JPH0691566A - 多関節腕型ロボットの原点姿勢位置の較正方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多関節腕型ロボットの原点姿勢位置の較正を
簡単に遂行可能な方法と装置とを提供することにある。 【構成】 触針状の小接触子（３０）を多関節腕型ロボ
ット（１０）の最先端に装着し、当該ロボットの旋回台
（１６）、ロボット腕（１８，２０）、手首（２２）等
の動作自由度に基づいたロボット動作領域内の任意位置
に既知の形状、寸法を有した立方体形状の被接触ワーク
（４０）を仮固定し、そのワーク（４０）の所定の複数
点（Ｐ１〜Ｐ４）を、仮のロボット原点姿勢位置から可
動要素（１６，１８，２０，２２）と共に移動した上記
接触子（３０）でタッチして、各点の座標値をロボット
関節に設けたエンコーダ（Ｅθ〜Ｅγ）からなる位置検
出器（５０）で実測データとして求め、それらデータか
らロボット制御装置（６０）の演算手段（６４）で逆算
して真正なロボット原点姿勢位置の較正を遂行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用ロボット、特に
複数の関節を備えることにより複数の動作自由度を有し
た垂直及び水平多関節腕型ロボットの原点姿勢位置の較
正方法と装置とに関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボットは、ロボット制御装置に
よって教示されたプログラムに従って所望の動作を遂行
するが、特に、多関節腕型ロボットにおけるロボット動
作は複数の関節軸回りの腕と先端手首による動作の集積
によって同手首に装着されたハンドや種々のエンドエフ
ェクタが所望の動作を遂行する。このときに、教示され
たプログラムは各関節における動作を所定の原点座標値
を基準にしてプログラムデータが格納されている。故
に、このような教示プログラムに従ってロボット機体の
各関節において実際のロボット動作が再生されることに
より、ロボット手首先端に装着したハンドやエンドエフ
ェクタが所望の動作を正確に実行するには、ロボット機
体の原点座標値と教示プログラムの原点とを一致させる
原点較正が必要がされる。

【０００３】又、従来から多関節腕腕型ロボットにおい
ては、製造過程の最終段階やロボット使用時に、ロボッ
ト機体の関節回りの腕等の可動要素の駆動用に設けら
れ、駆動源を成すサーボモータを交換したとき、或い
は、偶発的にロボット機体が周囲に配置された外部機器
と機械的な接触を生じたりして部品類の交換がなされた
とき等には、ロボット機体側の所定の原点姿勢とプログ
ラムの原点との間の一致を図る原点姿勢位置較正が遂行
される。このような原点姿勢位置の較正は又、同じプロ
グラムに対してロボット機体が交換された場合の互換性
を図る際にも遂行される。

【０００４】このような多関節腕型ロボットの原点姿勢
位置の較正に当たって、従来、多用されていた方法は、
ロボット機体に予め形成した垂直表面や水平表面に支持
治具を介してダイヤルゲージ等の測定計器を取付け、他
方、手首先端にもダイヤルゲージに当接させるタッチア
ップ治具を装着し、次いで、教示操作盤から作業者が指
示操作を行うことによりロボットの各可動要素を作動さ
せ、手首に装着したタッチアップ治具がダイヤルゲージ
に接触した際の読み値が指定の値、例えば、『０』を示
す位置に追い込み、同指定値となったとき、真正な原点
姿勢位置が確立されたものとしてボタン操作によりロボ
ット制御装置側に、その原点姿勢位置を入力、設定して
較正を完了させる方法が講ぜられていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、従来の原
点較正に用いられた治具の場合には、手首側に装着する
タッチアップツール治具は、機体に固定側の治具の複数
個のダイヤルゲージと接触する基準面を有することか
ら、必然的に形状、寸法が非常に大きなものとなって稼
動中のロボットにおいては、治具とハンド、工具等のエ
ンドエフェクタとの付け替えが煩瑣で、作業者に対する
負担が大きいという欠点を有している。

【０００６】他方、固定側の位置較正治具に就いても、
ロボット機体の固定部に予め基準面が設けられていて
も、その基準面が限られた固定部に形成されていると、
ロボット機体の据え付け場所の周辺環境条件から、固定
側位置較正治具を取着したときに、相手側の可動側位置
較正治具と協動して位置較正を実行するには周辺環境が
障害になり、場合によっては、較正遂行が不可能にある
不都合をある。依って、本発明の目的は、多関節腕型ロ
ボットの原点姿勢位置の較正を簡単に遂行可能な方法と
装置とを提供せんとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、触針状の小さ
なタッチアップ治具、つまり、接触子を多関節腕型ロボ
ットの手首先端に装着し、他方、同ロボットの可動要素
である旋回胴、ロボット腕、手首等の動作自由度に基づ
くロボット動作領域内の任意の位置、しかも、ロボット
機体とは切り離された位置に既知の形状、寸法を有した
被接触ワークを仮固定し、同被接触ワークの所定の複数
点を、仮のロボット原点姿勢位置から可動要素と共に移
動させた上記接触子でタッチして、各点の座標値をロボ
ット関節に設けられたエンコーダからなる位置検出器に
より実測データとして求め、それらのデータから逆演算
して真正なロボット原点姿勢位置の較正を遂行するもの
である。

【０００８】即ち、本発明によれば、複数の関節を備え
ることにより複数の動作自由度を有した多関節腕型ロボ
ットの原点姿勢位置を較正する方法において、前記多関
節腕型ロボットの腕の最先端に具備された手首の先端に
接触子を取付け、前記多関節腕型ロボットの腕の動作領
域内の任意の位置に仮固定されると共に所定の複数の被
接触点を有した可搬性の被接触ワークを配設し、前記多
関節腕型ロボットを所定の真正な姿勢位置に略近い初期
姿勢位置、例えば、真正な原点姿勢位置に略近い仮原点
位置から関節動作させて前記接触子の先端を前記被接触
ワークの前記所定の複数の被接触点に接触させることに
より、該複数の被接触点のロボット基準座標系における
座標値を、夫々、前記複数の関節の各関節に設けた位置
検出器の測定データから求め、次いで、前記被接触ワー
クを前記動作領域内の他の任意の位置に仮固定すると共
に再び前記接触子の先端を該被接触ワークの前記所定の
複数の被接触点に接触させることにより、該複数の被接
触点のロボット基準座標系における座標値をそれぞれ、
前記位置検出器の測定データから再び求め、求められた
前記位置検出器の複数の測定データから前記初期姿勢位
置と真正な姿勢位置との差分を逆算により求め、該求め
た差分をロボットの現在の原点姿勢位置に加えて補正
し、真正な原点姿勢位置を求めるようにした多関節腕型
ロボットの原点姿勢位置の較正方法が提供される。

【０００９】又、本発明によれば、複数の関節を備える
ことにより複数の動作自由度を有した多関節腕型ロボッ
トの原点姿勢位置を較正する装置において、前記多関節
腕型ロボットの腕の最先端に具備された手首の先端に着
脱自在に取着される接触子と、前記多関節腕型ロボット
の腕の動作領域内の任意の位置に仮固定可能で、かつ所
定の複数の被接触点を有した既知形状寸法の可搬性の被
接触ワークと、前記多関節腕型ロボットの腕と手首とを
真正なロボット原点姿勢位置に近い仮想原点姿勢位置か
ら動作させることに応じて前記被接触ワークの前記複数
の被接触点を前記接触子で接触したときのロボット座標
系における座標値から前記真正なロボット原点姿勢位置
と前記仮想原点位置との差分を演算する演算手段とを具
備して構成された多関節腕型ロボットの原点姿勢位置の
較正装置が提供される。

【００１０】

【作用】上述の構成からなる本発明によれば、作業者が
ロボット機体の腕や手首を所定の真正な姿勢位置に略近
い初期姿勢位置から動作させることに伴って接触子を被
接触ワークの所定の被接触点に接触させ、それらの被接
触点の座標値を実測値として求めると共に該被接触ワー
クの幾何学的な条件と、多関節腕型ロボットの手首先端
の位置姿勢を求める周知の行列式とから真正な姿勢位置
に対する上記初期姿勢初期姿勢位置の差分を逆算し、そ
の差分を補正することにより、真正な原点姿勢位置を設
定するものである。なお、上述の被接触ワークとして
は、立方体形状を有した固体ワークの各隅部の直角度や
各辺長さを予め正確に形成したもの、例えば、アルミ材
性の立方体を用い、同立方体を床面へボルト等の適宜の
固定具で固定可能にし、各頂点を触針から成る接触子の
接触端で接触するようにするように構成することが最も
好ましい。 以下、本発明を添付図面に示す実施例に基
づいて更に詳細に説明する。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明による原点姿勢位置の較正方
法を適用して原点姿勢位置の較正を行うことが可能な多
関節腕型ロボットが、真正な原点姿勢位置に略近い仮の
原点姿勢位置に在る状態を示した側面図と被接触ワーク
の斜視図、図２は、同ロボットの旋回胴の旋回中心回り
の真正な原点姿勢位置に対する仮の原点位置の差分を示
した平面略示図、図３は、図１に示す姿勢位置にあるロ
ボットを同図１の３−３線の方向から見た正面図、図４
は、原点姿勢位置の較正のための演算を実行するシステ
ムの構成を示すブロック図である。

【００１２】さて、図１から図３を参照すると、本実施
例の多関節腕型ロボット１０は、垂直多関節型ロボット
として形成され、ベース１２上に立設された静止筒１４
内に設けられた旋回軸が旋回軸心θの回りに旋回するこ
とにより、旋回作動する旋回台１６を具備し、この旋回
台１６の突出端に設けられた第１番目の腕関節には関節
軸Ｗの回りに旋回可能な第１腕１８が枢着されている。
この第１腕１８の先端には第２番目の腕関節が設けら
れ、同第２番目の腕関節の関節軸Ｕの回りに旋回可能な
第２の腕２０が設けられている。そして、この第２腕２
０の先端にオフセット型の手首２２が設けられ、このオ
フセット型手首２２は図示のように、３つの旋回軸α、
β、γの各旋回軸回りに旋回可能な３つの動作自由度を
有した手首として形成されている。つまり、本実施例の
多関節腕型ロボット１０は代表的な６動作自由度（θ，
Ｗ，Ｕ，α，β，γ）の垂直多関節腕型ロボットとして
形成されているのである。

【００１３】ここで、図１、図３に示すように、手首２
２の先端には、本発明に係る原点姿勢位置の較正装置を
成す接触子３０が設けられ、この接触子３０は、先端に
触針３２を有し、手首２２に適宜のフランジ部を介して
着脱自在に取着されている。同接触子３０と協動して較
正作用を行う被接触ワーク４０は、図１に明示されるよ
うに、立方体部材であり、各頂点における直角度が精密
に形成され、好ましくは各辺の長さが既知量に形成され
る。この被接触ワーク４０は、可搬性のためにアルミ材
料等の軽量で、かつ高精度の寸法、形状を確保し易く、
しかも適度の堅牢性を備える素材で形成されていれば良
く、また、ボルトねじを用いて床面等のロボット使用域
に適宜に固定可能なクランプ用ねじ孔等を具備している
ことが好ましい。そして、図示例では、この立方体形状
の被接触ワーク４０の４つの頂点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ
４が被接触点として用いられる。

【００１４】他方、上述した多関節腕型ロボット１０の
各関節軸θ，Ｗ，Ｕ及び旋回軸α，β，γを有した胴関
節、腕関節、手首旋回軸の各部分には、その回転量を基
準角度位置（例えば、０°位置）からの角度変位量とし
て検出するエンコーダ（図示なし）が周知の如く設けら
れており、これらのエンコーダにより、夫々の可動要素
の姿勢位置の検出信号が、ロボット制御装置（図示な
し）へ送出されるようになっていることは言うまでもな
い。

【００１５】さて、上述した構造の多関節腕型ロボット
１０の原点姿勢位置の較正を実施する場合には、先ず、
ロボット１０の各可動要素である旋回台１６、第１腕１
８、第２腕２０、手首２２を各関節軸または旋回軸回り
に、真正な原点姿勢位置（較正実施前には不明ないしは
部品の交換や周辺機器との接触によるショック等で初期
設定された原点姿勢位置からズレを生じでいるが、図１
〜図３では、その真正な原点姿勢位置を夫々、０°位置
として示してある）に略接近した仮の原点姿勢位置へ作
業者が目視等により設定する。そして、その仮の原点姿
勢位置においては、真正な原点姿勢位置（θ，Ｗ，Ｕ，
α，β，γが夫々０°）との間に差分としてδθ，δ
Ｗ，δＵ，δα、δβ、δγを有しているものとする。

【００１６】故に、原点姿勢位置の較正は、これらδ
θ，δＷ，δＵ，δα、δβ、δγの値を求め、ロボッ
ト機体側の原点姿勢位置とロボット制御装置に入力され
ているプログラムの原点姿勢位置との一致を取るよう
に、例えば、プログラムに補正入力を付加して補正する
ものである。次に、その較正作用の遂行過程を図１〜図
４を参照しながら説明する。

【００１７】先ず、図４を参照すると、同図は原点姿勢
位置の較正を遂行する場合の信号ラインを含めたシステ
ムブロック図であり、ロボット機体の各関節軸θ，Ｗ，
Ｕ及び旋回軸α，β，γに設けられ、位置検出器５０を
構成するエンコーダを図４に示すように、Ｅθ，Ｅｗ，
Ｅｕ，Ｅα，Ｅβ，Ｅγとすると、これらのエンコーダ
は、接触子３０の触針３２が被接触ワーク４０の所定点
Ｐ₁ 〜Ｐ₄ を接触した時点で、夫々の関節軸、旋回軸の
位置データを検出し、その位置検出データを、ロボット
制御装置６０の演算手段６４による上記差分の演算目的
のために、インタフェース６２を介して入力される構成
が設けられ、また、これらの検出データはインタフェー
ス６２を介してメモリ手段６６に一旦、記憶される。

【００１８】さて、原点姿勢位置の較正に当たっては、
先ず、多関節腕型ロボット１０の機体の動作領域内の任
意の位置、例えば、ロボット使用現場の床面等に被接触
ワーク４０を設置し、仮固定する。他方、接触子３０を
ロボット機体の手首２２に装着する。更に、ロボット機
体１０は、先ず、既述した仮の原点姿勢位置（図１〜図
３に示す姿勢位置）へ設定し、その時点の各関節軸、旋
回軸の位置データを位置検出器５０で検出してロボット
制御装置６０に登録する。次いで、同仮の原点姿勢位置
から作業者が操作盤または手首２２を持って手動でロボ
ット機体を関節動作させることにより、接触子３０の触
針３２を被接触ワーク４０の所定点Ｐ₁ 〜Ｐ₄である各
頂点位置を順次に接触し、ロボット機体のベース１２の
中心点を原点に設定、選定した三次元座標系（図１の
Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系）における上記各頂点位置の座標値
を、その都度、各関節軸、旋回軸の位置データを介して
位置検出器５０のエンコーダＥθ，Ｅｗ，Ｅｕ，Ｅα，
Ｅβ，Ｅγにより検出し、検出データをロボット制御装
置６０に送出する。

【００１９】これらの検出データから得られたロボット
制御装置６０は、各所定点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の上
述したＸ，Ｙ，Ｚ座標系における各座標値（Ｘ１，Ｙ
１，Ｚ１），（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２），（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ
３），（Ｘ４，Ｙ４，Ｚ４）を多関節腕型ロボットの可
動部に関してロボットアームの運動解析において種々の
文献（例えば、ロボット学会編、コロナ社出版の『ロボ
ット工学ハンドブック』、１９９０年１０月初版発行の
第１８１頁以降の制御技術編に解説されている）で周知
の次式に従う演算によって求める。

【数１】

【００２０】なお、上述の式（１）におけるＡＡは座標
系の変換行列であり、また、ＢＢは一般定数の項であっ
て、通常は無視することができる項である。そして、こ
の式（１）は、ロボット制御装置６０のメモリ手段６６
に予め登録されていることは言うまでもない。従って、
演算手段６４は、この式（１）をメモリ手段６６から読
み出すことにより、演算を行うことができる。

【００２１】他方、被接触ワーク４０は精密な形状、寸
法を有した立方体として形成されているから、上記の所
定点Ｐ１〜Ｐ４の隅部直角条件から、ベクトル内積に関
して、

【数２】 の関係がある。

【００２２】依って、これらの（２）〜（４）式に上述
で得たＰ１〜Ｐ４の各座標値の値を導入すると、θ＝
０，Ｗ＝０，Ｕ＝０，α＝０，β＝０，γ＝０の条件に
より、δθ〜δαに関する３つの独立な方程式が得られ
る。依って、被接触ワーク４０を動作領域内の他の任意
の位置に移行させて仮固定した上で、再度、上述と同様
に所定点Ｐ１〜Ｐ４の点に就き、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系にお
ける座標値を求め、再び（２）〜（４）式に当てはめれ
ば、更にδθ〜δαに関して３つの独立式が得られ、都
合、６つの独立式が得られるから、演算により、δθ〜
δαの値を演算手段６４により求めることが可能とな
る。つまり、真正な原点姿勢位置に対する現在のロボッ
ト機体の原点姿勢位置との差分を上述のように、逆演算
方式で求め得るのである。

【００２３】依って、これらの求めたδθ〜δαの値を
ロボット制御装置６０のメモリ手段６６に記憶させてお
けば、ロボット制御装置６０は所定のプログラムに従っ
てロボット動作を遂行するとき、プログラムの原点姿勢
位置に対してロボット機体側の実際の原点姿勢位置のず
れ分を補正した上で各可動部を動作させ、ロボット機体
の先端点、つまり、手首２２に装着されるハンドや工具
等のエンドエフェクタの先端を所定の動作プログラムに
従う姿勢、位置に位置決めし、また、軌跡動作させるこ
とができるのである。

【００２４】なお、上述した被接触ワーク４０は立方体
に就き、その角度の直角条件をもとに独立の６つの方程
式を得たが、立方体の各辺の長さが全く等しい条件によ
り、独立方程式をたてて、δθ〜δγの値を求めるよう
にすることも可能である。また、本発明が、垂直多関節
腕型ロボットばかりでなく、水平多関節腕型ロボットに
も等しく適用可能であることは容易に理解できよう。

【００２５】

【発明の効果】以上の実施例の記載を介して理解できる
ように、本発明によれば、触針状の小さなタッチアップ
治具、つまり、接触子を多関節腕型ロボットの手首先端
に装着し、他方、同ロボットの可動要素である旋回胴、
ロボット腕、手首等の動作自由度に基づくロボット動作
領域内の任意の位置、しかも、ロボット機体とは切り離
された位置に既知の形状、寸法を有した被接触ワーク、
特に立方体形状のワークを仮固定し、同被接触ワークの
所定の複数点を、仮のロボット原点姿勢位置から可動要
素と共に移動した上記接触子でタッチして、各点の座標
値をロボット関節に設けられたエンコーダからなる位置
検出器で実測データとして求め、それらのデータから逆
算して真正なロボット原点姿勢位置の較正を遂行するも
のであるから原点姿勢位置の較正に当たって、作業者
は、単に、小さな触針形状の接触子をロット機体の手首
先端に装着し、更にロボットの動作領域内の適宜に選定
した任意位置に被接触ワークを仮固定するだけの極めて
簡単な準備作業だけで、原点姿勢の較正作用を遂行する
ことができ、較正作業の煩瑣性が一挙に解消される。

【００２６】また、本発明の方法と装置によれば、ロボ
ット機体の動作領域内の任意の位置に被接触ワークを設
置して原点姿勢位置の較正を行い得るから、例えば、ロ
ボット機体の使用現場の環境条件が、周辺機器との関係
等から較正作業に供し得る空間が限られている場合で
も、ロボット動作領域内に適正に選定すれば、簡単に原
点姿勢位置の較正を行うことが可能となる。更に、本発
明の原点姿勢位置の較正装置は、接触子と軽量な被接触
ワークであるため、取扱いが極めて軽便になる利点を有
している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による原点姿勢位置の較正方法
を適用して原点姿勢位置の較正を行うことが可能な多関
節腕型ロボットが、真正な原点姿勢位置に略近い仮の原
点姿勢位置に在る状態を示した側面図と被接触ワークの
斜視図である。

【図２】図２は、同ロボットの旋回胴の旋回中心回りの
真正な原点姿勢位置に対する仮の原点位置の差分を示し
た平面略示図である。

【図３】図３は、図１に示す姿勢位置にあるロボットを
同図１の３−３線の方向から見た正面図である

【図４】図４は、原点姿勢位置の較正のための演算を実
行するシステムの構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０…多関節腕型ロボット １２…ベース １６…旋回台 １８…第１の腕 ２０…第２の腕 ２２…手首 ３０…接触子 ３２…触針 ４０…被接触ワーク ５０…位置検出器 ６０…ロボット制御装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の関節を備えることにより複数の動
   作自由度を有した多関節腕型ロボットの原点姿勢位置を
   較正する方法において、 前記多関節腕型ロボットの腕の最先端に具備された手首
   の先端に接触子を取付け、 前記多関節腕型ロボットの腕の動作領域内の任意の位置
   に仮固定されると共に所定の複数の被接触点を有した可
   搬性の被接触ワークを配設し、 前記多関節腕型ロボットを所定の真正な姿勢位置に略近
   い初期姿勢位置、例えば、真正な原点姿勢位置に略近い
   仮原点位置から関節動作させて前記接触子の先端を前記
   被接触ワークの前記所定の複数の被接触点に接触させる
   ことにより、該複数の被接触点のロボット基準座標系に
   おける座標値を、夫々、前記複数の関節の各関節に設け
   た位置検出器の測定データから求め、 次いで、前記被接触ワークを前記動作領域内の他の任意
   の位置に仮固定すると共に再び前記接触子の先端を該被
   接触ワークの前記所定の複数の被接触点に接触させるこ
   とにより、該複数の被接触点のロボット基準座標系にお
   ける座標値をそれぞれ、前記位置検出器の測定データか
   ら再び求め、 求められた前記位置検出器の複数の測定データから前記
   初期姿勢位置と真正な姿勢位置との差分を逆算により求
   め、 該求めた差分をロボットの現在の原点姿勢位置に加えて
   補正し、真正な原点姿勢位置を求めるようにしたことを
   特徴とする多関節腕型ロボットの原点姿勢位置の較正方
   法。
2. 【請求項２】 複数の関節を備えることにより複数の動
   作自由度を有した多関節腕型ロボットの原点姿勢位置を
   較正する装置において、 前記多関節腕型ロボットの腕の最先端に具備された手首
   の先端に着脱自在に取着される接触子と、 前記多関節腕型ロボットの腕の動作領域内の任意の位置
   に仮固定可能で、かつ所定の複数の被接触点を有した既
   知形状寸法の可搬性の被接触ワークと、 前記多関節腕型ロボットの腕と手首とを真正なロボット
   原点姿勢位置に近い仮想原点姿勢位置から動作させるこ
   とに応じて前記被接触ワークの前記複数の被接触点を前
   記接触子で接触したときのロボット座標系における座標
   値から前記真正なロボット原点姿勢位置と前記仮想原点
   位置との差分を演算する演算手段とを、具備して構成さ
   れることを特徴とした多関節腕型ロボットの原点姿勢位
   置の較正装置。