JPH1097311A

JPH1097311A - ロボットのツール座標系補正設定方法並びに該方法に使用するエンドエフェクタ

Info

Publication number: JPH1097311A
Application number: JP27135696A
Authority: JP
Inventors: 伸介 ▲榊▼原; Shinsuke Sakakibara; Yoshihisa Furukawa; 善久古川
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1996-09-24
Publication date: 1998-04-14
Anticipated expiration: 2016-09-24
Also published as: JP4020994B2

Abstract

(57)【要約】【課題】エンドエフェクタの形状やツール先端点の設
定位置に左右されずに、簡単な作業で安定した補正精度
を以てツール座標系を補正設定すること。【解決手段】ロボットの手先部１に力センサ２を介し
てエンドエフェクタとして取り付けられたハンド３の周
面上に設けられた治具４は、長方形帯状の平坦面領域４
１と凹部４２で治具座標系Ａを表現する。内側の一つの
コーナが原点ＯAを表現し、稜線４１ａ，４１ｂはＸA
軸、ＹA 軸を表現する。ツール座標系Ｂは、ハンド３の
爪３１に囲まれた位置に原点ＯB を持つように設定され
ている。ハンド３の位置・姿勢が、力センサ交換に伴う
再装着等で変化した場合に、治具座標系Ａ（変化後
Ａ’）の位置・姿勢を３次元視覚センサで検出し、変化
前の検出データと合わせて、ツール座標系Ｂ（変化後
Ｂ’）を求め、ロボット制御装置のツール座標系設定デ
ータを更新する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハンド等のエンド
エフェクタ（手先効果器）をツールとして取り付けたロ
ボットにおけるツール座標系補正設定方法、並びに該方
法に使用するエンドエフェクタに関する。本発明は、例
えばロボットとエンドエフェクタの間に介在させるアダ
プタの交換等に伴って生じるエンドエフェクタの位置・
姿勢ずれを補償するようにツール座標系を再設定する際
に適用される。

【０００２】

【従来の技術】ロボットを各種作業に適用するに際して
は、ロボットアーム先端のフェイスプレート（メカニカ
ルインターフェイス）にハンド等のエンドエフェクタを
取り付ることが通例である。そして、ロボットに所望の
作業を実行させる為に、ロボットに、フェイスプレート
に対するエンドエフェクタの位置・姿勢を表わすデータ
を与える必要がある。

【０００３】エンドエフェクタの位置・姿勢を代表する
点は一般にツール先端点（ＴＣＰ）と呼ばれており、こ
のツール先端点を原点とするツール座標系を設定するこ
とで、ロボットにエンドエフェクタの位置・姿勢が教示
される。一般に、ツール座標系の設定データは、フェイ
スプレート代表点（通常は中心点）を原点とするフェイ
スプレート座標系から見たツール座標系の相対的な位置
・姿勢を記述する行列を表わすデータとしてロボットに
与えられる。

【０００４】一旦ツール座標系の設定を行なった後、ロ
ボットの干渉事故等の原因でエンドエフェクタのフェイ
スプレートに対する相対的な位置・姿勢に変化を生じる
ことがある。特に、力センサのように破損し易いアダプ
タがフェイスプレートとエンドエフェクタの間に介在し
ている場合、アダプタを交換する機会も多く、それに伴
ってエンドエフェクタの位置・姿勢ずれが発生すること
が避けられない。

【０００５】このような事態に対する対処方法として
は、次の３つが考えられる。（１）エンドエフェクタの取付位置・姿勢を精密に調整
し直し、元の（位置・姿勢ずれ発生前の）エンドエフェ
クタ位置・姿勢を正確に再現する。（２）位置・姿勢ずれを起したエンドエフェクタをその
まま使えるように、教示をやり直す。（３）エンドエフェクタの位置・姿勢ずれを補償するよ
うに、ツール座標系を補正設定（再設定）する。

【０００６】しかし、（１）の方法は調整作業自体に熟
練と時間を要し、ユーザである作業者にかかる負担が大
きい。特に、エンドエフェクタがハンドであった場合、
ツール先端点は教示作業上の便宜を考えてハンドの複数
の爪の間（空中の点）に設定されることも多く、元のエ
ンドエフェクタ位置・姿勢を再現することは非常に難し
くなる。

【０００７】また、（２）の方法も教示済みのプログラ
ムが多い場合など、作業に要する時間が膨大となる。
（３）のタイプに属する技術としては、図１に示したよ
うな方法が知られている。この方法によれば、（ａ）ツ
ール先端点（ＴＣＰ）として設定を希望するツール（エ
ンドエフェクタ）の特定点が、空間内の同一点Ｐ0 に一
致するような３つの姿勢ＲＢ１〜ＲＢ３をロボットにと
らせ、（ｂ）各姿勢におけるロボットの現在位置データ
に基づいてツール先端点のフェイスプレートに対する相
対位置を求め、更に、（ｃ）ツール座標系の座標軸の方
向を別途教示する手順が実行される。

【０００８】このような方法は、尖頭状のエンドエフェ
クタの先端にツール先端点を設定するというような単純
なケースであれば比較的実行容易と考えられるが、エン
ドエフェクタがハンドであるような場合には、ロボット
の３姿勢におけるツール先端点を同一点Ｐ0 に一致させ
ることが困難になる。また、この方法では、ツール座標
系の原点位置（ツール先端点位置）は取得出来るが、座
標軸の方向を取得することが出来ないという問題点もあ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、これら従来技術の問題点を克服し、エンドエフェク
タの形状やツール先端点の設定位置に左右されずに、簡
単な作業で安定した補正精度を以てツール座標系を補正
設定することが出来る方法を提供するとともに、本方法
を実行するに適したエンドエフェクタを提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のツール座標系補
正設定方法は、ロボット手先部に支持されたエンドエフ
ェクタにツール座標系を設定するとともに、ツール座標
系と固定的な位置・姿勢関係にある治具座標系の原点位
置と座標軸の方向を３次元視覚センサによる認識が可能
な形態で表現する治具座標系表現手段を具備する治具を
設け、ロボットの周辺に前記３次元視覚センサを配置
し、ロボットのツール座標系を補正設定するものであ
り、次の諸段階を含んでいる。

【００１１】（ａ）ロボット手先部に対する前記エンド
エフェクタの位置・姿勢が、ツール座標系の設定時のそ
れから変化していない初期状態において、ロボットを前
記３次元視覚センサによる前記治具座標系の位置・姿勢
の検出が可能な治具座標系検出ロボット位置に位置決め
する段階（ｂ）３次元視覚センサを用いて前記治具座標系の位置
・姿勢を検出する段階（ｃ）ロボット手先部に対するエンドエフェクタの位置
・姿勢が、ツール座標系の設定時のそれから変化してい
る可能性が生じた治具座標系再検出機会の到来時に、ロ
ボットを治具座標系検出ロボット位置に位置決めする段
階（ｄ）３次元視覚センサを用いて治具座標系の位置・姿
勢を検出する段階（ｅ）上記（ｂ）の段階及び（ｄ）の段階で求められた
治具座標系の位置・姿勢に基づいて、それまで設定され
ていたツール座標系を再設定する段階エンドエフェクタは例えばハンドであり、力センサなど
のアダプタを介してロボット手先部に支持されていても
良い。典型的な実施形態においては、３次元視覚センサ
はスリット光投光手段と撮影手段と画像処理手段を備え
た型のものが使用される。

【００１２】典型的な実施形態において、治具に具備さ
れる治具座標系表現手段は、治具座標系の原点位置と座
標軸の方向を表現する平坦面と稜線を備えている。ま
た、ツール座標系と固定的な位置・姿勢関係にある治具
座標系の原点位置と座標軸の方向を３次元視覚センサに
よる認識が可能な形態で表現する治具座標系表現手段を
備えたハンドあるいは他のエンドエフェクタを用意して
おくことは、上記ツール座標系補正設定方法を円滑に実
施する上で好ましい。典型的な実施形態において使用さ
れるエンドエフェクタは、治具座標系表現手段として、
治具座標系の原点位置と座標軸の方向を表現する平坦面
と稜線を備えている。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明に係るツール座標系補正設
定方法は、エンドエフェクタがロボットの手先部（メカ
ニカルインターフェイス）に直接、あるいはアダプタを
介して適正に取り付けられた状態（位置・姿勢ずれ発生
前の状態。以下、「初期状態」とも言う。）において開
始される。はじめに、実施時の手順と基礎となる計算の
概要を図２を参照して説明しておく。

【００１４】１．初期状態において、作業に適したツー
ル座標系Ｂを設定する。なお、このようなツール座標系
Ｂの設定は、エンドエフェクタの形態や作業内容に即し
て実行される極めて一般的なものである。初期状態（位
置・姿勢ずれ発生前）において、メカニカルインターフ
ェイスの代表点（フェイスプレートに設定された座標系
の原点Ｆ）に対するツール座標系Ｂの位置・姿勢を表わ
す同次変換行列を、図２に示したように ^FＴ_B とする。
２．初期状態が保たれている間に（ツール座標系Ｂの設
定の前後いずれも可）、ロボットを３次元視覚センサの
周辺の適当な位置に位置決めし、エンドエフェクタに固
定された治具座標系Ａの位置・姿勢を検出する。以後、
この検出を行なった際のロボットの位置（フェイスプレ
ート座標系原点Ｆの位置で代表）を「治具座標系検出ロ
ボット位置」と言う。

【００１５】初期状態（位置・姿勢ずれ発生前）におい
て、メカニカルインターフェイスの代表点（フェイスプ
レートに設定された座標系の原点Ｆ）に対する治具座標
系Ａの位置・姿勢を表わす同次変換行列を、図２に示し
たように ^FＴ_A とする。行列^FＴ_A と ^FＴ_B の間には下
記（１）式の関係が成立する。 ^FＴ_B ＝ ^FＴ_A ^AＴ_B ・・・（１）ここで、行列 ^AＴ_B は治具座標系Ａに対するツール座標
系Ｂの位置・姿勢を表わしている。

【００１６】３．初期状態が壊れたと思われる時に（例
えば、アダプタ交換時）、ロボットを再度治具座標系検
出ロボット位置に位置決めし、３次元視覚センサ覚セン
サを用いて治具座標系の位置・姿勢を検出する。このよ
うに、エンドエフェクタの位置・姿勢変化の可能性の発
生に伴い、治具座標系の再検出が行なわれる機会のこと
を「治具座標系再検出機会」という。治具座標系再検出
機会における治具座標系をＡ’のフェイスプレート座標
系原点Ｆに対する位置・姿勢を表わす同次変換行列を、
図２に示したように、 ^FＴ_A'とする。

【００１７】同様に、初期状態で設定されたツール座標
系Ｂが位置・姿勢ずれを起したものをＢ’で表わせば、
治具座標系再検出機会におけるツール座標系Ｂ’のフェ
イスプレート座標系原点Ｆに対する位置・姿勢を表わす
同次変換行列 ^FＴ_B'は、下記（２）式で与えられる。 ^FＴ_B'＝ ^FＴ_A' ^A'Ｔ_B' ・・・（２）ここで、行列 ^A'Ｔ_B' は治具座標系再検出機会における
治具座標系Ａ’に対するツール座標系Ｂ’の位置・姿勢
を表わしているが、治具座標系がエンドエフェクタに固
定されているという条件下では（即ち、エンドエフェク
タ自身が変形しない限り）、両者の相対的な関係は保持
されるから、 ^A'Ｔ_B'＝ ^AＴ_B ・・・（３）となる。（１）〜（３）式から、次式（４）の関係が得
られる。

【００１８】 ^FＴ_B'＝ ^FＴ_A' ^AＴ_B ＝ ^FＴ_A' ^FＴ_A ^-1 ^FＴ_B ・・・（４）４．（４）式の最右辺を計算し、ツール座標系Ｂ’の再
設定データとしてロボットに教示すれば、ツール座標系
の位置・姿勢ずれを補償する形でツール座標系の再設定
を行なうことが可能になる。

【００１９】５．（４）式の右辺中の行列 ^FＴ_B は、初
期状態において設定されたツール座標系のデータで与え
られる。従って、残る乗算項 ^FＴ_A' ^FＴ_A ^-1 を３次元視
覚センサによって検出される治具座標系Ａ及びＡ’の位
置・姿勢から求めれば良いことになる。 ^FＴ_A'及び ^FＴ
_A ^-1 は各々次のように表わすことが出来る。 ^FＴ_A'＝ ^FＴ_R ^RＴ_A' ・・・（５） ^FＴ_A ^-1 ＝（ ^FＴ_R ^RＴ_A ）^-1＝ ^RＴ_A ^-1 ^FＴ_R ^-1 ・・・（６）ここで、^F Ｔ_R ；フェイスプレート座標系から見たロボット座標
系の位置・姿勢を表わす同次変換行列^R Ｔ_A'；ロボット座標系から見た治具座標系Ａ’の位置
・姿勢を表わす同次変換行列^R Ｔ_A ；ロボット座標系から見た治具座標系Ａの位置・
姿勢を表わす同次変換行列である。

【００２０】上記（５），（６）式から、 ^FＴ_A' ^FＴ_A ^-1 ＝ ^FＴ_R ^RＴ_A' ^RＴ_A ^-1 ^FＴ_R ^-1 ＝ ^FＴ_R ^RＴ_S ^SＴ_A'（ ^RＴ_S ^SＴ_A ）^-1 ^FＴ_R ^-1 ＝ ^FＴ_R ^RＴ_S ^SＴ_A' ^SＴ_A ^-1 ^RＴ_S ^-1 ^FＴ_R ^-1 ・・・（７）となる。ここで、 ^RＴ_S はロボット座標系Ｒ（ロボット
に設定済みの任意の３次元直交座標系）に対する３次元
視覚センサのセンサ座標系Ｓの位置・姿勢を表わす同次
変換行列であり、適当なキャリブレーションによって取
得される。６．結局、再設定されるツール座標系を表わす（４）式
は、 ^FＴ_B'＝ ^FＴ_R ^RＴ_A' ^RＴ_A ^-1 ^FＴ_R ^-1 ^FＴ_B ＝ ^FＴ_R ^RＴ_S ^SＴ_A' ^SＴ_A ^-1 ^RＴ_S ^-1 ^FＴ_R ^-1 ^FＴ_B ・・・（８）となる。特殊なケースとして、エンドエフェクタの位置
・姿勢に全くずれが生じていない場合には、当然 ^SＴ_A'
＝ ^SＴ_A となるから、（８）式は下記（９）式となる。 ^FＴ_B'＝ ^FＴ_B ・・・（９）（８）式の右辺に含まれる行列の出所をまとめて記せば
次のようになる。^F Ｔ_R ， ^FＴ_R ^-1 ；治具座標系検出ロボット位置におけ
る現在位置データから求められる。^R Ｔ_S ， ^RＴ_S ^-1 ；ロボット座標系Ｒとセンサ座標系Ｓ
を結合させるキャリブレーションデータから求められ
る。^S Ｔ_A ^-1 ；初期状態における治具座標系Ａの検出データ
（センサデータ）から求められる。^S Ｔ_A' ；治具座標系再検出機会における治具座標系Ａ’
の検出データ（センサデータ）から求められる。^F Ｔ_B ；初期状態における治具座標系Ａの設定データで
ある。なお、上記（４）式において、 ^AＴ_B （座標系Ａ，Ｂの
位置・姿勢関係）の正確なデータが用意出来る場合に
は、 ^FＴ_B'＝ ^FＴ_A' ^AＴ_B ＝ ^FＴ_R ^RＴ_A ^AＴ_B ＝ ^FＴ_R ^RＴ_S ^SＴ_A ^AＴ_B ・・・（１０）から、 ^FＴ_B'を求めても良い。但し、この場合も ^FＴ
_R ， ^RＴ_S のデータは必要である。そして、（８）式に
は ^FＴ_R と ^FＴ_R ^-1 、 ^RＴ_S と ^RＴ_S ^-1 が乗算関係で含
まれているために、治具座標系検出ロボット位置や３次
元視覚センサのキャリブレーションデータに多少の誤差
があっても、それが ^FＴ_B'の計算結果に現れ難い。従っ
て、（１０）式を使用するよりも、（８）式を使用する
ことが好ましい。

【００２１】このようにして、ツール座標系を再設定す
れば、ロボット動作の再教示を行なわなくとも、エンド
エフェクタが位置・姿勢ずれを起しす前と同じロボット
作業を実行することが出来る。

【００２２】図３は、本発明の方法を実施する際に使用
可能なシステムの制御部を構成するロボット制御装置並
びに関連接続関係を説明する要部ブロック図である。ロ
ボット制御装置５は、ここでは３次元視覚センサの画像
処理装置内蔵型のものが採用されており、中央演算処理
装置（以下、ＣＰＵ）５１を備え、ＣＰＵ５１には、Ｒ
ＯＭからなるメモリ５２、ＲＡＭからなるメモリ５３、
不揮発性メモリ５４、液晶ディスプレイを備えた教示操
作盤５５、ロボットの各軸を制御するためのデジタルサ
ーボ回路５６、ストラクチャライトユニット用インター
フェイス６１、画像処理プロセッサ６２、モニタインタ
ーフェイス６３、フレームメモリ６４、プログラムメモ
リ６５、データメモリ６６及び汎用インターフェイス６
７がバス５８を介して接続されている。

【００２３】デジタルサーボ回路５６は、ロボットＲＢ
の各軸を制御するために、サーボアンプ５７を介してロ
ボットＲＢの機構部に接続されている。また、ストラク
チャライトユニット用インターフェイス６１にはストラ
クチャライトユニットＳＵが接続され、モニタインター
フェイス６３には例えばＣＲＴからなるモニタディスプ
レイＭＯが接続されている。ストラクチャライトユニッ
トＳＵは、後述するように、３次元視覚センサの投光部
及び撮影部をユニット化したものである。

【００２４】汎用インターフェイス６７には、必要に応
じて各種の外部装置を接続することが出来るが、ここで
はロボット手先部のフェイスプレートとエンドエフェク
タの間に介在するアダプタを構成する力センサ２が示さ
れている。

【００２５】ＲＯＭ５２には、システム各部の制御に必
要なシステムログラムが格納されている。ＲＡＭ５３は
デ−タの一時記憶や演算の為に利用されるメモリであ
る。不揮発性メモリ５４には、ロボットＲＢ、ストラク
チャライトユニットＳＵ、力センサ２などの外部装置の
動作を規定した動作プログラムのデータ、座標系（座標
系Ｒを含む；図１参照。）の設定データ、３次元視覚セ
ンサのキャリブレーションデータ（前述した行列 ^RＴ_S
のデータを含む；図１参照。）、関連設定値等が格納さ
れる。

【００２６】ストラクチャライトユニット用インターフ
ェイス６１は、ストラクチャライトユニットＳＵの各部
を制御するための指令の授受やＣＣＤカメラ（図４
（ａ）参照）で撮影された画像の取り込みに用いられ
る。取り込まれた画像はグレイスケールに変換後、一旦
フレームメモリ６４に格納される。フレームメモリ６４
に格納された画像はモニタディスプレイＭＯ上に表示す
ることが出来るようになっている。

【００２７】プログラムメモリ６５には、画像処理プロ
セッサ６２を利用した画像処理と解析を行なうためのプ
ログラムが格納され、データメモリ６６には画像処理と
解析に関連した設定データ等が格納される。本実施形態
では、特に、治具座標系の位置・姿勢を求めるための処
理を定めたプログラムデータ並びに関連設定データがこ
れら格納データに含まれている。なお、処理の内容は後
述する。

【００２８】図４は、ストラクチャライトユニットＳＵ
の一般的構成を説明するもので、図４（ａ）にストラク
チャライトユニットＳＵの要部構造、図４（ｂ）ストラ
クチャライトの形成方法を間単に記した。図４（ａ）に
示されたストラクチャライトユニットＳＵは、ストラク
チャライトＳＬとしてスリット光を投光するもので、投
光部はレーザ発振器１２、円柱レンズ１３、偏向ミラー
を備えたガルバノメータ１４（ステッピングモータで駆
動）及び投光窓１１を備え、撮影部はＣＣＤカメラ２０
及び撮影窓２１を備えている。

【００２９】図４（ｂ）に示したように、レーザ発振器
１２から出射されたレーザビームは円柱レンズ１３によ
ってスリット光ＳＬに変換される。スリット光ＳＬは、
ステッピングモータによる高速駆動が可能なガルバノメ
ータ１４で投光方向を指示する指令値に従って所定の方
向に偏向され、投光窓１１から被計測対象物１６上に投
光される。被計測対象物Ｗ上に形成された輝線１５を含
む画像がＣＣＤカメラ２０による影で取得され、画像処
理装置を内蔵したロボット制御装置５に取り込まれる。

【００３０】ロボット制御装置５は、前述した画像処理
機能を利用して輝線１５を含む画像を解析し、輝線１５
の端点位置１５１，１５２等の３次元位置を求める。な
お、端点位置１５１，１５２等の３次元位置を求める原
理とそれに基づく計算処理の詳細については周知事項な
のでここでは説明を省略する。

【００３１】次に、図５は図３、図４を参照して説明し
た構成と機能を利用して本発明の方法を実施する際の全
体配置の概要を説明する模式図である。ロボットＲＢ
は、ここではテーブルＴＢ上に供給されるワークＷ２に
ワークＷ１を嵌合する力制御ロボットとして描かれてい
る。ロボットＲＢの手先部１には６軸力を検出する力セ
ンサ２が装着され、この力センサ２にエンドエフェクタ
としてハンド３が取り付けられている。即ち、力センサ
２はエンドエフェクタ（ハンド３）取付のためのアダプ
タの役割を果している。

【００３２】ワークＷ１はハンド３の複数本の爪３１で
把持され、テーブルＴＢ上のワークＷ２に嵌合される。
力センサ２はワークＷ１を介して受ける力／モーメント
を検出し、ロボット制御装置５に伝える。ロボット制御
装置５は、力センサ２の出力を利用した力制御を実行
し、嵌合動作が円滑に行なわれるようにする。

【００３３】本実施形態でエンドエフェクタとして使用
されているハンド３には、本発明の特徴に従って、治具
座標系表現手段を備えた治具４が設けられている。治具
４は、ハンド３に対して必要時に装着しても良く、ま
た、ハンド３の一部として固設された構造としても良
い。

【００３４】本実施形態では、図示されているロボット
姿勢を治具座標系検出ロボット位置に採用し、テーブル
ＴＢ上の適当な位置（治具４上の治具座標系表現手段の
検出に好適な位置）にストラクチャライトユニットＳＵ
を設置する。ストラクチャライトユニットＳＵを含む３
次元視覚センサのキャリブレーションは周知の適当な手
法を用いて完了済み（ロボットＲＢに設定されている座
標系Ｒとセンサ座標系Ｓが結合済み）であるとする。

【００３５】治具４上の治具座標系の位置・姿勢を検出
する際には、ストラクチャライトユニットＳＵの投光部
からスリット光ＳＬが治具４に向けて投光され、撮影部
で治具座標系表現手段上に形成された輝線像が撮影され
る。

【００３６】治具４には、治具座標系の原点位置と座標
軸の方向を知るために必要な情報を、３次元視覚センサ
によって認識可能な形態で提供する治具座標系表現手段
が設けられている。本実施形態では、スリット光投光型
の３次元視覚センサを採用していることを考慮して、ス
リット光ＳＬの投光により端点を持つ直線状の輝線が形
成されるように、異なる方向を向いた複数本の稜線を提
供する表面形状手段を以て治具座標系表現手段とする。

【００３７】図６は本実施形態で採用される治具４の治
具座標系表現形態の一例を説明するために、ロボット手
先部１の周辺部を拡大描示し、治具座標系とツール座標
系の関係を併記した見取り図である。図６に示したよう
に、ロボットの手先部１に力センサ２を介して取り付け
られたハンド３の周面上に設けられた治具４は、治具座
標系表現手段（表面形状手段）として、長方形帯状の平
坦面領域４１とそれに取り囲まれた凹部４２を備えてい
る。

【００３８】長方形枠状の平坦面領域４１は、内側の一
つのコーナを以て治具座標系Ａ（図１も参照）の原点Ｏ
A を表現し、原点ＯA から横方向及び縦方向に延びる稜
線４１ａ，４１ｂ以て各々ＸA 軸、ＹA 軸を表現する。
これに対してツール座標系Ｂ（図１も参照）は、ハンド
３の３本の爪３１に囲まれた位置に原点ＯB を持ち、ハ
ンド３の軸方向がＺB 軸となるように設定されている。

【００３９】図１に関連して説明したように、ハンド３
が変形しない限り、一旦固定された両座標系Ａ，Ｂの相
対的な位置・姿勢関係は不変である。しかし、治具座標
系Ａとツール座標系Ｂの相対的な位置・姿勢関係を特定
のものとする必要はなく、予め知る必要もない。従っ
て、治具４の取付位置に関して正確な位置決めを行なう
負担は生じない。但し、前述の（１０）式を用いてツー
ル座標系の設定データを更新する場合には、 ^AＴ_B を定
めるための正確なデータが事前に必要となる。

【００４０】図７は図６中に示された治具４のみを拡大
抽出し、スリット光による輝線の形成状況を併記したも
のである。同図を参照し、治具座標系Ａ（またはＡ’）
の位置・姿勢を３次元視覚センサを用いて検出する手順
の概略を説明すれば、次の様になる。ロボットＲＢが図
５に示した如き治具座標系検出ロボット位置にある状態
で、ストラクチャライトユニットＳＵを使ってスリット
光を治具４の平坦面領域４１を斜めに横切るように投光
する。投光は２回（またはそれ以上）行い、平坦面領域
４１上に輝線Ｌ１（第１回目投光）、Ｌ２（第２回目投
光）を形成する。輝線Ｌ１，Ｌ２の一部は凹部４２上に
も形成されるが、ここでは座標系検出には利用されな
い。ストラクチャライトユニットＳＵとロボット制御装
置５を合わせた３次元視覚センサを用いて治具座標系Ａ
（またはＡ’）を定める手順は、例えば次のものとする
ことが出来る。説明の便宜上、この手順を「手順１」と
呼ぶ。

【００４１】［手順１］１．輝線Ｌ１が稜線４１ａ，４１ｂを横切る点に対応す
る端点Ｃ2 、Ｃ3 の３次元位置を求める。２．輝線Ｌ２が稜線４１ａ，４１ｂを横切る点に対応す
る端点Ｃ6 、Ｃ7 の３次元位置を求める。３．端点Ｃ2 とＣ6 の位置から稜線４１ａが表わす直線
を求める。４．端点Ｃ3 とＣ7 の位置から稜線４１ｂが表わす直線
を求める。５．両者の交点として原点ＯA の３次元位置を求める。６．端点Ｃ6 からＣ2 に向かうベクトル＜ｕ＞で治具座
標系Ａ（Ａ’）のＸA軸の方向を定める。７．端点Ｃ3 からＣ7 に向かうベクトル＜ｗ＞で治具座
標系Ａ（Ａ’）のＺA軸の方向を定める。８．＜ｖ＞＝＜ｗ＞×＜ｕ＞で治具座標系Ａ（Ａ’）の
ＹA 軸の方向を定める。

【００４２】なお、端点Ｃ1 ，Ｃ5 ，Ｃ4 ，Ｃ8 を含め
た端点の内の３個以上を使って平坦面４１の方向を求
め、ＹA 軸の方向を定めても良い。

【００４３】図８は本実施形態で採用される治具４の治
具座標系表現形態の別の例を説明する図で、治具４を拡
大描示し、スリット光による輝線の形成状況を併記され
ている。同図に示したように、本例の治具４は、治具座
標系表現手段として、互いに直交した３つの平坦面領域
４３〜４５を備えた三角錐形状部を備えている。そし
て、三角錐形状部は隣接する平坦面領域４３〜４５間の
交線として、３本の互いに直交した稜線Ｈ１〜Ｈ３が提
供されている。

【００４４】これら稜線Ｈ１〜Ｈ３は、治具座標系Ａ
（またはＡ’）のＸA 軸、ＹA 軸及びＺA 軸を表現し、
それらの交点（三角錐の頂点）が原点ＯA を表現する。
本例の治具４をハンド３に設けた場合について、治具座
標系Ａ（またはＡ’）の位置・姿勢を３次元視覚センサ
を用いて検出する手順の概略を説明すれば、次の様にな
る。図７に示した治具の場合と同じくロボットＲＢが図
５に示した如き治具座標系検出ロボット位置にある状態
で、ストラクチャライトユニットＳＵを使ってスリット
光を治具４の平坦面領域４３〜４５の内の２つを横切る
ように投光する。投光は４回（またはそれ以上）行い、
平坦面領域４３，４４上に輝線Ｌ３（第１回目投光）、
Ｌ４（第２回目投光）を形成し、平坦面領域４３，４５
上に輝線Ｌ５（第３回目投光）、Ｌ６（第４回目投光）
を形成しする。

【００４５】ストラクチャライトユニットＳＵとロボッ
ト制御装置５を合わせた３次元視覚センサを用いて治具
座標系Ａ（またはＡ’）を定める手順は、例えば次のも
のとすることが出来る。説明の便宜上、この手順を「手
順２」と呼ぶ。

【００４６】［手順２］１．輝線Ｌ３が稜線Ｈ１を横切る点に対応する端点Ｄ2
の３次元位置を求める。

【００４７】２．輝線Ｌ４が稜線Ｈ１を横切る点に対応
する端点Ｄ5 の３次元位置を求める。

【００４８】３．輝線Ｌ５が稜線Ｈ２を横切る点に対応
する端点Ｄ8 の３次元位置を求める。

【００４９】４．輝線Ｌ４が稜線Ｈ２を横切る点に対応
する端点Ｄ11の３次元位置を求める。

【００５０】５．端点Ｄ2 とＤ5 の位置から稜線Ｈ１が
表わす直線を求める。６．端点Ｄ8 とＤ11の位置から稜線Ｈ２が表わす直線を
求める。７．両者の交点として原点ＯA の３次元位置を求める。８．端点Ｄ5 からＤ2 に向かうベクトル＜ｐ＞で治具座
標系Ａ（Ａ’）のＸA軸の方向を定める。９．端点Ｄ8 からＤ11に向かうベクトル＜ｑ＞で治具座
標系Ａ（Ａ’）のＹA軸の方向を定める。１０．＜ｒ＞＝＜ｐ＞×＜ｑ＞で治具座標系Ａ（Ａ’）
のＺA 軸の方向を定める。

【００５１】なお、端点Ｄ1 ，Ｄ4 ，Ｄ7 ，Ｄ10，Ｄ3
，Ｄ6 ，Ｄ9 ，Ｄ12等の端点のデータを加えて平坦面
４３〜４５の方向を求め、各座標軸の方向を定めても良
い。図９は、上記説明した実施形態においてロボット制
御装置５で実行される処理の概要をまとめて記したフロ
ーチャートで、各ステップＭ１〜Ｍの要点は次の通りで
ある。なお、３次元視覚センサのキャリブレーション、
作業に適したツール座標系Ｂ（図６参照）の設定等の準
備作業は完了済みとする。また、治具４は図７あるいは
図８に示したものが、ハンド３に既に装着または固設さ
れているものとする。

【００５２】［Ｍ１］ロボットＲＢを治具座標系検出ロ
ボット位置（図５参照）へ移動させる。治具座標系検出
ロボット位置が未教示であればこれを不揮発性メモリ５
４に記憶する。但し、治具座標系検出ロボット位置の記
憶は、ステップＭ２の後で実行しても良い。［Ｍ２］３次元視覚センサを起動させ、手順１（図７の
治具使用の場合）または手順２（図８の治具使用の場
合）に従った処理を行い、治具座標系Ａの位置・姿勢を
検出して不揮発性メモリ５４に記憶する（前出の同次変
換行列 ^SＴ_A を表わすデータまたは ^RＴ_A を表わすデー
タで記憶）。［Ｍ３］治具座標系再検出機会が到来したならば、ロボ
ットＲＢを治具座標系検出ロボット位置（図５参照）へ
移動させる。治具座標系再検出機会は、例えば力センサ
２の破損等によって、力センサ２（交換品）とハンド３
（非交換品）を取り付け直した時に到来する。また、力
センサ２の破損等が無くとも、メンテナンスのためのツ
ール座標系設定状態チェック時に治具座標系再検出機会
をもたせても良い。

【００５３】［Ｍ４］３次元視覚センサを起動させ、手
順１（図７の治具使用の場合）または手順２（図８の治
具使用の場合）に従った処理を行い、治具座標系Ａ’の
位置・姿勢を検出して不揮発性メモリ５４に記憶する
（（前出の同次変換行列 ^SＴ_A'を表わすデータまたは ^R
Ｔ_A'を表わすデータで記憶）。［Ｍ５］前述した（８）式の計算を行なって ^FＴ_B'を求
め、ツール座標系の設定データを更新する。これによっ
て、ツール座標系Ｂ’の補正設定が完了する。

【００５４】以上、本実施形態では３次元視覚センサと
して他の型のものを採用しても良い。例えば、ストラク
チャライトユニットＳＵの投光部に、スポット光投光走
査型の投光部を装備したものを用いることも出来る。そ
の場合、ストラクチャライトによって治具座標系表現手
段上に形成される輝線は、連続または断続（輝点の列）
のスポット光軌跡となる。

【００５５】また、治具に具備される治具座標系表現手
段も、上述した２例に限るものではない。例えば、治具
座標系の原点位置と座標軸の方向を表現する数個のドッ
トを記したマークを描いた治具を用い、これを２台のカ
メラで撮影し、治具座標系の位置・姿勢を定めるように
しても良い。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、エンドエフェクタの形
状やツール先端点の設定位置に左右されずに、簡単な作
業で安定した補正精度を以てツール座標系を補正設定す
ることが出来る。例えば、ハンドの爪の間など、エンド
エフェクタの構成部材上にない位置にツール座標系の原
点が設定されるケースであっても、ツール座標系の補正
設定に全く支障がない。また、３次元視覚センサによる
治具座標系の位置・姿勢の検出に適合した治具座標系表
現手段を具備したエンドエフェクタを利用することで、
本方法がより円滑に実行することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】エンドエフェクタの位置・姿勢ずれを補償する
ように、ツール座標系を補正設定（再設定）するための
従来技術について説明する図である。

【図２】本発明に係るツール座標系補正設定方法の概要
を説明する概念図である。

【図３】本発明の方法を実施する際に使用可能なシステ
ムの制御部を構成するロボット制御装置並びに関連接続
関係を説明する要部ブロック図である。

【図４】（ａ）ストラクチャライトユニットの要部構造
と、（ｂ）ストラクチャライトの形成方法を例示した模
式図である。

【図５】本発明の方法を実施する際の全体配置の概要を
説明する模式図である。

【図６】本実施形態で採用される治具４の治具座標系表
現形態の一例を説明するために、ロボット手先部１の周
辺部を拡大描示し、治具座標系とツール座標系の関係を
併記した見取り図である。

【図７】図６中に示された治具４のみを拡大抽出し、ス
リット光による輝線の形成状況を併記したものである。

【図８】本実施形態で採用される治具４の治具座標系表
現形態の別の例を説明する図である。

【図９】実施形態においてロボット制御装置５で実行さ
れる処理の概要をまとめて記したフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１ロボットの手先部２力センサ（アダプタ）３ハンド（エンドエフェクタ）４治具５ロボット制御装置（画像処理装置内蔵型）１１投光窓１２レーザ発振器１３円柱レンズ１４ガルバノメータ１５，Ｌ１〜Ｌ６輝線１６被計測対象物２０ＣＣＤカメラ２１撮影窓３１ハンドの爪４１平坦面領域（長方形帯状）４１ａ，４１ｂ，Ｈ１〜Ｈ３稜線４２凹部４３〜４５互いに直交する平坦面領域（三角錐状）５１中央演算処理装置（ＣＰＵ）５２ＲＯＭメモリ５３ＲＡＭメモリ５４不揮発性メモリ５５教示操作盤５６デジタルサーボ回路５７サーボアンプ５８バス６１ストラクチャライトユニット用インターフェイス６２画像処理プロセッサ６３モニタインターフェイス６４フレームメモリ６５プログラムメモリ６６データメモリ６７汎用インターフェイス１５１，１５２，Ｃ1 〜Ｃ8 ，Ｄ1 〜Ｄ12 輝線の端点Ａ治具座標系（初期状態）Ａ’ 治具座標系（位置・姿勢ずれ発生後）Ｂツール座標系（初期状態）Ｂ’ ツール座標系（位置・姿勢ずれ発生後）Ｆフェイスプレート代表点（フェイスプレート座標系
原点）ＭＯモニタディスプレイＯA 治具座標系の原点Ｒロボット座標系ＲＢロボットＲＢ１〜ＲＢ３ロボット姿勢Ｓセンサ座標系ＳＬスリット光ＳＵストラクチャライトユニットＴＢテーブルＷ１，Ｗ２ワーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボット手先部に支持されたエンドエフ
ェクタにツール座標系を設定するとともに、前記ツール
座標系と固定的な位置・姿勢関係にある治具座標系の原
点位置と座標軸の方向を３次元視覚センサによる認識が
可能な形態で表現する治具座標系表現手段を具備する治
具を設け、前記ロボットの周辺に前記３次元視覚センサを配置し、
前記ロボットのツール座標系を補正設定する方法であっ
て、（ａ）前記ロボット手先部に対する前記エンドエフェク
タの位置・姿勢が、前記ツール座標系の設定時のそれか
ら変化していない初期状態において、前記ロボットを前
記３次元視覚センサによる前記治具座標系の位置・姿勢
の検出が可能な治具座標系検出ロボット位置に位置決め
する段階と、（ｂ）前記３次元視覚センサを用いて前記治具座標系の
位置・姿勢を検出する段階と、（ｃ）前記ロボット手先部に対する前記エンドエフェク
タの位置・姿勢が、前記ツール座標系の設定時のそれか
ら変化している可能性が生じた治具座標系再検出機会の
到来時に、前記ロボットを前記治具座標系検出ロボット
位置に位置決めする段階と、（ｄ）前記３次元視覚センサを用いて前記治具座標系の
位置・姿勢を検出する段階と、（ｅ）前記（ｂ）の段階及び（ｄ）の段階で求められた
前記治具座標系の位置・姿勢に基づいて、前記設定され
ていたツール座標系を再設定する段階を含む、前記ロボットのツール座標系補正設定方法。
【請求項２】前記エンドエフェクタが、アダプタを介
して前記ロボット手先部に支持されている、請求項１に
記載されたロボットのツール座標系補正設定方法。
【請求項３】前記アダプタが力センサである、請求項
１または請求項２に記載されたロボットのツール座標系
を補正設定する方法。
【請求項４】前記エンドエフェクタがハンドである、
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載されたロボッ
トのツール座標系補正設定方法。
【請求項５】前記３次元視覚センサが、スリット光投
光手段と撮影手段と画像処理手段を備えている、請求項
１〜請求項４のいずれか１項に記載されたロボットのツ
ール座標系補正設定方法。
【請求項６】前記治具座標系表現手段が、前記治具座
標系の原点位置と座標軸の方向を表現する平坦面と稜線
を備えている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記
載されたロボットのツール座標系補正設定方法。
【請求項７】ロボット手先部に支持されたエンドエフ
ェクタにツール座標系を設定するとともに、前記ツール
座標系と固定的な位置・姿勢関係にある治具座標系の位
置・姿勢の変化を前記ロボットの周辺に配置された３次
元視覚センサを用いて検出し、前記ツール座標系を補正
設定する方法に使用される前記エンドエフェクタであっ
て、前記ツール座標系と固定的な位置・姿勢関係にある治具
座標系の原点位置と座標軸の方向を３次元視覚センサに
よる認識が可能な形態で表現する治具座標系表現手段を
備えた前記エンドエフェクタ。
【請求項８】前記治具座標系表現手段が、前記治具座
標系の原点位置と座標軸の方向を表現する平坦面と稜線
を備えている、請求項７に記載されたエンドエフェク
タ。
【請求項９】ロボット手先部に支持されたハンドにツ
ール座標系を設定するとともに、前記ツール座標系と固
定的な位置・姿勢関係にある治具座標系の位置・姿勢の
変化を前記ロボットの周辺に配置された３次元視覚セン
サを用いて検出し、前記ツール座標系を補正設定する方
法に使用される前記ハンドであって、前記ツール座標系と固定的な位置・姿勢関係にある治具
座標系の原点位置と座標軸の方向を３次元視覚センサに
よる認識が可能な形態で表現する治具座標系表現手段を
備えた前記ハンド。
【請求項１０】前記治具座標系表現手段が、前記治具
座標系の原点位置と座標軸の方向を表現する平坦面と稜
線を備えている、請求項７に記載されたハンド。