JP7343349B2

JP7343349B2 - ロボット、測定用治具、およびツール先端位置の決定方法

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Publication number: JP7343349B2
Application number: JP2019185834A
Authority: JP
Inventors: 恭平小窪
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-10-09
Also published as: DE102020125738A1; JP2021058985A; US11577398B2; US20210107160A1; CN112621742A

Description

本発明はロボット、測定用治具、およびツール先端位置の決定方法に関する。

従来、鉛直方向の視線を有する視覚センサを用いて、ロボットによってツールの先端を視覚センサの視野の中心に配置するステップ、ロボットによってツールの中心を鉛直方向に並進移動するステップ、その状態でツールを支持するロボットの姿勢を様々に変更するステップを行い、これによりツールの先端位置を特定する技術が知られている。例えば特許文献１を参照されたい。
また、ロボットのツールに反射部材を取付け、反射部材の位置をレーザートラッカーによって検出する技術が知られている。例えば特許文献２を参照されたい。

特許第４１９１０８０号公報特開２００６－１８１５９１号公報

前者の技術では、ツールの先端位置を視覚センサによって検出するために、ツールの先端の形状が位置検出に適した態様であること、視覚センサからツールの先端が見えなければならないこと、視覚センサの配置方向等、制約が多い。また、ツールの先端位置を特定するためにロボットに様々な動作を行わせる必要がある。
後者の技術では、ツールの先端位置を検出するためにレーザートラッカーおよび反射部材という高価な機器を使う必要がある。

前述の事情に鑑み、安価な機器を用いてロボットのツールの先端の位置検出を正確に特定できる技術が望まれている。

本開示の第１態様は、アームと、前記アームに取付けられたツールと、前記ツールの先端部に取外し可能に取付けられる測定用治具と、前記アームの制御に用いられる基準座標系を認識しており、前記アームを制御する制御装置と、を備えたロボットであって、前記制御装置には、前記ツールの先端と前記測定用治具との位置関係を示すデータ又は前記位置関係の計算に用いるデータが格納されており、前記制御装置は、前記基準座標系と位置の対応付けが行われた視覚センサの撮像データを用いて検出される前記測定用治具の位置データと、前記位置関係とに基づき、前記ツールの前記先端の前記基準座標系における位置座標を求め、前記ツールの前記先端部は所定方向に延びており、前記測定用治具は、前記ツールの前記先端部の外周面を把持する把持部と、前記把持部から前記所定方向に延びる延設部と、を備え、前記把持部には、前記所定方向に延びており前記先端部の前記外周面が嵌る溝が形成されており、前記制御装置は、前記撮像データに基づき計算される、前記測定用治具の前記延設部に形成された孔又はマークの位置データと、前記位置関係とに基づき、前記ツールの前記先端の前記位置座標を求める。

本開示の第２態様は、ロボット用のツールの先端部に取付けられる測定用治具であって、所定方向に延びる前記先端部の外周面を把持する把持部と、前記把持部から前記所定方向に延びる延設部と、を備え、前記把持部には、前記所定方向に延びており前記先端部の前記外周面が嵌る溝が形成されており、前記延設部には、視覚センサによって撮像される複数の孔又はマークが形成され、前記複数の孔の少なくとも一部は、前記所定方向と直交するＸ方向に並んでおり、前記複数の孔の他の少なくとも一部は、前記所定方向に並んでいる。

本開示の第３態様のツール先端位置の決定方法は、ロボットのアームに取付けられたツールの先端部に測定用治具を取付けるステップと、前記アームの制御に用いられる基準座標系と位置の対応付けがされた視覚センサによって前記測定用治具を撮像するステップと、を有するツール先端位置の決定方法であって、前記ツールの前記先端部は所定方向に延びており、前記測定用治具は、前記ツールの前記先端部の外周面を把持する把持部と、前記把持部から前記所定方向に延びる延設部と、を備え、前記ツールの先端と前記測定用治具の孔又はマークとの位置関係を示すデータ又は前記位置関係の計算に用いるデータを前記アームを制御する制御装置に格納するステップと、前記制御装置が、前記視覚センサの撮像データを用いて検出された前記測定用治具の前記孔又は前記マークの位置データと、前記位置関係とに基づき、前記ツールの前記先端の前記基準座標系における位置座標を求めるステップと、を有する。

本発明の一実施形態のロボットの概略構成図である。本実施形態の測定用治具の斜視図である。本実施形態の測定用治具の側面図である。本実施形態の測定用治具の平面図である。本実施形態のロボットの制御装置のブロック図である。本実施形態のロボットの制御装置の処理の例を示すフローチャートである。本実施形態の測定用治具の第１の変形例の斜視図である。本実施形態の測定用治具の第２の変形例の側面図である。

本発明の一実施形態に係るロボット１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１は、図１に示されるように、アーム１０と、アーム１０を制御する制御装置２０とを備える。また、このロボット１は、アーム１０の先端部である手首フランジ１２に取付けられたスポット溶接用のツール３０を有し、ツール３０を用いてスポット溶接を行う。

ロボット１のアーム１０は、複数のアーム部材および複数の関節を備えている。また、アーム１０は、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５参照）。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が用いられ得る。各サーボモータ１１はその作動位置および作動速度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制御装置２０に送信される。

制御装置２０は、図５に示されるように、ＣＰＵ等のプロセッサ２１と、表示装置２２と、不揮発性ストレージ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する記憶装置２３と、キーボード、タッチパネル、操作盤等である入力装置２４と、信号の送受信を行うための送受信部２５とを備えている。入力装置２４および送受信部２５は入力部として機能する。制御装置２０は後述する視覚センサ４０および各サーボモータ１１に接続されている。

本実施形態では、制御装置２０はロボット１に設けられたロボット制御装置であるが、制御装置２０が、ロボット制御装置外に設けられ、上記の構成を有するコンピュータであってもよい。

記憶装置２３にはシステムプログラム２３ａが格納され、システムプログラム２３ａは制御装置２０の基本機能を担っている。記憶装置２３には動作プログラム２３ｂも格納されている。動作プログラム２３ｂはロボット１の基準座標系を基準に作成され、当該基準座標系においてアーム１０の先端部に取付けられたツール３０を所定の複数の溶接位置に順次配置するためのものである。記憶装置２３には位置検出プログラム２３ｃも格納されている。

本実施形態のツール３０は、手首フランジ１２に固定された本体部３１と、本体部３１に固定されたツールアーム３２と、本体部３１又はツールアーム３２の基端部に支持された可動電極ユニット３３と、ツールアーム３２の先端部に支持された固定電極ユニット３４とを有する。可動電極ユニット３３はその電極を固定電極ユニット３４側に移動可能である。固定電極ユニット３４は可動電極ユニット３３の電極と対向している電極を有する。

本実施形態のロボット１には、視覚センサ４０が設けられている。視覚センサ４０はロボット１とは別に準備されてもよい。視覚センサ４０は二次元カメラ、三次元カメラ等である。本実施形態では視覚センサ４０は二次元カメラである。

ロボット１は測定用治具５０を有し、測定用治具５０は図１に示されるようにツール３０の先端部に取外し可能に取付けられる。本実施形態においてツール３０の先端部は固定電極ユニット３４であり、測定用治具５０は固定電極ユニット３４に取付けられる。
本実施形態では、固定電極ユニット３４が延びる方向をＺ方向（所定方向）と称する。また、本実施形態において、治具座標系２０２のＺ方向は手首フランジ１２の中心軸線ＣＬの延びる方向と一致又は略一致しているが、これに限定されない。

測定用治具５０は、図１～図４に示されるように、固定電極ユニット３４を把持する把持部６０と、把持部６０から治具座標系２０２のＺ方向に延びる延設部７０とを有する。
図２および図３に示されるように、把持部６０は、第１の把持部材６１と、第１の把持部材６１と治具座標系２０２のＹ方向に対向している第２の把持部材６２とを有する。Ｙ方向はＺ方向と直交している。第１の把持部材６１における第２の把持部材６２側の面には溝６１ａが形成され、溝６１ａはＺ方向に延びている。また、第２の把持部材６２における第１の把持部材６１側の面には溝６２ａが形成され、溝６２ａはＺ方向に延びている。

第２の把持部材６２は複数のボルト６３によって第１の把持部材６１と連結され、複数のボルト６３を第１の把持部材６１に締め込むと、第２の把持部材６２が第１の把持部材６１側に移動する。つまり、第１の把持部材６１と第２の把持部材６２との間に固定電極ユニット３４を配置し、複数のボルト６３を第１の把持部材６１に締め込むと、第１の把持部材６１および第２の把持部材６２によって固定電極ユニット３４が把持される。この際に、固定電極ユニット３４の外周面は各溝６１ａ，６２ａに嵌る。このため、固定電極ユニット３４の延びる方向と溝６１ａ，６２ａの延びる方向とが一致する。なお、ボルト６３の頭部の外周面にローレット加工等の滑り止め加工が施されてもよい。この場合、操作者はボルト６３の頭を持って前記締め込みを行うことができる。

本実施形態では延設部７０は治具座標系２０２のＸ方向およびＺ方向に延びる板部材７１から成り、ボルトＢによって第１の把持部材６１に固定されている。板部材７１には複数の孔７１ａが形成されており、一部の孔７１ａは他の孔よりも大きい。各孔７１ａは板部材７１を貫通している。大きい孔７１ａの一部はＺ方向に並んでおり、大きい孔７１ａの他の一部はＸ方向に並んでいる。大きい孔７１ａのうち１つが一群の孔７１ａの中心に配置された中心孔ＣＨとして機能する。小さい孔７１ａもＺ方向およびＸ方向に並んでいる。本実施形態では複数の孔７１ａは等ピッチで配置されており、制御装置２０は孔７１ａの設計上又は実際の位置関係を認識している。

本実施形態では、固定電極ユニット３４の先端面と第１の把持部材６１のＺ方向の端面のＺ方向の位置が一致している状態で、第１の把持部材６１および第２の把持部材６２によって固定電極ユニット３４が把持される。
板部材７１における第１の把持部材６１側の面には黒い布、黒色無電解ニッケルメッキが施された板等である反射防止部材７２が取付けられ、反射防止部材７２によって各孔７１ａの第１の把持部材６１側の開口が塞がれている。板部材７１において反射防止部材７２が取付けられていない面が測定面７１ｂである。

制御装置２０は、位置検出プログラム２３ｃに基づいて、例えば以下の処理を行う（図６）。なお、視覚センサ４０はロボット１の周辺の任意の位置に設置され、視覚センサ４０の視野にはアーム１０の先端の測定用治具５０が入る状態である。

操作者は、先ず、入力装置２４等を用いて、測定用治具５０の測定面７１ｂにおける中心孔ＣＨの開口の中心位置と固定電極ユニット３４の先端との位置関係を示すデータを入力する。例えば、図３および図４に示されるように、測定用治具５０において、第１の把持部材６１のＺ方向の面から中心孔ＣＨの中心までのＺ方向の距離Ｌ２は既知である。また、第１の把持部材６１の溝６１ａの形状も既知であり、円柱形状の固定電極ユニット３４の直径も既知である。このため、固定電極ユニット３４の中心軸線から測定面７１ｂまでの距離Ｌ１も既知である。操作者は、例えば距離Ｌ１およびＬ２を入力装置２４等を用いて入力する。

操作者が、入力装置２４等を用いて、前記位置関係の計算に用いるデータを入力してもよい。例えば、操作者は、測定用治具５０および固定電極ユニット３４のＣＡＤデータを入力する。
制御装置２０は、入力装置２４に入力された位置関係データを記憶装置２３に格納する（ステップＳ１－１）

この状態で、制御装置２０は、視覚センサ４０から逐次送られてくる撮像データを用いてアーム１０の先端部又は測定用治具５０の位置を認識しながら、アーム１０の先端部又は測定用治具５０を複数の所定の位置に配置し、これにより基準座標系２０１における視覚センサ４０の位置および方向を特定する（ステップＳ１－２）。なお、基準座標系２０１の代わりにアーム１０の先端部に設定されている基準座標系を用いてもよい。
撮像データには適宜画像処理が施される。ステップＳ１－２によって、基準座標系２０１に対し視覚センサ４０の位置および方向が対応付けられる。

ステップＳ１－２は周知のキャリブレーションプログラム等によって行われる。例えば、制御装置２０はアーム１０の先端部の一部を視覚センサ４０に正対する第１の位置に配置する。制御装置２０は、出荷時の設定で、当該一部の基準座標系２０１における位置および姿勢を認識している。正対させるために、制御装置２０は前記一部をＸ軸周り、Ｙ軸周り、およびＺ軸周りに様々に回転させ、その時の当該一部の形状等を検出する。

また、制御装置２０は前記一部を第１の位置から第２の位置に移動させ、その時の測定用治具５０の形状、大きさ等を検出する。例えば、前記一部が視覚センサ４０に正対した状態で当該一部と視覚センサ４０との距離を変化させると、撮像データにおける当該一部の大きさが変化する。また、画角における前記一部の中心位置が変化しないように前記距離を変化させると、視覚センサ４０の視線の方向がわかる。ここで、各サーボモータの作動位置検出装置の検出値に基づき、制御装置２０はアーム１０による前記一部の移動量、移動方向等を認識している。当該動作によって、制御装置２０は視覚センサ４０の位置および方向を特定できる。なお、制御装置２０が、アーム１０の先端部の一部の代わりに測定用治具５０を用いて、同様に視覚センサ４０の位置および方向を特定することもできる。ステップＳ１－２を行う時に、制御装置２０が、複数の小さな孔７１ａを用いて、視覚センサ４０のレンズの歪みを認識することも可能である。

続いて、制御装置２０は、測定用治具５０の延設部７０を視覚センサ４０の画角内に配置する（ステップＳ１－３）。例えば、延設部７０の中心孔ＣＨが視覚センサ４０の画角の中心に配置され、延設部７０の全てが視覚センサ４０の画角内に配置される。
この状態において、制御装置２０は、撮像データによって延設部７０の形状、中心孔ＣＨの形状、孔７１ａのピッチ等を逐次検出しながら、延設部７０の姿勢を様々に変化させ、これにより延設部７０を視覚センサ４０に正対させる（ステップＳ１－４）。

この状態において、制御装置２０は、撮像データを用いて、延設部７０の中心孔ＣＨの基準座標系２０１における中心位置を検出する（ステップＳ１－５）。また、制御装置２０は、撮像データを用いて、Ｚ方向に並ぶ孔７１ａの基準座標系２０１における並設方向を検出し、Ｘ方向に並ぶ孔７１ａの基準座標系２０１における並設方向を検出する（ステップＳ１－６）。これにより、制御装置２０は、基準座標系２０１における治具座標系２０２の各方向を認識できる。また、測定用治具５０の第１の把持部材６１の溝６１ａの延びる方向は治具座標系２０２のＺ方向であり、固定電極ユニット３４の外周面は溝６１ａに嵌っている。このため、ステップＳ１－６において、制御装置２０は基準座標系２０１における固定電極ユニット３４の延設方向も認識する。

続いて、制御装置２０は、ステップＳ１－１で保存された位置関係データとステップＳ１－５で検出された中心孔ＣＨの基準座標系２０１における中心位置の検出結果とに基づき、固定電極ユニット３４の先端の基準座標系２０１における位置座標を計算する（ステップＳ１－７）。制御装置２０は治具座標系２０２における距離Ｌ１および距離Ｌ２の基準座標系２０１における各々の方向を認識している。このため、制御装置２０は、中心孔ＣＨの中心位置の座標に距離Ｌ１および距離Ｌ２に対応した移動を行い、固定電極ユニット３４の先端の基準座標系２０１における位置座標を計算できる。当該座標位置が、測定用治具５０および固定電極ユニット３４のＣＡＤデータを用いて計算されてもよい。
上記のように、視覚センサ４０、制御装置２０、および測定用治具５０によって、ツール先端部の位置計測システムが構成されている。

本実施形態では、ツール３０の先端部に取外し可能に測定用治具５０が取付けられ、制御装置２０にはツール３０の先端と測定用治具５０との位置関係を示すデータ又は当該位置関係の計算に用いるデータが格納されている。また、ロボット１のアーム１０の基準座標系２０１と対応付けが行われた視覚センサ４０の撮像データを用いて測定用治具５０の位置が検出され、検出された当該位置と前記位置関係とに基づき、ツール３０の先端の基準座標系２０１における位置座標が求められる。

このため、操作者が測定用治具５０をツール３０の先端部に取付けるだけで、ツール３０の先端の基準座標系２０１における位置座標が正確に求められる。当該構成は、作業の容易化およびロボット１による作業の高精度化の両立を図るために有利である。

また、本実施形態では、ツール３０の先端部である固定電極ユニット３４は所定方向に延びており、測定用治具５０には固定電極ユニット３４の外周面が嵌る溝６１ａが形成されている。このため、制御装置２０は、測定用治具５０の姿勢を検出することによって、固定電極ユニット３４が延びる所定方向も正確に認識することができる。

また、本実施形態では、孔７１ａは延設部７０である板部材７１を貫通しており、孔７１ａにおける視覚センサ４０によって測定されない開口は反射防止部材７２によって塞がれている。このため、視覚センサ４０によって延設部７０の孔７１ａを観察する際に、孔７１ａの内側からの不要な光が低減される。これは、各孔７１ａの検出を正確に行う上で有利である。

また、本実施形態では、延設部７０はツール３０の先端部が延びる方向に延びている。このため、ツール３０の先端の形状に拘わらずにツール３０の先端の位置特定を正確に行うことができる。また、本実施形態のようにスポット溶接用のツール３０において、ツール３０の先端部である固定電極ユニット３４は可動電極ユニット３３と対向している。本実施形態では、延設部７０は固定電極ユニット３４と並んで固定電極ユニット３４が延びる方向に延びている。当該構成では、延設部７０の面積を確保することができ、このためスポット溶接用のツール３０において先端の正確な位置特定を可能とする。

なお、本実施形態において、各孔７１ａの代わりに円形状又は他の形状のマークを設けることも可能である。また、円形状の複数の孔７１ａの代わりに他の形状の孔を設けることも可能である。また、各孔７１ａを設けずに、ステップＳ１－５において、延設部７０又は把持部６０の特徴点の位置を検出することも可能である。この場合、当該特徴点に対する前記距離Ｌ１，Ｌ２がステップＳ１－１において入力装置２４等に入力される。また、図７に示されるように、延設部７０を設けずに、把持部６０における第１の把持部材６１に孔７１ａに対応するマーク６１ｂを設けることも可能である。

また、本実施形態では、スポット溶接用のツール３０の先端部に測定用治具５０が取付けられるが、代わりに、アーク溶接用のツールの先端部に測定用治具５０が取付けられてもよい。

また、図８に示されるように、例えばアーク溶接用のツール、ピン等を部材に打ち込むツール、加工用のツール等のツールＴの先端部に測定用治具５０が取付けられる時に、板部材７１が治具座標系２０２のＺ方向に直交する方向に延びる板であってもよい。この場合も、板部材７１は第１の把持部材６１に固定されている。ツールＴの先端部を第１の把持部材６１および第２の把持部材６２の間に配置し、ツールＴの先端が板部材７１に接触している状態でボルト６３を締め込むと、ツールＴの先端部に測定用治具５０が取付けられる。この時、ツールＴの先端の位置と第１の把持部材６１のＺ方向の端面の位置とがＺ方向に位置決めされる。

１ロボット
１０アーム
１１サーボモータ
２０制御装置
２３記憶装置
２３ｃ位置検出プログラム
３０ツール
３４固定電極ユニット
４０視覚センサ
５０測定用治具
６０把持部
６１第１の把持部材
６１ａ溝
６２第２の把持部材
６２ａ溝
６３ボルト
７０延設部
７１板部材
７１ａ孔
７１ｂ測定面
２０１基準座標系
２０２治具座標系
ＣＨ中心孔

Claims

アームと、
前記アームに取付けられたツールと、
前記ツールの先端部に取外し可能に取付けられる測定用治具と、
前記アームの制御に用いられる基準座標系を認識しており、前記アームを制御する制御装置と、を備えたロボットであって、
前記制御装置には、前記ツールの先端と前記測定用治具との位置関係を示すデータ又は前記位置関係の計算に用いるデータが格納されており、
前記制御装置は、前記基準座標系と位置の対応付けが行われた視覚センサの撮像データを用いて検出される前記測定用治具の位置データと、前記位置関係とに基づき、前記ツールの前記先端の前記基準座標系における位置座標を求め、
前記ツールの前記先端部は所定方向に延びており、
前記測定用治具は、前記ツールの前記先端部の外周面を把持する把持部と、前記把持部から前記所定方向に延びる延設部と、を備え、
前記把持部には、前記所定方向に延びており前記先端部の前記外周面が嵌る溝が形成されており、
前記制御装置は、前記撮像データに基づき計算される、前記測定用治具の前記延設部に形成された孔又はマークの位置データと、前記位置関係とに基づき、前記ツールの前記先端の前記位置座標を求める、ロボット。
前記孔は前記延設部を貫通しており、
前記孔は、前記視覚センサによって撮像される側の開口と、反対側の開口とを有しており、
前記孔における前記反対側の開口は反射防止部材によって塞がれている、請求項１に記載のロボット。
ロボット用のツールの先端部に取付けられる測定用治具であって、
所定方向に延びる前記先端部の外周面を把持する把持部と、
前記把持部から前記所定方向に延びる延設部と、を備え、
前記把持部には、前記所定方向に延びており前記先端部の前記外周面が嵌る溝が形成されており、
前記延設部には、視覚センサによって撮像される複数の孔又はマークが形成され、
前記複数の孔の少なくとも一部は、前記所定方向と直交するＸ方向に並んでおり、
前記複数の孔の他の少なくとも一部は、前記所定方向に並んでいる、測定用治具。
ロボットのアームに取付けられたツールの先端部に測定用治具を取付けるステップと、
前記アームの制御に用いられる基準座標系と位置の対応付けがされた視覚センサによって前記測定用治具を撮像するステップと、を有するツール先端位置の決定方法であって、
前記ツールの前記先端部は所定方向に延びており、
前記測定用治具は、前記ツールの前記先端部の外周面を把持する把持部と、前記把持部から前記所定方向に延びる延設部と、を備え、
前記ツールの先端と前記測定用治具の孔又はマークとの位置関係を示すデータ又は前記位置関係の計算に用いるデータを前記アームを制御する制御装置に格納するステップと、
前記制御装置が、前記視覚センサの撮像データを用いて検出された前記測定用治具の前記孔又は前記マークの位置データと、前記位置関係とに基づき、前記ツールの前記先端の前記基準座標系における位置座標を求めるステップと、を有するツール先端位置の決定方法。