AR2に対して搬送装置10の搬送方向の上流側に配置され、検出範囲AR1と作業範囲AR2とが重複していない。作業範囲AR2はロボット30が動ける範囲ではなく、ロボット30が前記作業を行う範囲である。なお、検出範囲AR1と作業範囲AR2とが部分的に重複していてもよい。
ロボット制御装置40はロボット30の制御用に作られたものであり、このためロボット制御装置40はロボット30の座標系であるロボット座標系201を認識している。ロボット制御装置40は、ロボット30のアーム30aの各可動部およびツールTのロボット座標系201上の位置および姿勢を把握しながら、各サーボモータ31およびロボット30の先端部のツールTを制御する。
ここで、センサシステム20によって検出された各対象Oの位置データをロボット30の制御に用いるためには、センサシステム20のセンサ座標系202とロボット座標系201とを対応付けるためのキャリブレーションを行う必要があるが、センサシステム20はそのような機能を持っていない。
比較例として、ロボット30の制御用のビジョンシステムを説明する。ビジョンシステムはロボット30およびロボット制御装置40を製造するロボット製造会社によって製造され、ロボット30の制御に特化したものである。一般的に、ロボット制御装置40およびビジョンシステムは互いに適合するように作られ、ビジョンシステムによって得られる情報、データ等はロボット制御装置40での使用に適したものである。また、ロボット制御装置40およびビジョンシステムにはキャリブレーションのためのプログラムが格納されており、ドットパターンを有するキャリブレーション冶具を用いて半自動的又は自動的にキャリブレーションが行われる。
ドットパターンの間隔寸法は既知である。このため、前記キャリブレーションでは、例えば、ビジョンシステムのカメラによって得られたドットパターンの画像に基づき、キャリブレーション冶具に対するカメラの位置がビジョンシステムの制御部によって特定される。また、ドットパターンの複数個所にロボット30の先端部に設けられた所定のツールを接触させることによって、ロボット座標系201におけるキャリブレーション冶具の位置がロボット制御装置40によって特定される。その他、両者のスケールの対応、レンズゆがみ除去等のための様々な処理が行われる。このような処理が半自動的又は自動的に行われ、ロボット制御装置40がビジョンシステムの座標系を認識し、ロボット制御装置40が、ビジョンシステムからのデータに基づき、ロボット座標系201上において各対象Oの位置データを認識できるようになる。
一方、センサシステム20はその製造に特化した会社によって製造され、センサ21およびセンサ制御装置24は検査用であり、ロボット30の制御用ではない。センサシステム20が検査以外の用途に用いられるものである場合も同様である。このようなセンサシステム20はその用途に適した仕様およびインターフェースを備えており、センサシステム20のセンサ21およびセンサ制御装置24上で行われる処理も前記用途に特化したものである。このため、センサシステム20はロボット30の制御に適した情報、データ等を提供できるものではない。また、センサシステム20は、ロボット30の制御に用いられるキャリブレーション冶具を用いてセンサ21の位置を特定できるものでもない。上記のように複雑なキャリブレーションを行うプログラムを使えない状況において、通常はロボットの制御用のビジョンシステムの導入が検討される。
検査等の特定の用途に特化したセンサシステム20およびセンサ21は、ロボット30の制御用のビジョンシステムよりも優れた機能も持っている場合がある。例えば、センサ21が高速、高精度である場合、処理部22における処理が高速、高精度である場合等がある。本実施形態では、センサシステム20の出力をロボット30の制御に用いるためのキャリブレーションを行う。
なお、レンズのゆがみ等の内部パラメータ導出やロボット30との位置関係の導出が可能なセンサシステム20もある。しかし、計測部10aで計測された計測値を使って座標系を合わせるようなものはなく、視野の範囲内にロボット30の作業範囲があるケースがほとんどである。
なお、本実施形態において、センサシステム20の内部パラメータや外部パラメータがセンサシステム20の製造に特化した会社によって専用に用意されたツールを使って求められた状態であってもよい。本実施形態では、センサシステム20の検出結果とロボット座標系201との関係を求めるものであるため、本実施形態が成り立つ。なお、既にセンサシステム20において検出結果がミリメートル変換されている場合、本実施形態で求めるスケールは理想的には1に近い値になる。
(キャリブレーション例1)
当該キャリブレーションを図4のフローチャートを参照しながら説明する。まず、停止している搬送装置10上における検出範囲AR1内に対象Oを2つ配置する(ステップS1−1)。各対象Oがワークである場合、2つの対象Oを検出範囲AR1内の搬送装置10上に置く。なお、2つの対象Oは、1つのワーク上に設けられた2つのねじ穴であってもよく、1つの板の上に設けられた2つのマークであってもよい。なお、キャリブレーションのための対象Oとロボット30が作業を行う対象が異なっていてもよい。この場合、キャリブレーションのための対象OのZ軸方向の位置がロボット30の作業対象のZ軸方向の位置に対応している方が好ましい。また、必ずしも1つのワーク上に特徴が設けられていなくてもよい。2つのワークを用いてもよい。このとき、2つのワークの相対関係が変化しないようにコンベヤにテープで固定するなどするとなお好ましい。
続いて、一方の対象Oをセンサシステム20によって位置が検出されない状態とし(ステップS1−2)、この状態でロボット制御装置40からセンサシステム20に対象Oの位置の検出を指示するコマンドが送信され(ステップS1−3)、ロボット制御装置40が1つ目の位置の検出結果Pをセンサシステム20から受信する(ステップS1−4)。
続いて、他方の対象Oをセンサシステム20によって位置が検出されない状態とし(ステップS1−5)、この状態でロボット制御装置40からセンサシステム20に対象Oの位置の検出を指示するコマンドが送信され(ステップS1−6)、ロボット制御装置40が2つ目の位置の検出結果Pをセンサシステム20から受信する(ステップS1−7)。
ステップS1−2およびS1−5では、例えば対象Oを布で隠すことによって、対象Oの位置が検出されない状態となる。
続いて、搬送装置10によって2つの対象Oを作業範囲AR2内まで移動させ、搬送装置10を停止させる(ステップS1−8)。そして、他方の対象Oの所定位置にロボット30に取付けられたツールの先端(タッチアップ部)を接触させ(ステップS1−9)、その時のツールの先端の位置(ロボット座標系201上の位置座標Q)をロボット制御装置40の記憶部43に記憶させる(ステップS1−10)。なお、タッチアップ部はロボット30の先端部であってもよい。
また、一方の対象Oの所定位置にロボット30のツールの先端(タッチアップ部)を接触させ(ステップS1−11)、その時のツールの先端の位置(ロボット座標系201上の位置座標Q)をロボット制御装置40の記憶部43に記憶させる(ステップS1−12)。前記所定位置は、センサシステム20によって検出された位置に対応した位置であることが好ましい。
続いて、センサシステム20が検出した任意の点Paの位置のロボット座標系201から見た位置(Xa,Ya)を求めるための変換行列を作成する(ステップS1−13)。
変換行列は、ロボット制御装置40がキャリブレーションプログラム43dに基づき例えば以下の処理によって作成する。
先ず、センサシステム20が検出したPおよびPの位置、つまり、センサ座標系202上におけるPの検出された位置座標とPの検出された位置座標との関係から、単位ベクトルが作成され、当該単位ベクトルに対応するセンサX―Y座標系が設定される。例えばセンサX−Y座標系はセンサ座標系202のX軸およびY軸に平行な平面内に設定される。
一例として、センサ座標系202上におけるPの検出された位置座標とPの検出された位置座標との関係から、Pを原点として、X軸の単位ベクトルとY軸の単位ベクトルが作成され、当該単位ベクトルに対応するセンサX―Y座標系が定義される。センサシステム20の任意の点Paを前記センサX―Y座標系での座標に変換する。
また、ロボット座標系201上におけるQの位置座標とQの位置座標との関係から、ロボット座標系201内にセンサX−Y座標系に対応するロボットX−Y座標系が設定され、点Paに対応するようにロボット座標系201から見た点Qaの位置座標が求められる。Qaの位置座標は、PとPとの位置関係とQとQの位置関係とから導かれるスケールs(mm/pixel)が考慮されている。例えばロボットX−Y座標系はロボット座標系201のX軸およびY軸に平行な平面内に設定される。ここで、計測部10aにより計測される移動量も使って対応付けが行われる。
例えば、ロボット座標系201上におけるQの位置座標とQの位置座標との関係から、前記センサX―Y座標系に対応するロボットX−Y座標系がQを原点として定義される。当該ロボットX−Y座標系と前記センサX―Y座標系で表現された点Paをまとめることで、画像上の任意の点PaのロボットX−Y座標系での座標値位置(Xa,Ya)を求めることが可能である。1画素辺りのスケールsはPとPとの位置関係とQとQの位置関係とから導かれる。また計測部10aにより計測される移動量も使われる。
続いて、点Paの位置座標と求めた点Qaの位置座標との対応関係を用いて、センサ座標系202から見た点Paの位置座標をロボット座標系201から見た点Qaの位置座標に変換するための変換行列を求めることができる。
なお、上記の手法、つまり、対象Oの配置関係や移動方向の拘束を用いてタッチアップ点を2点に減らす手法を使わずに、以下の式(1)を用いて、3点をタッチアップして解析的に変換行列を求めることも可能である。また、3点以上をタッチアップすることによって、最小二乗法等の手法を通じて変換行列を数値的に求めることも可能となる。
Figure 0006928015
なお、Hは回転のための数式要素、Tは併進のための数式要素を示す。
(キャリブレーション例2)
当該キャリブレーションを図5のフローチャートを参照しながら説明する。まず、キャリブレーション例1と同様に、停止している搬送装置10上における検出範囲AR1内に対象Oを2つ配置する(ステップS2−1)。
続いて、操作者が、センサシステム20のディスプレイ、その他の表示装置等において、センサ21により得られた画像又はその処理後データを見て、ロボット30のツールを接触させる1つ目および2つ目のセンサ座標系202上の位置を決定し(ステップS2−2)、センサシステム20を用いて1つ目の点Pおよび2つ目の点Pの位置座標を取得する。例えば、センサシステム20の表示装置上にあらわれるポインタの位置が当該表示装置に表示される場合は、ポインタを点Pおよび点Pに合わせることによって、点Pおよび点Pの位置座標が得られる。1つ目の点Pおよび2つ目の点Pはロボット30による作業高さに対応していることが好ましい。
続いて、操作者は入力部45を用いてロボット制御装置40に1つ目の点Pおよび2つ目の点Pの位置座標を入力する(ステップS2−3)。なお、ステップS2−3において、センサシステム20からロボット制御装置40にステップS2−2において決定された1つ目の点Pおよび2つ目の点Pの位置座標が送信されてもよい。
続いて、キャリブレーション例1のステップS1−8〜S1−13と同様のステップS2−4〜S2−9が実行され、センサシステム20が検出した任意の点Paの位置のロボット座標系201から見た位置(Xa,Ya)を求めるための変換行列が作成される。
作成された変換行列を用いると、センサシステム20によって検出された位置座標をロボット座標系上の位置座標に変換することができる。つまり、センサ座標系202とロボット座標系201とを対応付けるキャリブレーションが完了する。
なお、前記変換行列は、一例として、X軸およびY軸に垂直なZ軸周りの回転を含む座標変換を行うものである。また、本実施形態の変換行列は、X軸周りおよびY軸周りの回転を含まない座標変換を行うものである。このため、Z軸方向の位置が互いに大きく異なっていない複数の対象Oについて、容易且つ確実にキャリブレーションを行うことが可能となる。
上記のようにキャリブレーションが行われた後、ロボット制御装置40は、センサシステム20によって得られる各対象Oの位置データと、計測部10aによって得られる搬送装置10による各対象Oの移動量とを少なくとも用いて、ロボット30およびツールTを所定の作業を各対象Oに行うために制御する。
本実施形態では、ロボット制御装置40はロボット30の先端部に設けられたタッチアップ部の位置を認識しているので、タッチアップ部を複数の対象Oに接触させることによって、各対象Oのロボット座標系201上の位置が得られる。また、センサシステム20によって検出され、又は、得られた各対象Oの位置座標と、タッチアップ部の接触によって得られた各対象Oのロボット座標系201におけるX軸方向およびY軸方向の位置座標とに基づき、X軸およびY軸が含まれる平面内における座標変換を行う変換行列を作成できる。このように、複雑な処理を伴うことなく変換行列を作成することができるので、検査装置の製造会社や高精度な計測器の製造会社等によって製造されるセンサシステム20とロボット30とのキャリブレーションを容易且つ確実に行うことが可能となる。
また、本実施形態では、変換行列が、X軸およびY軸に垂直なZ軸周りの回転を含む座標変換を行うものである。
より具体的には、変換行列は、Z軸周りの回転を含む座標変換を行うものであり、X軸周りおよびY軸周りの回転を含まない座標変換を行うものである。この場合、Z方向の位置が互いに大きく異なっていない複数の対象Oにロボット30による作業を行う上で、容易且つ確実にキャリブレーションを行うことが可能となる。
また、本実施形態では、センサシステム20によって検出され、又は、得られた複数の対象Oの位置座標と、センサシステム20によって位置座標が得られた後に搬送装置10によって移動した複数の対象Oにタッチアップ部を接触させることによって得られる位置座標と、計測部10aによって計測される移動量とを用いて、変換行列が作成される。
検査装置の製造会社や高精度な計測器の製造会社等によって製造されるセンサシステム20の検出範囲はロボット30による作業範囲と異なる場合が多い。当該態様では、検出範囲と作業範囲とが異なる場合でも、計測部10aによって計測される移動量を用いて、センサシステム20によって検出された位置座標をロボット座標系201上の位置座標に変換する変換行列を作成することができる。
また、本実施形態では、キャリブレーションに用いる対象Oは2つである。
このロボットシステムは、対象Oを2つにしても、Z軸方向の位置が互いに大きく異なっていない複数の対象Oにロボット30による作業を行う上で、実用上正確なキャリブレーションを行うことができる。キャリブレーションに用いる対象が2つであることから、キャリブレーションに必要な時間を短縮することができる。これは、ロボット30が作業を行う対象Oの品種、寸法等が頻繁に変わる場合において、品種、寸法等に応じたキャリブレーションを適切に行うことを可能とする。
なお、本実施形態のロボットシステムにおいて、ロボット制御装置40が、入力部45への入力に基づき、センサシステム20のセンサ座標系202が右手座標系であるか左手座標系であるかを認識してもよい。
当該構成では、センサシステム20が右手座標系および左手座標系の何れを採用していても、ロボット制御装置40をセンサシステム20の位置検出に容易且つ確実に適合させることができる。
また、本実施形態では、複数の対象OのZ軸方向の寸法のばらつきが小さいことが好ましい。このロボットシステムは、X軸およびY軸が含まれる平面内における座標変換を行う変換行列を作成するものであるから、複数の対象Oの互いのZ軸方向の寸法のばらつきが小さい場合、ロボット制御装置40をセンサシステム20の位置検出により確実に適合させることができる。
なお、前記実施形態において、対象Oを移動させる移動手段として、搬送装置10の代わりに、対象Oを移動させるロボット、自己の移動によって載置された対象Oを移動させる移動台車等を用いることも可能である。ロボットが用いられ場合、計測部10aの計測値の代わりに、ロボットの各サーボモータの作動位置検出装置の検出値が対象Oの移動量の計測値として用いられる。移動台車が用いられる場合、計測部10aの代わりに、載置台車を駆動するモータのエンコーダの検出値が対象Oの移動量の計測値として用いられる。
また、計測部10aの代わりに、二次元カメラ等のセンサによって搬送装置10上のマーク、対象O等の移動量を検出してもよい。この場合、二次元カメラ等のセンサが計測部として機能する。
また、前記実施形態において、センサ21がロボット30又は他のロボットによって支持されていてもよい。この場合でも、前述と同様の処理によって変換行列を作成することができる。なお、この場合でも、センサ21の光軸がZ軸と平行であることが好ましい。センサ21の位置は、ロボット30又は他のロボットの動作情報に基づき求めることができる。
第2実施形態に係るロボットシステムが、図面を用いながら以下説明されている。
第2実施形態は、第1実施形態におけるセンサシステム20の出力をロボット30の制御に用いるためのキャリブレーションの他の例を示すものであり、その他の構成は第1実施形態と同様である。第2実施形態でも、第1実施形態と同様の搬送装置(移動手段)10、センサシステム20、ロボット30、およびロボット制御装置40が用いられる。第1実施形態と同等の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
第2実施形態では、図6に示されるように、例えば搬送装置10上に1つのワークWが載置され、当該ワークWのY軸方向の一端側および他端側に設けられた輪郭、貫通穴、マーク等がそれぞれ対象Oとして検出される。センサ制御装置24の処理部22又は判断部23は各対象Oの少なくとも位置を検出する。なお、処理部22又は判断部23が、各対象Oの位置および姿勢を検出してもよい。
第2実施形態では、以下の処理に従って、センサシステム20の出力をロボット30の制御に用いるためのキャリブレーションが行われる。特に説明が無い事項は、第1実施形態と同様に処理され、第1実施形態と同様の変形例も適用され得る。
(キャリブレーション例1)
当該キャリブレーションを図7および図8のフローチャートを参照しながら説明する。まず、停止している搬送装置10上における検出範囲AR1内にY軸方向に離れた2つの対象Oを配置する(ステップS3−1)。図10に示されるワークWを用いることも可能である。この場合は、Y軸方向の一端側にX軸方向に並ぶ2つの対象Oがあり、そのうち一方とY軸方向の他端側に配置された対象Oとが検出範囲AR1内に配置されていればよい。
続いて、Y軸方向に離れた2つの対象Oのうち一方をセンサシステム20によって位置が検出されない状態とし(ステップS3−2)、この状態でロボット制御装置40からセンサシステム20に対象Oの位置の検出を指示するコマンドが送信され(ステップS3−3)、ロボット制御装置40が1つ目の位置の検出結果Pをセンサシステム20から受信する(ステップS3−4)。
続いて、他方の対象Oをセンサシステム20によって位置が検出されない状態とし(ステップS3−5)、この状態でロボット制御装置40からセンサシステム20に対象Oの位置の検出を指示するコマンドが送信され(ステップS3−6)、ロボット制御装置40が2つ目の位置の検出結果Pをセンサシステム20から受信する(ステップS3−7)。
続いて、搬送装置10によって対象Oを検出範囲AR1内で移動させる(ステップS3−8)。この状態で、例えば、一方の対象Oをセンサシステム20によって位置が検出されない状態とし(ステップS3−9)、この状態でロボット制御装置40からセンサシステム20に対象Oの位置の検出を指示するコマンドが送信され(ステップS3−10)、ロボット制御装置40が3つ目の位置の検出結果Pをセンサシステム20から受信する(ステップS3−11)。
続いて、搬送装置10によって対象Oを作業範囲AR2内まで移動させ、搬送装置10を停止させる(ステップS3−12)。そして、他方の対象Oの所定位置にロボット30に取付けられたツールの先端(タッチアップ部)を接触させ(ステップS3−13)、その時のツールの先端の位置(ロボット座標系201上の位置座標Q)をロボット制御装置40の記憶部43に記憶させる(ステップS3−14)。
また、一方の対象Oの所定位置にロボット30のツールの先端(タッチアップ部)を接触させ(ステップS3−15)、その時のツールの先端の位置(ロボット座標系201上の位置座標Q)をロボット制御装置40の記憶部43に記憶させる(ステップS3−16)。
続いて、センサシステム20が検出した任意の点Paの位置のロボット座標系201から見た位置(Xa,Ya)を求めるための変換行列を作成する(ステップS3−17)。この時に点P,Pの位置座標もロボット座標系201における位置座標Q、Qに変換される。
また、ロボット制御装置40は、変換行列を用いて、ロボット座標系201における検出結果Pの位置座標Qを計算し、ロボット座標系201の搬送方向であるX軸方向におけるQとQとの位置の差が、所定の基準範囲内か否かを判断する(ステップS3−18)。例えば、以下の式(2)の判断係数Aが基準範囲内か否か判断される。
Figure 0006928015
なお、XはQのX軸方向の位置であり、XはQのX軸方向の位置である。例えば基準範囲は0を超える範囲である。基準範囲は適宜設定可能である。
ステップS3−18によって、ロボット制御装置40は、センサ座標系202のX軸方向とロボット座標系201のX軸方向とを対応付けることができる。つまり、ロボット制御装置40は、オペレータ等による入力が無くても、左手座標系であるか右手座標系であるかを判断することが可能となる。
なお、ステップS3−8〜S3−11において、搬送装置10によって対象Oを移動させずに、図10に示される他の対象Oの位置の検出結果Pをロボット制御装置40がセンサシステム20から受信してもよい。図10の場合、他の対象Oの位置は、1つ目の位置に対して搬送装置10の搬送方向であるX軸方向に異なっている。
(キャリブレーション例2)
当該キャリブレーションを図9のフローチャートを参照しながら説明する。まず、キャリブレーション例1と同様に、停止している搬送装置10上における検出範囲AR1内にワークWを配置する(ステップS4−1)。
続いて、操作者が、センサシステム20のディスプレイ、その他の表示装置等において、センサ21により得られた画像又はその処理後データを見て、ワークWにおいてロボット30のツールを接触させる1つ目の対象O、2つ目の対象O、および3つ目の対象Oのセンサ座標系202上の位置を決定し(ステップS4−2)、センサシステム20を用いて1つ目の点P、2つ目の点P、および3つ目の点Pの位置座標を取得する。Pは点Pに対して搬送装置10の搬送方向に位置が異なる。なお、搬送装置10によって対象Oを移動させた後に3つ目の点Pの位置座標を取得してもよい。
続いて、キャリブレーション例1のステップS3−12〜S3−17と同様のステップS4−4〜S4−9が実行され、センサシステム20が検出した任意の点Paの位置のロボット座標系201から見た位置(Xa,Ya)を求めるための変換行列が作成される。
また、キャリブレーション例1のステップS3−18と同様に、ロボット座標系201における3つ目の対象Oの点Pの位置座標Qを計算し、ロボット座標系201の搬送方向であるX軸方向におけるQとQとの位置の差が、所定の基準範囲内か否かを判断する(ステップS4−10)。
第2実施形態では、例えばセンサ座標系202のX軸方向と搬送装置10の搬送方向とが対応していれば、点Qの位置座標(第2の位置座標に対応する位置座標)のXの値から点Qの位置座標のXの値を減じた値に応じた正の値になる。このため、QとQとの位置の差に基づき、センサ座標系202のX軸方向とロボット座標系201のX軸方向とが一致していることがロボット制御装置40によって認識される。
なお、本実施形態では搬送装置10の搬送方向がロボット座標系201およびセンサ座標系202のX軸方向に対応しているが、装置構成によっては、搬送方向がロボット座標系201のX軸方向およびセンサ座標系202のY軸方向と対応している場合、搬送方向がロボット座標系201およびセンサ座標系202のY軸方向と対応している場合等もある。
第2実施形態では、搬送装置10が対象Oを移動させる方向がロボット座標系201のX軸方向である。当該構成を用いると、搬送装置10によって対象Oを移動させることにより、搬送方向にのみ位置が異なる第2の位置座標を容易且つ確実に得ることができる。
上記実施形態から以下の態様が導出される。
第1の態様のロボットシステムは、センサシステムと、ロボットと、前記ロボットを制御するロボット制御装置と、を備え、前記ロボット制御装置が、前記ロボットの座標系であるロボット座標系を認識しているが、前記センサシステムの座標系を認識しておらず、前記ロボット制御装置が、前記センサシステムによって得られた複数の対象又は点の位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応する前記ロボット座標系におけるX軸方向およびY軸方向の位置座標とに基づき、前記センサシステムによって得られる位置座標に対してX軸およびY軸が含まれる平面内における座標変換を行うための変換行列を作成する行列作成処理を行う。
当該態様では、センサシステムによって検出された各対象の位置座標と、各対象のロボット座標系におけるX軸方向およびY軸方向の位置座標とに基づき、X軸およびY軸が含まれる平面内における座標変換を行う変換行列を作成できる。このように、複雑な処理を伴うことなく変換行列を作成することができるので、検査装置の製造会社や高精度な計測器の製造会社等によって製造されるセンサシステムとロボットとのキャリブレーションを容易且つ確実に行うことが可能となる。
上記態様において、好ましくは、前記ロボット制御装置が、前記複数の対象又は前記複数の点の位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応する位置に前記ロボットの先端部に設けられたタッチアップ部を接触させることによって得られる前記複数の対象又は前記複数の点の前記ロボット座標系における前記位置座標とに基づき、前記変換行列を作成する。
当該態様では、ロボット制御装置はロボットの先端部に設けられたタッチアップ部の位置を認識しているので、タッチアップ部を複数の対象に接触させることによって、各対象のロボット座標系上の位置が得られる。このため、複雑な処理又は作業を伴うことなく変換行列を作成することができる。
上記態様において、好ましくは、前記ロボット制御装置が、前記複数の対象又は前記複数の点の位置座標と、前記ロボットと座標系が対応付けられたセンサの検出データに基づき得られる前記複数の対象又は前記複数の点の前記ロボット座標系における前記位置座標とに基づき、前記変換行列を作成する。
当該態様では、座標系が対応付けられたセンサの検出データに基づき、複数の対象又は複数の点のロボット座標系における位置座標が手間なく得られる。このため、複雑な処理又は作業を伴うことなく変換行列を作成することができる。
上記態様において、好ましくは、前記変換行列が、前記X軸および前記Y軸に垂直なZ軸周りの回転を含む前記座標変換を行うものである。
一例として、変換行列が、Z軸周りの回転を含む座標変換を行うものであり、X軸周りおよびY軸周りの回転を含まない座標変換を行うものである場合、Z方向の位置が互いに大きく異なっていない複数の対象にロボットによる作業を行う上で、容易且つ確実にキャリブレーションを行うことが可能となる。
上記ロボットシステムは、好ましくは、前記対象を移動させるための移動手段と、前記移動手段によって移動する前記対象の移動量を計測する計測部と、を備え、前記ロボット制御装置が、前記行列作成処理において、前記センサシステムによって得られた前記複数の対象又は前記複数の点の前記位置座標と、前記センサシステムによって前記位置座標が得られた後に前記移動手段によって移動した前記複数の対象又は前記複数の点に対応する位置に前記タッチアップ部を接触させることによって得られる前記位置座標と、前記計測部によって計測される前記移動量とを用いて、前記変換行列を作成する。
検査装置の製造会社や高精度な計測器の製造会社等によって製造されるセンサシステムの検出範囲はロボットによる作業範囲と異なる場合が多い。当該態様では、検出範囲と作業範囲とが異なる場合でも、計測部によって計測される移動量を用いて、センサシステムによって検出された位置座標をロボット座標系上の位置座標に変換する変換行列を作成することができる。
上記態様において、好ましくは、前記対象又は前記点は2つである。
上記ロボットシステムは、対象を2つにしても、Z軸方向の位置が互いに大きく異なっていない複数の対象にロボットによる作業を行う上で、実用上正確なキャリブレーションを行うことができる。キャリブレーションに用いる対象が2つであることから、キャリブレーションに必要な時間を短縮することができる。これは、ロボットが作業を行う対象の品種、寸法等が頻繁に変わる場合において、品種、寸法等に応じたキャリブレーションを適切に行うことを可能とする。
上記態様において、好ましくは、前記対象を移動させるための移動手段を備え、前記ロボット制御装置が、前記センサシステムによって得られた第2の位置座標であって、前記センサシステムによって得られた前記複数の位置座標に対して前記移動手段による移動方向に位置が異なる第2の位置座標を受付け、前記複数の位置座標の少なくとも1つと前記第2の位置座標とを前記変換行列を用いて座標変換し、座標変換された前記位置座標と前記第2の位置座標との前記X軸方向の位置の差が基準値内か否か判断する判断処理を行う。
例えば、複数の位置座標のうち選択された一つの変換行列による変換後の位置座標のXの値を第2の位置座標の変換行列による変換後の位置座標のXの値から減じた値が基準値として例えば0を超える場合は、センサシステムの座標系のX軸方向と例えば右手系のロボット座標系のX軸方向とが一致していることになる。逆に、センサシステムの座標系において搬送装置10の搬送方向(図6における右方向)がX軸方向の負の移動方向である場合、前記減じた値が0未満となる。このため、センサシステムが右手座標系および左手座標系の何れを採用していても、ロボット制御装置をセンサシステムの位置検出に容易且つ確実に適合させることができる。
上記態様において、好ましくは、前記X軸方向が、前記移動手段による前記対象の移動方向である。
この場合、搬送装置によって対象又は点を移動させ、移動後の対象又は点の位置をセンサシステムによって検出することにより、選択された位置座標に対して移動手段による移動方向にのみ位置が異なる第2の位置座標を容易且つ確実に得ることができる。
上記ロボットシステムは、好ましくは、前記ロボット制御装置に入力を行う入力部を備え、前記ロボット制御装置が、前記入力部への入力に基づき、前記センサシステムの前記座標系が右手座標系であるか左手座標系であるかを認識する。
当該構成では、センサシステムが右手座標系および左手座標系の何れを採用していても、ロボット制御装置をセンサシステムの位置検出に容易且つ確実に適合させることができる。
上記ロボットシステムは、好ましくは、前記対象を移動させるための移動手段を備え、前記ロボットが前記対象に対して所定の作業を行うものであり、前記対象が、前記X軸および前記Y軸に垂直なZ軸方向の寸法のばらつきが小さいものである。
上記ロボットシステムは、X軸およびY軸が含まれる平面内における座標変換を行う変換行列を作成するものであるから、複数の対象の互いのZ軸方向の寸法のばらつきが小さい場合、ロボット制御装置をセンサシステムの位置検出により確実に適合させることができる。
第2の態様の座標変換方法は、センサシステムによって検出された位置座標をロボット制御装置が認識しているロボット座標系上の位置座標に変換する座標変換方法であって、センサシステムによって得られた複数の対象又は点の位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応する位置に前記ロボット制御装置によって制御されるロボットの先端部に設けられたタッチアップ部を接触させることによって得られる前記複数の対象又は前記複数の点の前記ロボット座標系におけるX軸方向およびY軸方向の位置座標とに基づき、前記センサシステムよって得られる位置座標にX軸およびY軸が含まれる平面内における座標変換を行うための変換行列を作成し、前記センサシステムによって検出された位置座標を前記変換行列を用いて変換する。
なお、第1実施形態および第2実施形態では、タッチアップ部であるツールの先端を対象Oに接触させることによって、ロボット座標系201における対象Oの位置座標を得たが、ロボット座標系201における対象Oの位置を求める別の手法を用いてもよい。例えば、ロボット座標系201と座標系が対応付けられたセンサを用いて対象Oの位置を検出可能な検出データを得て、検出データに基づき対象Oの位置座標を得てもよい。
具体的には、図11に示されるように、ロボット30のアーム30aの例えば先端部にカメラであるセンサ50が取付けられ、センサ50によって得られる画像データに基づき対象Oの位置座標をロボット制御装置40が取得する。センサ50は、二次元カメラ、三次元カメラ、三次元距離センサ等である。
例えば、ステップS1−9,S1−11において、センサ50が対象Oが含まれる画像である検出データを得て、ロボット制御装置40がセンサ50の検出データに基づき対象Oの位置座標を求めてもよい。この場合、ステップS1−10,S1−12では、センサ50の検出データに基づき得られた対象Oの位置座標が記憶部43に記憶される。ステップS2−5〜S2−8、ステップS3−13〜S3−16、ステップS4−5〜S4−8でも同様である。
なお、センサ50がロボット30ではなくフレーム等に固定されていてもよい。この場合でも、センサ50の座標系がロボット座標系201と対応付けられていれば、前述と同様の効果を奏する。
10 搬送装置(移動手段)
10a 計測部
10b モータ
20 センサシステム
21 センサ
22 処理部
23 判断部
24 センサ制御装置
30 ロボット
30a アーム
31 サーボモータ
40 ロボット制御装置
41 プロセッサ
42 表示装置
43 記憶部
43a システムプログラム
43b 動作プログラム
43c 追随制御プログラム
43d キャリブレーションプログラム
44 サーボ制御器
45 入力部
50 センサ
201 ロボット座標系
202 センサ座標系
W ワーク
O 対象

Claims (12)

  1. センサシステムと、
    ロボットと、
    前記ロボットを制御するロボット制御装置と、
    少なくとも複数の対象又は複数の点を移動方向に移動させるための移動手段と、を備え、
    記ロボット制御装置が、前記センサシステムによって得られた前記複数の対象又は前記複数の点の位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応するロボット座標系における位置座標とに基づき、前記センサシステムによって得られる位置座標を前記移動方向を含む平面内において座標変換を行うための変換行列を作成
    前記ロボット制御装置が、前記センサシステムによって得られる第2の位置座標であって前記位置座標に対して前記移動方向に位置が異なる第2の位置座標を受付け、前記変換行列によって座標変換された前記位置座標の少なくとも一つと前記変換行列によって座標変換された前記第2の位置座標との前記移動方向の位置の差が基準内か否か判断するロボットシステム。
  2. 前記ロボット制御装置が、前記複数の対象又は前記複数の点の位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応する位置に前記ロボットの先端部に設けられたタッチアップ部を接触させることによって得られる前記複数の対象又は前記複数の点の前記ロボット座標系における前記位置座標とに基づき、前記変換行列を作成する、請求項1に記載のロボットシステム。
  3. 前記ロボット制御装置が、前記複数の対象又は前記複数の点の位置座標と、前記ロボットと座標系が対応付けられたセンサの検出データに基づき得られる前記複数の対象又は前記複数の点の前記ロボット座標系における前記位置座標とに基づき、前記変換行列を作成する、請求項1に記載のロボットシステム。
  4. 前記変換行列が、前記平面に垂直なZ軸周りの回転を含む前記座標変換を行うものである、請求項1〜3の何れかに記載のロボットシステム。
  5. 前記対象を移動させるための移動手段と、
    前記移動手段によって移動する前記対象の移動量を計測する計測部と、を備え、
    前記ロボット制御装置が、前記行列作成処理において、前記センサシステムによって得られた前記複数の対象又は前記複数の点の前記位置座標と、前記センサシステムによって前記位置座標が得られた後に前記移動手段によって移動した前記複数の対象又は前記複数の点に対応する位置に前記タッチアップ部を接触させることによって得られる前記位置座標と、前記計測部によって計測される前記移動量とを用いて、前記変換行列を作成する、請求項2に記載のロボットシステム。
  6. 前記対象を移動させるための移動手段と、
    前記移動手段によって移動する前記対象の移動量を計測する計測部と、を備え、
    前記ロボット制御装置が、前記行列作成処理において、前記センサシステムによって得られた前記複数の対象又は前記複数の点の前記位置座標と、前記センサシステムによって前記位置座標が得られた後に前記移動手段によって移動した前記複数の対象又は前記複数の点について前記検出データに基づき得られる前記位置座標と、前記計測部によって計測される前記移動量とを用いて、前記変換行列を作成する、請求項3に記載のロボットシステム。
  7. 前記対象又は前記点は2つである、請求項1〜6の何れかに記載のロボットシステム。
  8. 前記平面と平行なX軸方向が、前記移動手段による前記対象の移動方向である、請求項5に記載のロボットシステム。
  9. 前記ロボット制御装置に入力を行う入力部を備え、
    前記ロボット制御装置が、前記入力部への入力に基づき、前記センサシステムの前記座標系が右手座標系であるか左手座標系であるかを認識する、請求項1〜7の何れかに記載にロボットシステム。
  10. 前記対象を移動させるための移動手段を備え、
    前記ロボットが前記対象に対して所定の作業を行うものであり、
    前記対象が、前記平面に垂直なZ軸方向の寸法のばらつきが小さいものである、請求項1〜4の何れかに記載のロボットシステム。
  11. センサシステムによって検出された位置座標をロボット制御装置が認識しているロボット座標系上の位置座標に変換する座標変換方法であって、
    前記センサシステムによって得られた複数の対象又は複数の点の位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応する前記ロボット座標系における位置座標とに基づき、前記センサシステムよって得られる位置座標を、前記複数の対象又は前記複数の点が移動手段によって移動する移動方向を含む平面内において座標変換を行うための変換行列を作成し、
    前記センサシステムによって得られる第2の位置座標であって前記位置座標に対して前記移動方向に位置が異なる第2の位置座標を受付け、前記変換行列によって座標変換された前記位置座標の少なくとも一つと前記変換行列によって座標変換された前記第2の位置座標との前記移動方向の位置の差が基準内か否か判断し、
    前記センサシステムによって検出された位置座標を前記変換行列を用いて変換する、座標変換方法。
  12. センサシステムによって検出された位置座標をロボット制御装置が認識しているロボット座標系上の位置座標に変換する座標変換方法であって、
    複数の対象又は複数の点を移動可能な移動手段によって、前記複数の対象又は前記複数の点を前記センサシステムの検出範囲内に配置し、
    前記複数の対象又は前記複数の点のうち位置を検出したい対象又は点以外を物理的に隠しながら、前記検出したい対象又は点の位置座標を得ることにより、前記複数の対象又は前記複数の点の前記位置座標を得て、
    前記センサシステムによって得られた前記複数の対象又は前記複数の点の前記位置座標と、前記複数の対象又は前記複数の点に対応する前記ロボット座標系における位置座標とに基づき、前記センサシステムよって得られる位置座標を前記移動方向を含む平面内において座標変換を行うための変換行列を作成し、
    前記センサシステムによって検出された位置座標を前記変換行列を用いて変換する、座標変換方法。
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