JP7145332B2

JP7145332B2 - ロボット制御システム及びロボット制御方法

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Publication number: JP7145332B2
Application number: JP2021532560A
Authority: JP
Inventors: 祐一郎菊川; 実幸岡本; 信夫大石
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2039-07-12
Also published as: CN113905859A; JPWO2021009800A1; CN113905859B; WO2021009800A1

Description

本明細書は、アーム先端のエンドエフェクタに保持したワークをその下方から撮像するカメラを備えたロボット制御システム及びロボット制御方法に関する技術を開示したものである。

ロボットのアーム先端のエンドエフェクタにワークを保持する毎に、そのワークの位置が少しずつ位置ずれするため、特許文献１（特開２０１８－１０３３５２号公報）に記載されているように、エンドエフェクタに保持したワークをその下方からカメラで撮像して、その画像を処理することで当該ワークの位置ずれ量を測定し、その測定データを考慮して当該ワークを所定の装着位置に位置決めして装着することで、当該ワークの装着精度を確保するようにしたものがある。

特開２０１８－１０３３５２号公報

ところで、ワークを保持するエンドエフェクタは、ロボットのアーム先端（手首部）の関節軸を中心に回転可能に取り付けられているため、エンドエフェクタの位置はロボット座標系（ワールド座標系）のＸ，Ｙ，Ｚの各座標値と回転角度によって制御される。このロボットのアーム動作の制御は、エンドエフェクタに保持したワークを撮像位置に移動させるときのエンドエフェクタのＺ軸回りの目標回転角度Ｒz1を含む目標位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１，Ｒz1）と、当該ワークを装着位置に移動させるときのエンドエフェクタのＺ軸回りの目標回転角度Ｒz2を含む目標位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２，Ｒz2）とを設定し、撮像位置で当該ワークのＸ，Ｙ，Ｒz 方向の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を測定した後、当該ワークを装着位置に移動させる際にエンドエフェクタの目標位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２，Ｒz2）を当該ワークのＸ，Ｙ，Ｒz 方向の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）分だけ補正してエンドエフェクタを移動させることで、当該ワークを装着位置に位置決めするようにしている。

しかし、ワークを保持するエンドエフェクタがアーム先端の関節軸に対して意図的に又は取付誤差により傾いて取り付けられていることがある。この場合、撮像位置でワークの位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を正確に測定しても、当該ワークを装着位置に移動させる際にエンドエフェクタの回転角度Ｒz を撮像位置での目標回転角度Ｒz1から装着位置での目標回転角度Ｒz2まで回転させる過程で、エンドエフェクタの先端側が振れ回ってワークの位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）が変動してしまい、当該ワークを装着位置に精度良く位置決めすることができない。

上記課題を解決するために、アーム先端のエンドエフェクタに保持したワークを所定の装着位置に装着する作業を行うロボットと、前記エンドエフェクタに保持したワークをその下方から撮像するカメラと、前記ロボットの動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記ロボットのアームを動作させて前記エンドエフェクタに保持したワークを前記カメラの上方の撮像位置に移動させた状態で当該ワークを前記カメラで撮像して、その画像を処理することで当該ワークの位置ずれ量を測定し、その測定データを考慮して当該ワークを前記装着位置に位置決めして装着する、ロボット制御システムにおいて、前記制御部は、前記エンドエフェクタに保持したワークを前記カメラで撮像する際に、事前に前記撮像位置での前記エンドエフェクタの回転角度を前記装着位置での目標回転角度まで回転させた状態で当該ワークを前記カメラで撮像して、その画像を処理することで当該ワークの位置ずれ量を測定するようにしている。

この構成では、エンドエフェクタに保持したワークの位置ずれ量を測定する際に、事前に撮像位置でのエンドエフェクタの回転角度を装着位置での目標回転角度まで回転させた状態で当該ワークの位置ずれ量を測定するようにしているため、撮像位置でワークの位置ずれ量を測定した後に、エンドエフェクタを回転させることなく、ワークを装着位置に移動させることができる。これにより、装着位置への移動時のエンドエフェクタの回転に起因するワークの位置ずれ量の変動を防止でき、撮像位置で測定したワークの位置ずれ量の測定データを用いてワークを装着位置に精度良く位置決めすることができる。

図１は一実施例のロボット制御システムの外観を示す正面図である。図２はロボット制御システムの電気的構成を示すブロック図である。図３はエンドエフェクタに保持したワークをカメラで撮像するときの状態を説明する正面図（エンドエフェクタの傾きを誇張して図示）である。図４は装着位置への移動時のエンドエフェクタの回転によるエンドエフェクタの先端側の振れ回りを説明する正面図である。図５はエンドエフェクタに保持したワークを撮像位置から装着位置へ移動させる動作を説明する上面図である。

以下、本明細書に開示した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてロボット１１の構成を説明する。

ロボット１１は、例えば５軸垂直多関節ロボットであり、工場フロア１２に設置された固定ベース１３と、この固定ベース１３上に第１関節軸１４（Ｊ１）を中心に回転可能に設けられた第１アーム１５と、この第１アーム１５の先端に第２関節軸１６（Ｊ２）によって旋回可能に設けられた第２アーム１７と、この第２アーム１７の先端に第３関節軸１８（Ｊ３）によって旋回可能に設けられた第３アーム１９と、この第３アーム１９の先端に第４関節軸２０（Ｊ４）によって旋回可能に設けられた手首部２１（アーム先端）と、この手首部２１に第５関節軸２２（Ｊ５）を中心に回転可能且つ交換可能に取り付けられたエンドエフェクタ２３とから構成されている。

この場合、エンドエフェクタ２３は、例えば、ワーク２４の上面を吸着する吸着ノズルや吸着パッド等の吸着具、ワーク２４の側面を把持するチャックのいずれであっても良く、要は、ワーク２４を吸着や把持等によって保持できるものであれば良い。

ロボット１１の第１～第５の各関節軸１４，１６，１８，２０，２２は、それぞれサーボモータ２５～２９（図２参照）により駆動されるようになっている。図２に示すように、各サーボモータ２５～２９には、それぞれ回転角を検出するエンコーダ３１～３５が設けられ、各エンコーダ３１～３５で検出した回転角の情報がサーボアンプ３６を経由して制御部３７にフィードバックされる。これにより、制御部３７は、各エンコーダ３１～３５で検出した各サーボモータ２５～２９の回転角が各々の目標回転角と一致するようにサーボアンプ３６を介して各サーボモータ２５～２９をフィードバック制御することで、ロボット１１の各アーム１５，１７，１９と手首部２１とエンドエフェクタ２３の位置を各々の目標位置にフィードバック制御する。図２の構成例では、サーボアンプ３６は、複数のサーボモータ２５～２９をフィードバック制御する多軸アンプであるが、サーボモータ２５～２９を１台ずつ別々のサーボアンプでフィードバック制御するようにしても良い。

ロボット１１のアーム可動領域（手首部２１先端側のエンドエフェクタ２３が移動可能な領域）内に設定された撮像位置の下方には、エンドエフェクタ２３に保持したワーク２４をその下方から撮像するカメラ４１が上向きにカメラ台４２上に固定されている。

以上のように構成したロボット１１の動作を制御するロボット制御ユニット５１は、図２に示すように、画像処理部４５、制御部３７及びサーボアンプ３６等を備えた構成となっている。制御部３７は、ロボット１１の各アーム１５，１７，１９と手首部２１を動作させてエンドエフェクタ２３に保持したワーク２４をカメラ４１の上方の撮像位置まで移動させた状態で当該ワーク２４をカメラ４１で撮像して、その画像を画像処理部４５で処理することで、当該ワーク２４の位置ずれ量を測定し、その測定データを考慮して当該ワーク２４を例えば回路基板５２（図４、図５参照）等の所定の装着位置に位置決めして装着することで、当該ワーク２４の装着精度を確保するようにしている。

ところで、ワーク２４を保持するエンドエフェクタ２３は、ロボット１１のアーム先端の手首部２１の第５関節軸２２を中心に回転可能に取り付けられているため、エンドエフェクタ２３の位置はロボット座標系（ワールド座標系）のＸ，Ｙ，Ｚの各座標値と回転角度によって制御される。このロボットのアーム動作の制御は、エンドエフェクタに保持したワーク２４を撮像位置に移動させるときのエンドエフェクタ２３のＺ軸回りの目標回転角度Ｒz1を含む目標位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１，Ｒz1）と、当該ワーク２４を回路基板５２の装着位置に移動させるときのエンドエフェクタ２３のＺ軸回りの目標回転角度Ｒz2を含む目標位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２，Ｒz2）とを設定し、撮像位置で当該ワーク２４のＸ，Ｙ，Ｒz 方向の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を測定した後、当該ワーク２４を装着位置に移動させる際にエンドエフェクタ２３の目標位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２，Ｒz2）を当該ワーク２４のＸ，Ｙ，Ｒz 方向の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）分だけ補正してエンドエフェクタ２３を移動させることで、当該ワーク２３を装着位置に位置決めするようにしている。

しかし、図３に示すように、ワーク２４を保持するエンドエフェクタ２３がアーム先端の手首部２１の第５関節軸２２に対して意図的に又は取付誤差により傾いて取り付けられていることがある（図３はエンドエフェクタ２３の傾きを誇張して図示している）。この場合、撮像位置でワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を正確に測定しても、当該ワーク２４を装着位置に移動させる際にエンドエフェクタ２３の回転角度Ｒz を撮像位置での目標回転角度Ｒz1から装着位置での目標回転角度Ｒz2まで回転させる過程で、図４に示すように、エンドエフェクタ２３の先端側が振れ回ってワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）が変動してしまい、当該ワーク２４を装着位置に精度良く位置決めすることができない。

そこで、本実施例では、制御部３７は、エンドエフェクタ２３に保持したワーク２４をカメラ４１で撮像する際に、事前に撮像位置でのエンドエフェクタ２３のＺ軸回りの回転角度Ｒz を装着位置での目標回転角度Ｒz2まで回転させた状態で当該ワーク２４をカメラ４１で撮像して、その画像を処理することで当該ワーク４１のＸ，Ｙ，Ｒz 方向の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を測定するようにしている。このようにすれば、撮像位置でワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を測定した後に、エンドエフェクタ２３を回転させることなく、ワーク２４を装着位置に移動させることができる。これにより、装着位置への移動時のエンドエフェクタ２４の回転に起因するワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）の変動を防止でき、撮像位置で測定したワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）の測定データを用いてワーク２４を装着位置に精度良く位置決めすることができる。

この場合、撮像位置でワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を測定した後に当該ワーク２４を装着位置に装着する際に、ワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を補正する。この際、ワーク２４のＺ軸回りの位置ずれ量である角度ずれ量ΔＲz を補正するときに、エンドエフェクタ２３を角度ずれ量ΔＲz に応じた角度分だけ回転させて当該ワーク２４の角度ずれ量ΔＲz を補正することになる。通常は、エンドエフェクタ２３の角度ずれ量ΔＲz に応じた回転角度補正量は小さいため、エンドエフェクタ２３の角度ずれ量ΔＲz 分の回転角度補正により生じるワーク４１のＸ，Ｙ方向の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ）の変化量は小さく、許容誤差内に収まり、要求される位置決め精度を確保できるものと思われる。

しかし、角度ずれ量ΔＲz が大きくなるほど、角度ずれ量ΔＲz 補正時のエンドエフェクタ２３の回転角度補正量が大きくなり、エンドエフェクタ２３の回転角度補正によるワーク４１のＸ，Ｙ方向の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ）の変化量が大きくなり、許容誤差内に収まらない可能性がある。

この対策として、撮像位置で測定したワーク２４の角度ずれ量ΔＲz が所定値以上の場合には、撮像位置でエンドエフェクタ２３の回転角度Ｒz を当該ワーク２４の角度ずれ量ΔＲz 分だけ補正して当該ワーク２４をカメラ４１で再度撮像して、その画像を処理することで当該ワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を再度測定するようにしても良い。このようにすれば、当該ワーク２４を装着位置に装着する際に、エンドエフェクタ２３を角度ずれ量ΔＲz に応じた角度分だけ回転させてワーク２４の角度ずれ量ΔＲz を補正しても、角度ずれ量ΔＲz は小さくなっているため、角度ずれ量ΔＲz 補正時に生じるエンドエフェクタ２３の回転角度補正によるワーク４１のＸ，Ｙ方向の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ）の変化量は小さくなって許容誤差内に収まり、要求される位置決め精度を確保できる。

或は、撮像位置でワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を測定した後に、ワーク２４の角度ずれ量ΔＲz の大小を問わず、毎回、撮像位置でエンドエフェクタ２３の回転角度Ｒz を当該ワーク２４の角度ずれ量ΔＲz 分だけ補正して当該ワーク２４をカメラ４１で再度撮像して、その画像を処理することで当該ワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）を再度測定するようにしても良い。このようにすれば、再度測定したワーク２４の位置ずれ量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＲz ）の測定データを用いて当該ワーク２４をより確実に装着位置に精度良く位置決めすることができる。

尚、本発明は、上述した実施例に限定されず、例えば、ロボット１１の構成を適宜変更しても良い等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できることは勿論である。

１１…ロボット、１４…第１関節軸、１５…第１アーム、１６…第２関節軸、１７…第２アーム、１８…第３関節軸、１９…第３アーム、２０…第４関節軸、２１…手首部（アーム先端）、２２…第５関節軸、２３…エンドエフェクタ、２４…ワーク、２５～２９…サーボモータ、３１～３５…エンコーダ、３６…サーボアンプ、３７…制御部、４１…カメラ、４５…画像処理部、５１…ロボット制御ユニット、５２…回路基板

Claims

アーム先端のエンドエフェクタに保持したワークを所定の装着位置に装着する作業を行うロボットと、前記エンドエフェクタに保持したワークをその下方から撮像するカメラと、前記ロボットの動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記ロボットのアームを動作させて前記エンドエフェクタに保持したワークを前記カメラの上方の撮像位置に移動させた状態で当該ワークを前記カメラで撮像して、その画像を処理することで当該ワークの位置ずれ量を測定し、その測定データを考慮して当該ワークを前記装着位置に位置決めして装着する、ロボット制御システムにおいて、
前記制御部は、前記エンドエフェクタに保持したワークを前記カメラで撮像する際に、事前に前記撮像位置での前記エンドエフェクタの回転角度を前記装着位置での目標回転角度まで回転させた状態で当該ワークを前記カメラで撮像して、その画像を処理することで当該ワークの位置ずれ量を測定する、ロボット制御システム。
前記制御部は、前記エンドエフェクタに保持したワークを前記装着位置に装着する際に、前記エンドエフェクタの回転角度を当該ワークの位置ずれ量の測定データのうちの前記エンドエフェクタの回転方向の角度ずれ量分だけ補正して当該ワークを前記装着位置に位置決めする、請求項１に記載のロボット制御システム。
前記制御部は、前記ワークの位置ずれ量の測定データのうちの前記エンドエフェクタの回転方向の角度ずれ量が所定値以上の場合には、前記撮像位置で前記エンドエフェクタの回転角度を当該ワークの位置ずれ量の測定データのうちの前記エンドエフェクタの回転方向の角度ずれ量分だけ補正して当該ワークを前記カメラで再度撮像して、その画像を処理することで当該ワークの位置ずれ量を再度測定する、請求項２に記載のロボット制御システム。
前記制御部は、前記ワークの位置ずれ量を測定した後、前記撮像位置で前記エンドエフェクタの回転角度を当該ワークの位置ずれ量の測定データのうちの前記エンドエフェクタの回転方向の角度ずれ量分だけ補正して当該ワークを前記カメラで再度撮像して、その画像を処理することで当該ワークの位置ずれ量を再度測定する、請求項１に記載のロボット制御システム。
アーム先端のエンドエフェクタに保持したワークを所定の装着位置に装着する作業を行うロボットと、前記エンドエフェクタに保持したワークをその下方から撮像するカメラとを備え、前記ロボットのアームを動作させて前記エンドエフェクタに保持したワークを前記カメラの上方の撮像位置に移動させた状態で当該ワークを前記カメラで撮像して、その画像を処理することで当該ワークの位置ずれ量を測定し、その測定データを考慮して当該ワークを前記装着位置に位置決めして装着する、ロボット制御方法において、
前記エンドエフェクタに保持したワークを前記カメラで撮像する際に、事前に前記撮像位置での前記エンドエフェクタの回転角度を前記装着位置での目標回転角度まで回転させた状態で当該ワークを前記カメラで撮像して、その画像を処理することで当該ワークの位置ずれ量を測定する、ロボット制御方法。