JPH04114607U - ロボツトの位置合わせ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 目視による位置確認及び手操作による位置修
正を廃し、自動的にロボットの位置合わせを行うこと。 【構成】 例えばカメラ１３を外部装置に固定して基準
部材をロボット本体１０の手先に設け、カメラ１３の出
力信号から画像処理装置１２により基準部材の位置デー
タを算出し、この位置データからロボット制御盤１１が
ロボットの基準データを修正する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、画像処理技術を利用してロボットの位置合わせを行う装置に関する 。

【０００２】

【従来の技術】

ロボットに作業を行わせる場合はロボットの絶対位置や現在位置を知る必要が ある。そのため、図１０に示すように直角平面の基準合わせ板１をロボットの外 部装置である支柱３に設けておき、一方図１１（ｂ）に示すようにロボットの手 先４に直角平面の合わせ板８を設け、基準合わせ板１にロボット手先４の合わせ 板８がちょうど合わさった時のロボットの位置及び姿勢を基準データとしてロボ ットを制御している。

【０００３】 具体的には、準備段階として、まず作業者が図１０の如く基準合わせ板１にダ イヤルゲージ２をセットし、またロボット手先４に図１１（ａ）の如くオートツ ールチェンジャ（ＡＴＣ）５を介して取付けられている工具６を分割線７で取外 し、同図（ｂ）の如く合わせ板８をセットする。

【０００４】 その後、ロボットを位置合わせ用の指定プログラム等により移動させ、基準合 わせ板１にロボット手先４の合わせ板８が所定の位置精度で合わさったかどうか を、ダイヤルゲージ２やスキマゲージを用いて作業者が目視で確認する。

【０００５】 位置精度がでていない場合は、作業者が手操作でロボットをインチングさせて 、所定の位置精度で両合わせ板１，８が合うように位置決めする。

【０００６】 位置精度がでたらロボット側の基準パルスをクリアすること（ゼロイング）に より、位置及び姿勢の基準データの修正を行う。

【０００７】 なお、ロボットの絶対位置とは、ロボット中心を原点としてロボットパラメー タで選択されたツール中心（通常は工具の刃先やカメラレンズなど）のＸ，Ｙ， Ｚ座標と、ツールの姿勢（傾きや回転状態など）がベクトルとして決められた位 置であり、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向も決定されている。現在位置とは、ロボットの位置や 姿勢を表わすときに絶対位置の他にワークの存在する点を原点としてＸ，Ｙ，Ｚ 方向を定めるワーク座標系を選択することができるので、このワーク座標系が選 択されている場合のロボットの位置と姿勢である。

【０００８】 また、外部装置としては、ロボットと共通のベース（コモンベース）上に置か れた支柱３やワーク搬送装置上のベースなど、ロボットの外部に固定した剛性の 高い機械装置が用いられる。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

以上の説明から判るように、従来の技術では、ダイヤルゲージ２のセット、工 具６の取外し、並びに合わせ板８のセットなど手間がかかる。

【００１０】 また、基準合わせ板１に対しロボット側の合わせ板８の位置精度が合わない時 はロボットのインチングにより修正を行うが、作業者の個人差もあって完全に位 置精度が再現しない場合もある。しかも、位置精度を出すためのロボットのイン チング操作は複雑である。

【００１１】 更に、上述したロボットの位置合わせ作業には相当な時間がかかるから、生産 ラインを止めて位置合わせを行う場合は、損害が大きい。

【００１２】 更にまた、位置合わせの手順が人手による作業であるため、作業者が立入り難 い環境（例えば有毒気、放射線、高低温度）下では、長時間の作業ができず、危 険である。

【００１３】 本考案は上述した従来技術の問題点に鑑み、画像処理技術を用いることにより 、人手に頼らずロボットの位置合わせを行うことができる装置を提供することを 目的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

本考案によるロボットの位置合わせ装置の構成は、ロボットの手先と外部装置 とのうち、一方に設けられた基準部材及び他方に設けられたカメラと、カメラの 出力信号から基準部材の位置データを算出する手段と、この算出された位置デー タに基づきロボットの基準データを修正する手段とを具備することを特徴とする ものである。

【００１５】 なお、組立ハンドロボットやバリ取り加工ロボットなどの場合は、ロボットの 手先に基準部材を、外部装置にカメラを固定すると良く、また、検査ロボットな どの場合はロボットの手先にカメラを持たせ、外部装置に基準部材を固定すると 良いが、これらの逆でもかまわない。

【００１６】

【作用】

位置合わせを行う場合、カメラの視野に基準部材が入るようにロボットを移動 させる。

【００１７】 カメラが外部装置に設けられている場合は、カメラの出力信号から算出した基 準部材の位置データは正しいが、ロボット側の位置データがずれている可能性が あるので両者を比べて所定の位置精度で合うようにロボットの基準データを修正 する。

【００１８】 カメラがロボット手先に設けられている場合は、基準部材の真の位置データは 既知であるが、カメラの出力信号から算出した基準部材の位置データがずれてい る可能性があるので、両者を比べてロボットの基準データを修正する。

【００１９】

【実施例】 以下、図１〜図９を参照して本考案を実施例とともに詳細に説明する。

【００２０】 図１に本考案を適用したロボットシステムのブロック構成を示す。図１におい て、ロボット本体１０をロボット制御盤１１に接続し、このロボット制御盤１１ に画像処理装置１２を接続し、この画像処理装置１２に画像入力用カメラ１３を 接続してある。

【００２１】 本実施例では、カメラ１３を外部装置に固定してあり、その位置はロボット可 動範囲のうちで、ロボット各軸の角度の変化分が単独軸で認識できるような位置 を選んでいる。

【００２２】 一方、ロボット側では、図５〜図７に示すように、ロボット手先４に角形の基 準部材１９を設けてある。図５は単独軸が第４軸の場合を、図６は同第５軸の場 合を、図７は同第６軸の場合を示す。

【００２３】 なお図１中で、１４は搬送装置制御用等のシーケンサ、１５は作業者用の手元 操作盤、１６は出力用のビデオ・プリンタ、１７は製品種類識別用のバーコード リーダ、１８はパーソナルコンピュータである。

【００２４】 ロボット制御盤１１には通常通りロボット本体１０に位置合わせにより得られ た基準データに基づいて加工や検査等の作業を行わせる機能の他、位置合わせ動 作を行わせて、画像処理装置１２の処理結果に基づいて基準データの修正を行う 機能を有している。

【００２５】 ロボット制御盤１１は位置合わせ動作のためロボット位置合わせプログラムを 備えており、図４のステップＳ１に示すようにこのプログラムを起動し、ロボッ ト本体１０をカメラ１３に対する計測点へ移動させる。この移動のため、ロボッ トの各軸毎に、あるいは図２に示すようにＸ、Ｙ、Ｚ軸とその回りの回転Ｒ_X ， Ｒ_Y ，Ｒ_Z をカメラ１３が認識できるポイントとしてロボット側の位置を教示し てある。

【００２６】 画像処理装置１２はカメラ１３からロボット手先４にある基準部材１９の画像 を入力して各ポイントで基準部材１９の位置データを算出する。本実施例では、 画像の重心位置を求めて位置合わせ位置から見た基準部材１９の中心位置データ とし、これを基準部材１９の中心があるべき既知の位置データ例えば画面の中心 と比較してずれ量を求め、このずれ量から、ロボット手先４の位置と姿勢に対す る補正量を求めてロボット制御盤１１に与える。

【００２７】 ロボット制御盤１１では、画像処理装置１２からの補正量からロボット手先４ の位置と姿勢の基準データに対するシフト量を求め、このシフト量を基準データ に加算または減算して位置合わせの再現を行う。

【００２８】 ここで、画像処理装置１２で算出する補正量と、ロボット制御盤１１で使用す るシフト量との関係について、図３を参照して説明する。画像処理装置１１側で はカメラ１３の固定視野２０における固定座標Ｘ、Ｙを持つ。従って、中心位置 にずれが生じた場合、カメラ１３側ではＸ、Ｙ座標系でしか位置ずれを認識しな い。そのため、ロボット側の座標Ｘ、Ｙ、Ｚとカメラ側座標系Ｘ、Ｙとが一致し ない場合は、画像処理装置１２で算出した補正量を、ロボット側の座標系に合う ように加工して、ロボット修正のための移動量とする必要がある。この移動量が シフト量である。もちろん、座標系が合えば補正量がそのままシフト量として使 用される。

【００２９】 図４は、一例としてＸ、Ｙ、Ｚシフトによる位置修正の場合の位置合わせ動作 の手順を示す。以下、図４を参照してＸ、Ｙ、Ｚシフトによる位置修正を説明す る。

【００３０】 ロボット制御盤１１は、ロボット位置合わせプログラムを起動して（ステップ Ｓ１）、まずロボット本体１０をＸ軸上の計測点Ｘ₁ へ移動させて停止させ（ス テップＳ２）、それまで画像取込準備で待機していた画像処理装置１２に画像取 込指令ＯＮ信号を送る。これにより画像処理装置１２がカメラ１３から画像を取 込んで基準部材１９のＸ軸上の中心位置Ｘ₁ を算出し、基準位置Ｘ₀ とのずれ量 から補正量を算出し、画像取込完了信号と共にロボット制御盤１１に補正量を送 る（ステップＳ３）。これを受けてロボット制御盤１１は、画像取込指令ＯＦＦ 信号を送って画像処理装置１２を画像取込準備に待機させ、また、補正量からＸ 軸に関するシフト量ΔＸを算出し（ステップＳ４）、ΔＸだけシフトさせてＸ軸 基準データの修正を行う（ステップＳ５）。

【００３１】 次にロボット制御盤１１は、ロボット本体１０をＹ方向へ移動させて計測点Ｙ ₁ で停止させ（ステップＳ６）、それまで画像取込準備で待機していた画像処理 装置１２に画像取込指令ＯＮ信号を送る。これにより画像処理装置１２がカメラ １３から画像を取込んで基準部材１９のＹ軸上の中心位置Ｙ₁ を算出し、基準位 置Ｙ₀ とのずれ量から補正量を算出し、画像取込完了信号と共にロボット制御盤 １１に補正量を送る（ステップＳ７）。これを受けてロボット制御盤１１は、画 像取込指令ＯＦＦ信号を送って画像処理装置１２を画像取込準備に待機させ、ま た、補正量からＹ軸に関するシフト量ΔＹを算出し（ステップＳ８）、ΔＹだけ シフトさせてＹ軸基準データの修正を行う（ステップＳ９）。

【００３２】 次にロボット制御盤１１は、ロボット本体１０をＺ方向へ移動させて計測点Ｚ ₁ で停止させ（ステップＳ１０）、それまで画像取込準備で待機していた画像処 理装置１２に画像取込指令ＯＮ信号を送る。これにより画像処理装置１２がカメ ラ１３から画像を取込んで基準部材１９のＺ軸上の中心位置Ｚ₁ を算出し、基準 位置Ｚ₀ とのずれ量から補正量を算出し、画像取込完了信号と共にロボット制御 盤１１に補正量を送る（ステップＳ１１）。これを受けてロボット制御盤１１は 、画像取込指令ＯＦＦ信号を送って画像処理装置１２を画像取込準備に待機させ 、また、補正量からＺ軸に関するシフト量ΔＺを算出し（ステップＳ１２）、Δ ＺだけシフトさせてＺ軸基準データの修正を行う（ステップＳ１３）。

【００３３】 上述の如くＸ、Ｙ、Ｚについて一通り補正を行ったら、ロボット制御盤１１で は、各軸のシフト量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺがそれぞれ所定の位置精度内、例えば−０ ．１mmから＋０．１mmまでの収束幅内に入っているか否かを判定する（ステップ Ｓ１４）。所定の位置精度内であれば位置ずれの修正が合格であり、位置合わせ 動作を終了する。

【００３４】 位置精度が出ていなければ、各シフト量をゼロにクリアしてから（ステップＳ １５）、ステップＳ２に戻ってステップＳ１４まで、再度Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のシ フト及びシフト量の合否判定を繰り返す。通常は、２〜３回繰り返すと、ΔＸ＝ ０、ΔＹ＝０、ΔＺ＝０と収束する。

【００３５】 次に、ロボット本体１０が単独軸として第４軸、第５軸、第６軸を有する場合 は、軸相互間の影響をなくすため、第４軸から第５軸、第６軸へと順々に修正を 行う。これら各軸の修正について、以下、図５〜図７を参照して説明する。

【００３６】 図５は第４軸の修正を示し、図５（ａ）に示すように、固定カメラ１３の座標 系Ｘ、Ｙ中で基準位置２１が（Ｌ₄ 、０）であるのに対し、第４軸の回転ずれに より基準部材１９が（Ｌ₄ 、０）から（ΔＸ，ΔＹ）だけずれていたとする。こ の場合、ずれ量ΔＸ、ΔＹを画像処理により求め、下式（１）により、第４軸の 角度補正量Ｒ₄ を算出する。但し、Ｌ₄ はパラメータとして予め設定してある。 矢印線２２は第４軸の動作を示す。

【数１】 Ｒ₄ ＝ tan^-1｛Ｌ₄ ／（ΔＸ² ＋ΔＹ² ）^1/2 ｝ …式（１）

【００３７】 図６は第５軸の修正を示し、図６（ａ）に示すように固定カメラ１３の座標系 Ｘ、Ｙ中で基準位置２１が（０，０）であるのに対し、第５軸の回転ずれにより 基準部材１９が（０，０）から（０，ΔＹ）だけずれていたとする。この場合、 ずれ量ΔＹを画像処理により求め、下式（２）により第５軸の角度補正量Ｒ₅ を 算出する。但し、Ｌ₅ は第５軸中心点２３から基準部材１９までの距離であり、 パラメータとして設定してある。矢印線２４は第５軸の動作を示す。

【数２】 Ｒ₅ ＝ tan^-1（Ｌ₅ ／ΔＹ） …式（２）

【００３８】 図７は第６軸の修正を示し、図７（ａ）に示すように固定カメラ１３の座標系 Ｘ、Ｙ中で基準位置２１が（ｘ，ｙ）であるのに対し、第６軸の回転ずれにより 基準部材１９が（ｘ，ｙ）から（ΔＸ，ΔＹ）だけずれていたとする。この場合 、ずれ量ΔＸ，ΔＹを画像処理により求め、下式（３）により第６軸の角度補正 量Ｒ₆ を算出する。但し、Ｌ₆ は第６軸の中心線２５から基準部材１９までの距 離であり、パラメータとして設定してある。矢印線２６は第６軸の動作を示す。

【数３】 Ｒ₆ ＝ tan^-1｛Ｌ₆ ／（ΔＸ² ＋ΔＹ² ）^1/2 ｝ …式（３）

【００３９】 次に、カメラ１３をロボット側に設置した場合の実施例について、図８、図９ を参照して説明する。

【００４０】 図８に示すように、ロボット手先４に支柱２７を介してカメラ１３を固定して ある。また支柱２７にはリング状の照明装置２８を固定し、照明装置２８の中央 を通してカメラ１３が被写体を撮影できるようにしてある。

【００４１】 これに対し、ロボット本体１０と共通のコモンベース２９上に支柱３０を固定 し、支柱上面３０Ａに基準部材１９を設けてある。本実施例では図９（ａ）に示 すように、基準部材を１９Ａと１９Ｂの２点としている。カメラ１３は図１に示 したように画像処理装置１２と接続し、また画像処理装置１２はロボット制御盤 １１と接続している。

【００４２】 なお図８中で、３１はベース２９上に設置した搬送装置、３２は搬送装置３１ 上のワークであり、このロボットシステムではカメラ１３でワーク３２を観察し 、画像処理によりワーク３２の検査を行うようにしている。

【００４３】 本実施例でのロボット位置合わせでは、ロボット側のカメラ１３で２点の基準 部材１９Ａ，１９Ｂを撮影して、ロボット座標のＸ、Ｙ及びＲ_Z （Ｚ軸まわりの 回転）を修正するものとしている。

【００４４】 いま図９（ａ）に示すように、ロボット座標系をＸ−Ｙ平面とし、一方の基準 部材１９Ａの中心Ａを基準位置とするカメラ座標系をＸ₁ 、Ｙ₁ とし、他方の基 準部材１９Ｂの中心Ｂを基準位置とするカメラ座標系をＸ₂ 、Ｙ₂ とし、２つの カメラ座標系のＸ₁ 軸、Ｘ₂ 軸は同一線上にあり、ＡとＢはＬだけ離れていると する。Ｌは事前に初期設定時にパラメータとして入力してある。

【００４５】 そして、ロボットを位置決めして画像処理すると、図９（ｂ）に示すように、 正しい位置決めでの基準部材１９Ａの中心Ａを基準位置とするワーク座標系Ｘ_R ，Ｙ_R に対し、実際に観察した基準部材１９Ａの中心Ａ′を基準位置とするワー ク座標系Ｘ_R ′，Ｙ_R ′はＸ_H とＹ_H だけずれ、またＺ軸まわりにＲ_Z だけ回転 している。

【００４６】 そこで、まずＡとＡ′を比較して、Ａ＝Ａ′という中心合わせから、Ｘ軸とＹ 軸の補正量Ｘ_H 、Ｙ_H を算出する場合を考える。Ａ′をＸ_R ′とＹ_R ′のワーク 座標系でΔＸ₁ ′、ΔＹ₁ ′ずらせば、Ａ′はＡに一致する。従って、シフト補 正量Ｘ_H 、Ｘ_H を下式（４）、（５）で求める。

【数４】 Ｘ_H ＝ΔＸ₁ ′ …式（４）

【数５】 Ｙ_H ＝ΔＹ₁ ′ …式（５）

【００４７】 次に、Ｂ′をＢに一致させるのに必要なＺ軸まわりの回転補正量Ｒ_Z を考える 。ＡとＡ′の中心合わせ後は、Ｂ′とＢの距離ｒは次式（６）で算出できるから 、回転補正量Ｒ_Z が微小角であることを考慮するとこの量Ｒ_Z を式（７）で算出 する。但し、ΔＸ₂ ′とΔＹ₂ ′はＡとＡ′の中心合わせ前におけるＢとＢ′の ずれ量である。

【数６】 ｒ＝｛（ΔＸ₂ ′−ΔＸ₁ ′)²＋( ΔＹ₂ ′−ΔＹ₁ ′)²｝^1/2 …式（６）

【数７】 Ｒ_Z ＝ tan^-1（Ｌ／ｒ） …式（７）

【００４８】 従って、Ｘ_R 、Ｙ_R のワーク座標系において、Ｘ_R ′、Ｙ_R ′のワーク座標系 の位置ずれ発生のためこれをＸ_R 、Ｙ_R のワーク座標系に修正するには、Ｘ_H と Ｙ_H なるシフト量及びＲ_Z なる回転量を算出して、ロボット命令として位置修正 すれば良い。なお、Ｘ−Ｙ平面をロボット座標系と仮定したため、Ｚ軸のシフト 量Ｚ_H はゼロとなる。

【００４９】 ３次元での修正が必要な場合は、Ｚ軸も含めたＸ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面での計 測を行い、上述と同様にしてＸ、Ｙ、Ｚ各軸のシフト量Ｘ、Ｙ、Ｚと、これら各 軸まわりの回転量Ｒ_X 、Ｒ_Y 、Ｒ_Z とを算出して、ロボット命令とすることによ り位置修正を行う。

【００５０】

【考案の効果】

本考案によれば、人間の目視による位置確認と手操作による位置修正を不要と し、自動的に位置確認と修正を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例に係るロボットシステムの構
成を示す図。

【図２】ロボットの軸を示す図。

【図３】カメラの視野と座標系の説明図。

【図４】Ｘ、Ｙ、Ｚシフト修正の場合の位置合わせ動作
のフローを示す図。

【図５】第４軸の修正を示す図。

【図６】第５軸の修正を示す図。

【図７】第６軸の修正を示す図。

【図８】本考案の他の実施例としてカメラがロボット側
にある例を示す図。

【図９】カメラがロボット側にある場合の位置修正を示
す図。

【図１０】従来技術としてダイヤルゲージ付き基準合わ
せ板を示す図。

【図１１】従来技術としてロボット側の工具と合わせ板
のセット替えを示す図。

【符号の説明】

４ ロボット手先 ６ 工具 １０ ロボット本体 １１ ロボット制御盤 １２ 画像処理装置 １３ カメラ １９，１９Ａ，１９Ｂ 基準部材 ２０ カメラ視野 ２１ 固定カメラにおける基準位置 ２７ 支柱 ２８ 照明装置 ２９ コモンベース ３０ 支柱 ３１ 搬送装置 ３２ ワーク

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットの手先と外部装置とのうち、一
   方に設けられた基準部材及び他方に設けられたカメラ
   と、カメラの出力信号から基準部材の位置データを算出
   する手段と、この算出された位置データに基づきロボッ
   トの基準データを修正する手段とを具備することを特徴
   とするロボットの位置合わせ装置。