JPH11502471A - 多軸工業ロボットの較正の装置と方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数個の回転軸Ａ１〜Ａ６を有する工業ロボットの較正装置が、ロボットにより担持された較正器具４１と、位置が知られた基準点（ｘ_0.ｙ₀，ｚ₀）に回転可能に接続される計測装置１０、３０、７７とを有する。計測装置は、較正手順の間、較正器具に接触させるための手段５５と、計測装置の所定の基準軸と重力ベクトルとの間の角度を計測するための重力センサー３４とを有している。前記工業ロボットの較正方法において、ロボットの多くの誤差パラメータが、ロボットを、較正器具と計測装置とが互いに接触する少なくとも２個の違った状態へ動かすことにより決められる。重力センサーの出力信号が上記違った状態において読み取られ、読み取られた出力信号に基づいて誤差パラメータが計算される。

Description

【発明の詳細な説明】 多軸工業ロボットの較正の装置と方法 技術分野 本発明は工業ロボットの較正方法に関する。 本発明はまた、上記ロボットの較正装置に関する。 背景技術 工業ロボットとは、剛固なリンクの連鎖と見ることが出来よう。２個のリンク は、互いに対し回転軸線回りに回転可能に、または互いに対し直線経路に沿って 変位可能に連結されている。工業ロボットは通常６個の回転軸線を有する。連鎖 内の最後のリンクは、適用分野に応じて、把持具、接着器具、溶接器具等の器具 から成る。以下、ロボット内のリンクを腕と称し、リンクの長さを腕長と称する 。 上記の回転軸線または直線経路のいずれに対してもそれぞれ、駆動モータと位 置変換器とを備えたサーボ機器が設けられ、該変換器は、基準位置に対する実際 の軸の回転角を示す信号を伝送する。各軸のサーボ装置は、該軸の回転角または 直線状の動きに対する基準値を与えられ、軸の駆動モータが、ロボットを、該軸 の位置変換器が示す軸位置がサーボ装置に与えられた基準値に対応するまで移動 させる。器具の位置と姿勢とを所望の値に対応させるためには、ロボットの機械 的構造と、それを記述する運動学的パラメータと呼ばれるパラメータとが高い精 度で知られねばならぬ。運動学的パラメータはロボット毎に正確に同じではない ので、高い精度を得ようとすれば、理想ロボットからの個々の偏差、すなわち、 ロボットの運動学的誤差パラメータが知られていなければならない。 運動学的誤差パラメータの例は、腕長誤差と呼ばれる腕の長さの変動、いわゆ る軸姿勢誤差と呼ばれる回転軸相互の間の傾斜、軸オフセット誤差と呼ばれる軸 相互間の横方向の変位等である。これら偏差は、種々の機械部品の製作、組立て の際に生じる。さらに、軸の位置変換器が示す角度が、高い精度で、問題の軸に より制御される腕の実際の回転角に対応しなければならぬと言う事実、いわゆる 同期誤差を加えるべきである。 個々のロボットの理想ロボットからの偏差を決めるために、種々の形態の較正 方法が使用されている。非常に多数の較正方法が知られている。これら方法のい くつかに伴う欠点は、完全な較正を、すなわち、ロボットの全ての軸に対する腕 長誤差、軸姿勢誤差、軸オフセット誤差、同期誤差、伝送誤差、変形誤差等の全 てを決めようとしていないことである。完全な較正を行おうとする既知の方法の 欠点は、例えばセオドライト（ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ）のような高価な精巧な較 正装置を必要とすることである。 発明の概要 本発明の目的は、 − ６軸ロボットの全ての軸と、器具の搭載と、ロボット足の搭載とに対する 較正を行い、 − 腕長誤差、軸姿勢誤差、軸オフセット誤差、同期誤差、伝送誤差に対する 較正を行い、 − 高価な機器を必要とせず、 − 高い精度を有し、 − 例えば自動車の製造ラインのような活動的使用条件下において使用可能で あり、 − ロボット担持器具を取り外すことなく使用可能であり、 − 例えばロボットの最終検査において、完全自動較正が可能であり、 − ロボット位置の複雑な調整を要せず較正が迅速に行われる、 較正方法を提供することである。 本発明はまた、上記較正方法に使用される較正装置にして、 − 価格が安く、 − 作業場環境に耐えるに充分なだけ頑丈であり、 − 持ち運び可能で、従って、輸送容易であり、 − 較正される必要のない、 装置を提供することである。 本発明の方法と装置との特徴は添付の請求の範囲から明らかになろう。 ロボットの状態は、ロボットの回転軸の角度により画定され、少なくとも軸角 度のいくつかが変化すれば、ロボットの状態は互いに区別され得る。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の方法により較正され得る工業ロボットの概要を示す。 図２は、ロボットの他の座標システムを示す。 図３は、活動的使用状態で使用されるのに適した本発明の計測装置の簡単な実 施例の概略を示す。 図４ａ、図４ｂは、回転軸が如何にして重力センサーを用いて高い精度で決め られるかの原理を示す。 図５ａ〜図５ｄは、自動較正方法に使用するに適した本発明の計測装置の実施 例の概略を示す。図５ｂは図５ａのＡ−Ａ断面を示す。 図５ｅは、本発明の較正器具の実施例を示す。 図６ａ、図６ｂは基準点へ接続する手段の他の実施例を示す。 図７ａは、較正方法を実行する間、ロボットに接触する部材の実施例を示す。 図７ｂは、本発明の較正器具の他の実施例を示す。 図８、図８ａ、図８ｂは、光学計測システムを有する本発明の計測装置の実施 例を示す。図８は計測装置を示し、図８ａ、図８ｂは、光学計測のための較正器 具の他の位置と他の実施例を示す。 図８ｃは、非接触、非光学センサーを用いた計測装置の実施例を示す。 図９は、軸Ａ５の同期誤差と、軸Ａ４に対する軸Ａ６の姿勢誤差、オフセット 誤差とを計測するために、計測装置と較正器具とが如何に配置されるかを示す。 図１０ａは、較正器具のｙ方向の姿勢誤差が如何にして計算されるかを示す。 図１０ｂは、軸Ａ６のｙ方向の姿勢誤差が如何にして計算されるかを示す。 図１０ｃは、軸Ａ５の同期誤差が如何にして計算されるかを示す。 図１０ｄは、軸Ａ６の軸Ａ４に対するｚ方向のオフセット誤差が如何にして計 算されるかを示す。 図１１ａ、図１１ｂは、軸Ａ１の重力方向に対する姿勢誤差と、軸Ａ３−Ａ６ の同期誤差とを計測するための計測配置を示す。 図１２ａ、図１２ｂは、軸Ａ１の作業場床に対する姿勢誤差、オフセット誤差 と、軸Ａ１、Ａ２、Ａ３の同期誤差とを計測するための計測配置を示す。 図１３、図１４は、軸Ａ３の姿勢誤差を計測するための計測配置を示す。 図１５は、軸Ａ２の姿勢誤差を計測するための計測配置を示す。 図１６は、腕長誤差を計測するための計測配置を示す。 好適実施例の説明 図１は、本発明の方法、装置を用いて有利に較正される既知の工業ロボットの １例を示す。基礎１上にロボット足２が取り付けられている。ロボットは、足２ に対し垂直軸Ａ１回りに回転可能な第１腕３を有する。第１腕の上端に第２ロボ ット腕４が軸支され、第１腕に対し第２軸Ａ２回りに回転可能である。第２腕の 外端に第３腕５が軸支され、第２腕に対し軸Ａ３回りに回転可能である。第３ロ ボット腕５は２個の部分５ａ、５ｂを有し、外側部分５ｂは内側部分５ｂに対し 、腕の長手方向軸と一致した回転軸線Ａ４回りに回転可能である。第３腕は外端 において、第３腕の長手方向軸に垂直な回転軸Ａ５回りに回転可能な第４腕６を 支持している。第４腕の外側部分は、第４腕の内側部分に対し回転軸Ａ６回りに 回転可能な器具取付部６ａから成る。６個の回転軸Ａ１．．．Ａ６の回転角が図 においてθ₁．．．θ₆として示されている。器具取付部に較正器具７が取り付け られている。第４腕と器具取付部とはロボットの手と呼ばれる。 図２は、図１の６軸ロボットの運動学と関連座標システムとを簡単なスケッチ として示す。ロボットはＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌ₄と符号した４個の現在腕長を有し、 これは、ΔＬ₁、ΔＬ₂、ΔＬ₃、ΔＬ₄と符号した４個の腕長誤差が存在すること を意味する。公称腕長はＬ₁ ^NOM、Ｌ₂ ^NOM、Ｌ₃ ^NOM、Ｌ₄ ^NOMと符号されている。現 在腕長は公称腕長と腕長誤差との和である。第１腕長Ｌ₁は、いわゆる基礎座標 システム（下記参照）の座標原点と軸Ａ２との間の距離である。第２腕長Ｌ₂は 軸Ａ２と軸Ａ３との間の距離である。第３腕長Ｌ₃は軸Ａ３と軸Ａ５との間の距 離である。第４腕長Ｌ₄は軸Ａ５と器具取付部６ａとの間の距離である。 ロボット足は、ｚ₁軸が回転軸Ａ１と一致し、ｘ₁軸がロボットの足に対し所定 の方向（通常は真っ直ぐ前方に向かう）にある直交座標システムである基礎座標 システム（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）を有している。軸Ａ１は同期誤差Δθ１と、２個の オフセット誤差０１_x1, ０１_y1と、２個の姿勢誤差φ１_x1, φ１_y1とを有す る。軸Ａ２は、基礎座標システムのｙ₁軸に平行であり、同期誤差Δθ２と、２ 個の姿勢誤差φ２_x1,φ２_z1とを有する。姿勢誤差φ２_x1、φ２_z1は、軸Ａ２が それぞれｘ₁、ｚ₁方向において有する方向誤差として定義される。姿勢誤差φ２_y1 は同期誤差Δθ２と同じ誤差である。 軸Ａ１と軸Ａ２との交点が、第２座標システム（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）の座標原点 を構成する。第２座標システムのｚ₂軸は第２ロボット腕に平行であり、ｙ₂軸は 軸Ａ２に一致している。軸Ａ３は同期誤差Δθ３と、２個の姿勢誤差φ３_x2,φ ３_z2とを有している。軸Ａ３はｘ₂方向におけるオフセット誤差を有するが、こ れは、軸Ａ２の同期誤差であるΔθ２の一部である。 軸Ａ３と軸Ａ４との交点が、第３座標システム（ｘ₃，ｙ₃，ｚ₃）の座標原点 を構成する。第３座標システムのｘ₃軸は軸Ａ４と一致し、ｙ₃軸は軸Ａ３と一致 している。軸Ａ４は同期誤差Δθ４、軸Ａ１、Ａ３それぞれに対する２個のオフ セット誤差Ｏ４_Y1、０４_z3、および、２個の姿勢誤差φ４_x3,φ４_z3とを有する 。軸Ａ５は同期誤差Δθ５と、２個の姿勢誤差φ５_x3,φ５_z3とを有する。軸Ａ ５はｚ₃方向におけるオフセット誤差を有するが、これは、軸Ａ３の同期誤差で あるΔθ３の一部である。 第５座標システム（ｘ₅，ｙ₅，ｚ₅）の座標原点は、軸Ａ５と軸Ａ６との交点 から成る。第３座標システムのｘ₅軸が軸Ａ６と一致し、ｙ₅軸が軸Ａ５と一致し ている。軸Ａ６は、同期誤差Δθ６、２個のオフセット誤差Ｏ６_Y5、Ｏ６_Z5、お よび、２個の姿勢誤差φ６_y5、φ６_z5を有する。姿勢誤差φ６_z5は同期誤差Δθ ５の一部である。パラメータは全て、図２のロボットが、いわゆる同期位置、す なわち、第２腕が垂直で、第３、第４腕が水平である場合について画定されてい る。 図３は本発明の較正装置の簡単な実施例を示す。較正装置は計測棒１１を含む 計測装置１０を有し、計測棒１１の一端は、ロボット足、または、ロボット足を 取り付ける床または装置１４内の第１精密孔１３において、基準点（ｘ₀，ｙ₀， ｚ₀）に接続するための先端１２として形成されている。計測棒の他端は、ロボ ット腕またはロボット担持較正器具１７内に配置された第２精密孔１６において 、ロボット上の所定計測点（ｘ_r，ｙ_r，ｚ_r）に接続するための弾力性計測先端 １５を有している。弾力性計測先端は代わりに、ｚ方向の距離を計測する位置セ ンサーを有してもよい。計測棒１１は基準点（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）と計測点（ｘ_r， ｙ_r，ｚ_r）と交わる回転軸線を有している。計測装置１０はさらに、計測探査針 １１から探査針にほぼ垂直に張り出したセンサー棚１９上に配置された重力セン サー１８を有している。重力センサーは重力ベクトルと、基準点（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀ ）と計測点（ｘ_r，ｙ_r，ｚ_r）とに交わる基準軸線２０との間の角度を計測する 。重力センサーは、例えば、電子スピリットレベル（ｓｐｉｒｉｔ ｌｅｖｅｌ ）である。 図４ａ、図４ｂは、如何にして回転軸線２１が、重力センサーを用いて精度高 く決められるかの原理を示す。決めらるべき角度αは、重力方向２３に対する回 転軸線の平均方向２２の角度である。このことは、図４ａの回転軸線２１が方向 α−ξ／２を有すること、（ここで、ξ／２は、センサーが回転軸回りに回転す るときのスピン振幅である）、および、図４ｂの回転軸線２１が方向α＋ξ／２ を有することを意味している。重力センサー１８は、オフセット誤差∂と搭載誤 差βとを有して、重カセンサーの軸線２５、すなわち、その零方向が回転軸線２ １にほぼ平行になるように取り付けられる。角度は重力ベクトルに対し正時計方 向の角度を有して示されている。センサーの偏向２４の角度は、なかんずく、オ フセット誤差∂と搭載誤差βとに依存する。図４ａのセンサーの出力信号は偏向 ２４の方向と零方向２５との間の差により与えられる： Ｕ_S1＝Ｋ_S（−α＋ξ／２−β−∂） （１） Ｋ_S：センサー感度 図４ｂにおいて、センサーは回転軸線２２の回りに１８０°回転されている。 センサーの出力信号は： Ｕ_S2＝Ｋ_S（α＋ξ／２−β−∂） （２） （Ｕ_S2−Ｕ_S1）／２＝Ｋ_S・α （３） かくて、２個の計測におけるセンサーの偏向の間の差は、重力方向に対する回 転軸線の平均方向αに比例している。かくて、センサーの搭載誤差βも、オフセ ット誤差∂も計測結果に影響を与えず、従って、センサーは簡単に搭載され、全 く較正なしで使用され得る。さらに、回転軸のスピンを生じさせる中心誤差ξも 補償されよう。 図３の計測装置は、例えば、計測点（ｘ_r，ｙ_r，ｚ_r）の座標を決めるのに使 用されよう。計測装置は２個の精密孔１３、１６に接続され、ついで、１／４回 転を３回実施され、その際、重力センサーが角度０，π／２，π，３π／２にお いて読み取られる。対応するセンサーの偏向はＵ_S０，Ｕ_Sπ／２，Ｕ_Sπ，Ｕ_S３ π／２であり、これら値を用いて、ｘ、ｙ方向における計測棒傾斜が次式により 計算される： α_x＝（Ｕ_S０−Ｕ_Sπ）２Ｋ_S （４） α_y＝（Ｕ_Sπ／２−Ｕ_S３π／２）／２Ｋ_S （５） 計測探査針の長さをＬ_Sとすると、計測点（ｘ_r，ｙ_r）の座標は次式により計 算される： ｘ_r＝ｘ₀＋Ｌ_S．ｓｉｎ（αｘ） （６） ｙ_r＝ｙ₀＋Ｌ_S．ｓｉｎ（αｙ） （７） 計測装置のこの簡単な実施例は、活動的使用状況において較正されるのに適し ている、この際、計測装置は手動により、または、それを回転駆動するロボット の軸Ａ６により回転される。図３の計測装置を自動較正方法において使用し得る ように、センサーを４個の違った角度回転させるため簡単なモータが使用される 。また、ロボットは計測探査針を解放し、計測装置に沿った他のｚ座標における 位置、ロボットの他の計測点に対する位置を計測し得ることが必要である。 図５ａは、個々の計測装置３０が、自動較正に適した関連較正器具４１と共に 如何に設計されるかを示す。図５ｂは、図５ａのＡ−Ａ断面として計測装置と較 正器具とを示す。計測装置３０は、円筒形計測棒３１を有し、その一端は、ロボ ット足または作業場床４０内の基準点（ｘ_0,ｙ_0,ｚ₀）に接続する点３２として 設計され、その他端は、基準点までのｚ方向の距離を計測する位置センサー３３ を有している。基準点に接続された計測棒端部に、円盤状の平衡錘３８が計測棒 を平衡させるため配置されている。計測装置に垂直休止位置を与えるため、多数 のスプリング４３a、４３ｂが平衡錘と基礎４０との間に取り付けられている。 角度α_xmaxがα_xの作動範囲の限界を決めている。 計測装置３０はさらに重力センサー３４と、重力センサーを軸３６回りに回転 させる、例えばステップモータのようなモータ３５ａと、モータ３５ａに対する 釣り合い錘３５ｂとを有する。重力センサーの回転軸３６は、計測棒を回転する ことにより、計測棒の回転軸３７に対して計測される。回転は１回転だけで充分 である。重力センサー３４、モータ３５ａ、釣り合い錘３５ｂは平衡錘３８上に 配置される。ｘ軸方向を決めるために、案内ピン３９がロボット足内、または、 作業場床４０上に配置される。較正方法を実行する際、ロボットは較正器具４１ を介して計測棒と接触している。 図５ｃは側方から見た較正器具を示す。較正器具は、２個の円筒形分岐４６ａ 、４６ｂが棒４１に垂直に配置された円筒形棒４１を有する。２個の分岐は、計 測装置３０を用いて、２個の違った位置、ＰＯＳ−ＡとＰＯＳ−Ｂとにおける計 測を可能にする。計測装置３０は、較正器具上に配置された溝保持具４８上に鉤 止めされるフック４７を有している。計測装置を較正器具に鉤止めすることによ り、計測装置は精密孔１３から外れて持ち上げられ得る。計測装置は、計測装置 を種種の精密孔の間に動かすとき、また、ロボットの軸の方向を計測するとき、 持ち上げられることが必要となろう。 較正器具上の基準点（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）と計測点（ｘ_r，ｙ_r，ｚ_r）との間の距 離Ｌ_Sが知れておれば（図５ａ）、計測点のｘ_r、ｙ_rは次の方法により決められ る： − 計測装置と較正器具とを互いに接触するように動かす、 − 重力センサーを３回と１／４回転させ、角度０，π／２，π，３π／２に おいて読み取る。対応するセンサーの偏向はＵ_S０，Ｕ_Sπ／２，Ｕ_Sπ，Ｕ_S３π ／２である、 − 式４、５に従って、計測棒のｘ、ｙ方向の傾斜（α_x，α_y）を計算する、 − 式６、７に従って、計測点の座標（ｘ_r，ｙ_r）を計算する。 ２個の違った計測の間の計測点位置の差は、小角度差Δα_x，Δα_yにおいて得 られる： Δｘ_m＝Ｌ_S．Δα_x Δｙ_m＝Ｌ_S．Δα_y Δｘ_m： 計測棒のｘ方向の動き（図５ｄ） Δｙ_m： 計測棒のｙ方向の動き 較正装置のこの実施例は、１順の間に、回転軸Ａ１〜Ａ６を同期誤差に関して 自動的に較正し、ロボットの大半の運動学的誤差パラメータ計測するために直接 使用することが出来る。 １個の回転重力センサーを使用する代わりに、２個の重力センサーを互いに垂 直に配置してもよい。これらは計測棒を回転させることにより較正される。１個 の回転する重力センサーを使うか、２個の垂直重力センサーを使用するかは、セ ンサーの価格と、オフセット誤差∂の長期安定性とにより決まる。 計測棒と較正器具との間に信頼性のある接触を得るために、較正器具に磁石、 好適には電磁石が取り付けられる。図５ｅは、２個の磁石４５ａ，４５ｂを備え た較正器具４４を示す。 図６ａ，図６ｂは基準点（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）への接続手段の他の実施例を示す 。図６ａは作業場床１４内の円錐形の精密孔５１内に挿入された球５０の形態の 接続手段を示す。点と比較して球を用いる利点は、球の方が計測装置に一層大き い作動範囲を与えることである。図６ｂの計測装置は、計測装置を平衡させるた めに、平衡錘と平衡スプリングの代わりに２個の支持脚５２ａ，５２ｂを備えて いる。各支持脚の端部は、それぞれの床の円錐孔に挿入される球体になっている 。 図７ａは、較正手順中ロボットと接触する手段の実施例を示し、該手段は球５ ５として形成されており、以下これを計測球と呼ぶ。較正手順中、計測球はロボ ットまたは較正器具５７内の円錐形孔５６と接触している。ｚ方向の距離計測の ため、位置センサー５８が計測球の下方に配置されている。図７ｂは、計測球５ ５と組み合わせて使用される較正器具５７の例を示す。較正器具は、複数個の円 錐孔５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄを互いに隔置して配置された棒５８を有す る。 ロボットの運動学的誤差パラメータを決める際に必要な計測の数を減少させる ため、較正器具は重力センサー５９を備えてよく、その際、ｘｚ−平面における 器具の作動点（ＴＣＰ）と傾斜とが共に高い精度で計測されよう。 計測装置が関連位置センサーを備えた１個以上の計測球を有する場合は、ロボ ットの誤差パラメータを計測するために大きい作動範囲が得られる。 計測装置を入れ子式に設計し、例えばレゾルバー装置を用いて入れ子の圧縮を 計測することにすれば、ｚ方向の計測範囲が非常に拡大される。 計測装置が光源を備え、ロボット支持の器具が光検知器を備えるか、この逆の 態様の光学的計測システムを有する計測装置７７を使用すれば、計測範囲は一層 拡大される。図８は、適切にはレーザーダイオードである光源６０が中空円筒形 の計測棒６１内に取り付けられた場合を示す。計測棒６１はモータ６２により回 転され、モータは、スプリングにより平衡され、案内ピン６４と作業場床の円錐 形精密孔６６内の精密球６５をもつプラットフォーム６３上に配置されている。 計測棒６１上に重力センサー６７が搭載され、モータ６２が計測棒６１回りに回 転するとき、重力センサーが、回転軸の方向６０ａを重力方向に対して計測する 。同時に、回転軸６０ａは、レーザーダイオードからの光ビームがその回りに動 く軸でもある。光ビームが側方の例えば側方光ダイオードまたは光マトリックス のような光検知器に当たると、検知器上の照射された点が、検知器表面を円経路 に沿って動く。本経路の中心は、回転軸が検知器表面と交差する点である。 図８ａ，図８ｂは、ロボット支持較正器具が、ビームスプリッタ７１からの２ 個の光ビーム７２、７３を捕捉するために、互いに垂直に置かれた２個の側方光 検知器６９、７０を備えていることを示す。較正器具が図８ａに示すように、計 測棒６１の直上に位置するときは、検知器７０がｘ，ｚ方向における器具の位置 を読み取り、検知器６９がｘｚ平面内の方位を読み取る。ビームスプリッタ７４ が計測棒６１の開口部に搭載されたときは、計測棒の回転軸に垂直な方向の計測 を行うことが可能になる。かくて、図８ｂに従えば、２個の検知器６９、７０が ｚ方向の位置を計測し、検知器７０がｘｙ平面における器具の方位を計測するた めにも使用されている。 図８ｃは、容量性または誘導性の電磁石７５が如何にして、計測棒６１の表面 に対するｘｖ平面内の計測点位置（ｘ_r，ｙ_r）を計測するかを示している。必要 ならば、円筒形表面は平面研磨表面であってもよい。計測棒に鍔７６を設けるこ とにより、センサーが、ｚ方向の計測点の位置、すなわち、ｚ_rをも計測するこ とが出来る。電磁石以外に、機械的センサーや超音波センサーも使用可能であ る。 図９は、図５ａの計測装置と較正器具とが、軸５の同期誤差Δθ５と、軸Ａ６ の軸４に対する姿勢誤差φ６_y5、オフセット誤差Ｏ６_Y5、０６_z5を計測するため に如何に配置されるかを示す。ロボットの状態は、軸Ａ４と軸Ａ６とが水平であ るように選ばれている。較正器具４１が、ロボットの器具取付部６ａに、較正器 具４１が軸Ａ６の回転平均方向を向くように搭載されている。ロボットは、較正 器具４１が計測棒３１に機械的に接触するように動かされる。計測は、較正器具 またはロボット軸Ａ２を２個の位置、ＰＯＳ−ＡとＰＯＳ−Ｂとに置いて実行さ れる。ＰＯＳ−Ａにおいては、計測棒と、器具取付部に最も近い較正器具の部分 とが接触し、ＰＯＳ−Ｂにおいては、計測棒と較正器具の外側部とが接触する。 位置Ａにおける計測棒と位置Ｂにおける計測棒との間の距離はＬ_ABである。計測 手順は次のように実行される： ａ） 較正器具（またはロボット）をＰＯＳ−Ａの位置に位置させ、軸Ａ６が １／４回転づつ３回回転され、重力センサーが軸Ａ６の角度θ６＝０，π／２， π，３π／２において読み取られる。このように、ロボットは重力センサーが読 み取られる４個の違った状態をとる。 ｂ） 較正器具をＰＯＳ−Ａの位置に置き、軸Ａ４が少なくとも１／４回転づ つ３回回転され、重力センサーが、軸Ａ４の角度θ４＝０，π／２，π，３π／ ２において読み取られる。このように、ロボットは重力センサーが読み取られる 追加の４個の違った状態をとる。 ｃ） 上記ａ項を、較正器具をＰＯＳ−Ｂの位置に置いて繰り返す。 ｄ） 上記ｂ項を、較正器具をＰＯＳ−Ｂの位置に置いて繰り返す。 上記ａ項とｃ項との読みから、較正器具の軸Ａ６に対するオフセット誤差 ＯＴ_Y,０Ｔ_Zと、姿勢誤差ＡＴ_Y,ＡＴ_Zとが、ｙ、ｘの両方向について計算される 。図１０ａは、較正器具のｙ方向の姿勢誤差が如何にして計算されるかを示す。 ｙ方向の位置Ａ、位置Ｂにおけるｙ方向の平均の動きは次式により計算される： Δｙ_mＡ＝（ｙ_mＡ（θ６＝０）−ｙ_mＡ（θ６＝π））／２ （１０） Δｙ_mＢ＝（ｙ_mＢ（θ６＝０）−ｙ_mＢ（θ６＝π））／２ （１１） ｙ_mＢ：計測がＰＯＳ−Ｂで行われるときの、計測棒のｙ方向の位置 ｙ_mＡ：計測がＰＯＳ−Ａで行われるときの、計測棒のｙ方向の位置 ＡＴ_Y＝（Δｙ_mＢ−Δｙ_mＡ）／Ｌ_AB （１２） ｂ項とｄ項との読みから、軸Ａ６の軸Ａ４に対するオフセット誤差と、軸Ａ６ の軸Ａ４に対する姿勢誤差とが計算される。図１０ｂは、軸Ａ６のｙ方向の姿勢 誤差φ６_y5が如何にして計算されるかを示す。器具の中心点ＴＣＰ（ＴｏｏｌＣ ｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ）と位置Ｂとの間の距離はＬ_TCPと符号されている。位 置Ｂにおける計測の場合の計測棒のｙ方向の動きΔｙ_mＢは次のように計算され る： Δｙ_mＢ＝（ｙ_mＢ（θ４＝０）−ｙ_mＢ（θ４＝π））／２ （１３） 軸Ａ６の軸Ａ４に対するｙ方向の姿勢誤差はφ６_y5は次の式により計算される ： φ６_y5＝Δｙ_mＢ／Ｌ_TCP （１４） 図１０ｃは軸Ａ５の同期誤差Δθ５が如何にして計算されるかを示す。軸Ａ５ の同期誤差Δθ５は、軸Ａ６のｚ方向の姿勢誤差φ６_z5と同じである。 Δｚ_mＢ＝（ｚ_mＢ（θ４＝π／２）−ｙ_mＢ（θ４＝３π／２））／２ （１５） Δθ５＝φ６_z5＝Δｚ_mＢ／Ｌ_TCP （１６） 図１０ｄは、軸Ａ６の軸Ａ４に対するｚ方向のオフセット誤差Ｏ６_Z5が如何に して計算されるかを示す。次の関係が設定される： φ６_z5＝（Δｚ_mＡ−Ｏ６_z5）／（Ｌ_TCP−Ｌ_AB） ＝（Δｚ_mＢ−Ｏ６_z5）／Ｌ_TCP （１７） 本式からオフセット誤差０６_z5が解かれる： ０６_z5＝Δｚ_mＡ．Ｌ_TCP／Ｌ_AB−Δｚ_mＢ（Ｌ_TCP−Ｌ_AB）／Ｌ_AB （１８） 上記計算において、較正器具の誤差は既に相殺されている。同じ原理が、軸Ａ １と軸Ａ４との間のオフセット誤差を計測するのにも使用されよう。 図１１ａ、図１１ｂは、軸Ａ１の重力方向に対する姿勢誤差φ１_x1，φ１_y1が 如何にして計測されるかを示す。φ１_x1＝α_x、φ１_y1＝α_y（図４ａ，図４ｂ参 照）であり、式４、５に従って計算される。本実施例においては、較正器具上 の保持器４８を横切って置かれた鉤４７を用いて、ロボットが計測棒３１を保持 している。較正器具に固定された計測装置は作業場床のある程度上方に吊り下げ られている。図１１ｂは、図１１ａを上方から見た簡単なスケッチである。ロボ ットは４個の違った状態（図１１ｂのＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）へと動かされ、そこで重 力センサーが読み取られる。４個の状態は軸Ａ１の角度が違うだけである。この ようにして重力センサーから得られた計測値が次に、軸Ａ１の重力方向に対する 姿勢誤差を提供する。位置Ａ、Ｂにおける計測値がφ１_x1を与え、位置Ｂ、Ｄに おける計測値がφ１_y1を与える。同じ原理が、軸Ａ３〜Ａ６の同期誤差を決める のにも使用される。 図１２ａにおいて、計測棒３１が孔１３内に置かれ、較正器具内の孔５６が、 位置センサー３３に取り付けられた計測球５５を横切って位置されている。所与 のロボット状態、すなわち、回転軸Ａ１〜Ａ６の所与の角度に対して、計測点の 位置（ｘ_r，ｙ_r，ｚ_r）が決められる。ｚ方向においては、位置センサー３３を 用いて位置が決められる。ｘ、ｙ方向においては、重力センサー３４から読み取 られた出力信号を使用した式４、５、６、７を用いて位置が計算される。軸Ａ１ の作業場床に対する姿勢誤差、オフセット誤差が望まれるときは、別々の基準点 （ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）、（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）、（ｘ₂，ｙ₂，ｚ₂）をもつ３個の精密 孔１３、１３ｂ、１３ｃが図１２ｂに従って床に配置される。次いで、ロボット が計測棒３１をこれら精密孔内へ挿入し、各精密孔において、計測点位置の計測 が上記のようになされる。孔１３、１３ｂ、１３ｃ内の計測の間、ロボットは軸 Ａ２〜Ａ６に対し同じ軸回りの角度を有すべきであり、すなわち、軸Ａ１だけが 違った軸回りの角度を有している。孔１３、１３ｂ、１３ｃに対するｚ方向の計 測値の間の差から、軸Ａ１の作業場床に対するｘ、ｙ方向の姿勢誤差が計算され る。孔１３、１３ｂ、１３ｃに対するｘ，ｙ方向の位置決定から、軸Ａ１の軸Ａ １の公称位置（Ｐ１）に対するｘ方向のオフセット（０１_x1）、ｙ方向オフセッ ト（０１_y1）が計算される。 軸Ａ１、Ａ２、Ａ３の同期誤差は、図１２ａと同じ構造を用いて計測される。 孔１３は、軸Ａ１と軸Ａ２との位置センサーに対する零位置を形成するように計 測される。計測棒の長さは、軸Ａ３の位置センサーの零位置に対応する。軸Ａ１ の同期誤差Δθ１は、計測棒のｙ方向の傾斜により与えられる。軸Ａ３の同期誤 差Δθ３を、軸Ａ３の同期誤差Δθ３から直接分離するために、軸Ａ２と軸Ａ３ は計測の間、同期位置にあるべきである（第２腕４が垂直、第３腕５が水平）。 かかる場合、計測棒のｘ方向の傾斜が軸Ａ２の同期誤差を与え、センサー３４に より読み取られたｚ方向の値が軸Ａ３の同期誤差を与える。 Δθ１＝Δｙ_m／（Ｌ_TCP＋Ｌ₃） （１９） Δθ２＝Δｘ_m／Ｌ₂ （２０） Δθ３＝Δｚ_m／（Ｌ_TCP＋Ｌ₃） （１９） 軸Ａ１の重力方向（図１１）に対する方向が知られているときは、軸Ａ２、軸 Ａ３の姿勢誤差φ２_z1、φ３_z2は、それぞれ、軸Ａ２と軸Ａ１との間の角度の９ ０°からの偏差、軸Ａ３と軸Ａ１との間の角度の９０°からの偏差として決めら れる。 図１３において、軸Ａ３の姿勢誤差φ３_z2は、２個の違ったロボット状態、Ｋ ｏｎＡとＫｏｎＢ、における計測棒のｙ方向の傾斜を記録することにより計測さ れ、これら状態は、軸Ａ１、Ａ２、軸Ａ４〜Ａ６に対しては同じ軸回り角度を有 する、すなわち、軸Ａ３だけが違った軸回りの角度を有している。ｘ方向の姿勢 誤差φ３_x2を計測するには、ｘ方向における姿勢誤差が、計測棒の傾斜において 検知可能な差を生じさせるように、軸Ａ２が回転される（図１４参照）。姿勢誤 差φ３_x2は、図１４における計測と、図１３における計測との間の計測された姿 勢誤差の差から計算される。計測された姿勢誤差は重力方向に対して適合する、 従って、図１１に従って計測される軸Ａ１の重力方向に対する方向の情報を用い て、軸Ａ１の方向に対しても適合するように再計算される。 軸Ａ２のｚ方向の姿勢誤差φ２_z1は、対応する方法（図１５参照）により計測 される。計測は、２個の違ったロボット状態、ＫｏｎＥとＫｏｎＦとに対して実 行され、これら状態は軸Ａ１，Ａ３〜Ａ６に対して同じ軸回り角度を有する、す なわち、軸Ａ２だけが違った軸回り角度を有している。軸Ａ２ｘの方向の姿勢誤 差は通常、ロボットが軸Ａ１と軸Ａ２との間に大きいオフセットを有して設計さ れていない限り、軸Ａ１の同期の間に相殺される。 軸Ａ３のモータと第２ロボット腕との間の平行四辺形伝達の誤差から生じる伝 達誤差は、計測棒３１が図１１ａに従い較正器具に鉤掛けされていれば、簡単な 方法で計測される。軸Ａ２と軸Ａ３との違った角度における、計測棒のｘ方向の 傾斜がセンサー３４を用いて計測される。これら計測から、軸Ａ２と軸Ａ３との 違った角度における伝達誤差を表示する表が計算される。 図１６は、第２ロボット腕４の腕長誤差を計測し同定する方法を示す。計測は 、２個の違ったロボット状態、ＫｏｎＧとＫｏｎＨとにおいて実行される。これ ら状態は、軸Ａ４と軸Ａ６とが水平になるように選ばれている。軸Ａ２が次に、 較正器具と計測棒とが互いに接触している２個の位置へと動かされる。ＫｏｎＧ において、軸Ａ２は、第２ロボット腕が垂直になる零位置にある。ＫｏｎＨにお いて、軸Ａ２は既知の角度ψ₂を有する。両状態において、計測棒３１が回転さ れ、ｘ_mＧとｘ_mＨとが式４、６を用いて計算される。図１６から次の関係が導か れる： ｘ_mＧ＝（Ｌ₃＋Ｌ₅₄＋Ｌ_C＋Ｌ_GH） （２２） ｘ_mＨ＝（Ｌ₂ｓｉｎψ₂＋Ｌ₃＋Ｌ₄＋Ｌ_C） （２３） ｘ_mＨ＝ｘ_mＧ＝Ｌ_2.ｓｉｎψ₂−Ｌ_GH （２４） Ｌ₂＝（ｘ_mＨ−ｘ_mＧ＋Ｌ_GH）／ｓｉｎψ₂ （２５） ΔＬ₂＝Ｌ₂ ^nom−Ｌ₂ （２６） 他の腕長誤差も同じように計測され得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 複数個の回転軸（Ａ１〜Ａ６）を有し、計測装置（１０，３０，７７） を備えた工業ロボットの較正装置にして、前記計測装置が 位置が知られた基準点（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）に回転可能に接続（１２，５０）さ れ、 較正手順の間、ロボットまたはロボットにより担持された器具に接触するよう に（１５，５５）なっており、 計測装置が基準点に接続されたとき、基準点と交差する回転軸（２１，１１ａ ，３６，６０ａ）を有する較正装置において、 前記計測装置が、計測装置の回転軸にほぼ平行な軸（２５）を有して搭載され た重力センサー（１８，３４）を有し、該重力センサーが、重力ベクトルと回転 軸との間の角度を計測することを特徴とする較正装置。 ２． 請求の範囲第１項に記載の装置において、該装置がロボットにより担持 される較正器具（４１，４４，５７）を有することを特徴とする装置。 ３． 請求の範囲第２項に記載の装置において、前記較正装置（４１，４４） が互いに角度をなして置かれた２個の棒を有することを特徴とする装置。 ４． 請求の範囲第１項に記載の装置において、前記計測装置が、ロボットま たはロボットに担持された器具上の少なくとも１個の光検知器／光源（６９，７ ０）に光学的接触をする光源／光検知器（６０）を有することを特徴とする装置 。 ５． 請求の範囲第１項〜第４項の何れか１項に記載の装置において、前記計 測装置が、計測装置を較正器具に固定する取付具（８４）を有することを特徴と する装置。 ６． 請求の範囲第２項に記載の装置において、前記較正器具（５７）が重力 センサー（５９）を有していることを特徴とする装置。 ７． 複数個の回転軸（Ａ１〜Ａ６）を有する工業ロボットの較正方法におい て、 ロボットの複数個の誤差パラメータが： 一方において、ロボットまたはロボット担持の較正器具と、他方において、重 力ベクトルと計測装置の所定の基準軸との間の角度を計測する重力センサーを有 する計測装置とが、互いに接触する少なくとも２個の違った状態へとロボットを 動かす段階と、 前記違った状態において、重力センサーの出力信号を読み取る段階と、 前記読み取った出力信号に基づき誤差パラメータを計算する段階とを有し、 重力センサーの搭載誤差とオフセット誤差とを補償するために、重力センサー が基準軸の回りに、ロボットの少なくとも幾つかの状態に位置するように回転さ れ、 重力センサーの出力信号が、少なくとも２個の違った基準軸回転角度において 読み取られ、 基準軸の重力ベクトルに対する方向（α）が前記読み取られた出力信号に基づ いて計算されることを特徴とする方法。 ８． 請求の範囲第７項に記載の方法において、 ロボットが違った状態をとる前に、ロボットにより担持される計測装置と較正 器具とが互いに固定され、 前記違った状態が回転軸の一つを回転することにより得られ、その際、計測装 置が共に回転し、 回転軸の重力ベクトルに対する方向が前記読み取られた出力信号に基づいて計 算されることを特徴とする方法。 ９． 請求の範囲第７項に記載の方法において、ロボットが違った状態をとる 前に、計測装置が基準点（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）に接続されることを特徴とする方法 。 １０． 請求の範囲第９項に記載の方法において、基準点と所定の計測点（ｘ_r ，ｙ_r，ｚ_r）との間の距離（Ｌ₅）と、基準点の位置との情報を用いて、計測点 の基準点に対する位置が、読み取られた出力信号に基づいて決められることを特 徴とする方法。 １１． 請求の範囲第９項に記載の方法において、ロボットが次の状態をとる 前に、計測装置が第２基準点（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁）へ動かされ接続されることを特 徴とする方法。 １２． 請求の範囲第９項に記載の方法において、ロボットに担持された較正 器具が、較正器具に沿った違った位置においてロボットが計測測装置と接触する ように、ロボットが違った状態へ動かされることを特徴とする方法。 １３． 請求の範囲第９項または第１２項に記載の方法において、ロボットに 担持された較正器具が、計測器具に沿った違った位置において計測装置と接触す るように、ロボットが違った状態へ動かされることを特徴とする方法。