JPH11502776A - 多軸工業ロボットの較正の装置と方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 工業ロボット２〜６の較正方法。ロボットの作動範囲内にあつて較正ビーム１２を送信する手段１１と、較正ビームの中断を検出する中断検出器１３とを有する較正装置が配置されている。較正手順中、ロボット手６により支持され、既知の半径ｒを有する球７ｂが較正ビームに向かって動かされる。較正ビームの中断が検出されると、ロボット軸の位置変換器からの出力信号が読み取られ記憶される。この手順が、ロボットの違った状態に対応して、多数回繰り返される。つぎに、ロボットの較正パラメータが、ロボットの運動学的方程式と、読み取られ記憶された位置変換器の信号と、既知の半径とに基づいて計算される。

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、複数個の運動軸にして、その各軸が該軸の現在位置を示す出力信号 を伝達する位置変換器を備えた運動軸と、器具を支持するロボット手とを有する 工業ロボットの較正装置に関する。 本発明はまた、軸の現在位置を示す出力信号を伝達する位置変換器を備えた複 数個の運動軸と、器具を支持するロボット手と、プログラムに従ってロボット手 の位置と姿勢とを制御し、位置変換器から出力信号を受け取る制御システムとを 有する工業ロボットシステムに関する。 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つて 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 エンコーダ．オフセット値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。 スエーデン特許９３０３７５７から、半径が知られた球状の較正体を使用する 較正方法が知られている。既知の半径を有し、ロボット手に搭載された較正器具 が、多数の違ったロボット状態において、較正体に接触するよう動かされる。較 正器具と較正体とが互いに接触すると、位置変換器信号が読み取られ記憶される 。その後、ロボットの較正パラメータが、ロボットの運動学的方程式、軸の位置 と位置変換器信号との間の関係のモデル、既知の半径、読み取られ記憶された位 置変換器信号等に基づいて計算される。 この較正方法の不利な点は、ロボットが較正器具と接触しなければならず、較 正体の範囲が限られていることである。ロボットと較正体との間に接触が繰り返 されると、ロボット内に機械的応力が形成され、較正結果に対する信頼性を減少 させる。読みが、較正器具と較正体との間の接触を介して行われるという事実は 、読み取り位置の変動へと導き；例えば、較正体は、較正器具に接触したとき、 幾分柔軟であろう。較正体の範囲が限られていることは、ロボット状態の変化の 可能性を減少させ、較正の精度に影響を与える。 発明の概要 本発明の目的は、較正器具と外部物体との間の機械的接触を必要とせず、較正 の間、ロボットの状態を大きい自由度を有して変化させることが出来、従って、 改良された精度を有する工業ロボットの較正の方法を提供することである。 本発明はまた、上記の方法を実行する手段をもつ工業ロボットシステムを提供 することを目的とする。 本発明の方法と工業ロボットシステムとの特徴は添付の請求の範囲から明らか になろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の較正器具と較正装置とを備えた工業ロボットの概要を示す。 図２は、ロボットの基本座標システム内の垂直較正ビームを示す。 図３ａ〜図３ｃは、較正方法を実行するとき、ロボットが占める種々の状態の 例を示す。 図４は、本較正方法を実行する手段と、工業ロボットシステムとの組み合わせ を示す。 図５は、本較正方法を自動的に実行するプログラムの１例を流れ図の形態で示 す。 図６は、較正方法の結果として較正パラメータを導く計算を実行する原理を流 れ図の形態で示す。 図７は、ロボット軸に対する較正パラメータを示す。 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。第４腕と器具取付部とはロボットの 手と呼ばれる。器具取付部に較正器具７が取り付けられている。較正器具７が外 端において球形体７ａを支持し、その半径ｒは知られている。較正器具の長さｌ₁ とオフセットｌ₂とは知られている。 ロボットの制御ユニット８は、知られた態様で、プログラムと他のデータのた めに必要な記憶値を記憶する計算機機器と、種々のロボット軸を駆動するモータ の駆動装置と、必要な供給機器とを有している。制御ユニットは、プログラミン グと他のロボットサービスのためのプログラムユニット９に連結されている。 較正装置１０はロボットの作動範囲内に配置され、レーザビーム形態の較正ビ ーム１２を送信する送信器１１と、較正ビーム１２が中断された場合に、中断を 検出し出力信号を発生する中断検出器１３とを有する。較正ビームは回転軸線Ａ １に平行に配置されている。較正装置はさらに、送信器１１と中断検出器１３と を支持するスタンド１４を有する。ライン１５が、中断検出器１３からの出力信 号を制御ユニット８へ伝達するために配置されている。 図２はロボットの直交基本座標システム（ｘ，ｙ，ｚ）を示し、ｚ軸は回転軸 Ａ１と一致し、ｘ軸とｙ軸とは、ロボット足２に対して所定の方向を向いている 。球体７ａの中心は座標（ｘ_s，ｙ_s，ｚ_s）を有する。較正ビームはｚ軸に平行 である。座標ｘ₀，ｙ₀は較正ビームとｘｙ平面との交点である。これら２個の座 標は２個の未知のパラメータを構成し、較正されるべき較正パラメータの数に加 えられねばならない。 本発明の較正方法においては複数個の計測が実行される。計測の数は少なくと も未知のパラメータの数、すなわち、較正される較正パラメータの数に２を加え た数と少なくとも同じ大きさでなければならぬ。しかし、計測の数は、より大き く、好ましくは相当大きいことが有利であり、それにより、較正の精度が向上さ れる。本発明の較正方法においては、適用されるロボット状態の間の違いが大き ければ、それだけ精度が向上する傾向がある。 較正時には、較正器具がビームに向かって、中断検出器がビームの中断を検出 するまで動かされる。その時、球体７ａの中心とビーム１２との間の差が球の半 径に等しくなる。球の方程式が下記の関係を与える： （ｘ_s−ｘ₀）²＋（ｙ_s−ｙ₀）²＝ｒ² （１） 各計測の際、ロボットは先ず、手動または自動的に、較正器具が較正ビームか らある距離離れて位置する状態へと動かされる。ついで、ロボットは較正ビーム に向かって、中断検出器１３がビームが中断されたことを検出するまで動かされ る。この動きは、中断が検出されたとき中断される。ロボットの位置変換器から の出力信号が読み取られ記憶される。 計測は、ロボットの種々の状態において、較正ビーム上の種々の点において実 行される。ロボットの状態は軸回り角度により決められ、少なくとも幾つかの軸 回り角度が違っていれば、状態が変わったことにされる。図３ａ〜図３ｃは、較 正ビーム上の３個の違った点における計測の際の、３個の違ったロボット状態の 例を示す。 較正の精度は、ロボットの作動範囲内で較正ビームを種々の位置に位置させて 、較正パラメータを数回計算することにより向上される。較正パラメータは、例 えば、種々の位置に対して計算された較正パラメータの平均値として計算されよ う。 工業ロボット内の位置変換器としてはレゾルバーが通常使用され、以下、本発 明の較正方法が、このタイプの位置変換器を備えた工業ロボットに適用されたと して説明される。しかし、本発明は他のタイプの位置変換器を備えたロボットへ も適用可能である。決める必要のある較正パラメータは、ロボットの各自由度に 対して下記の通りである： − 腕リンクのオフセット座標（ＯＸ，ＯＹ，ＯＺ） − 腕リンクの回転軸の傾斜（Ｙ，Ｐ） − 回転軸の位置変換器の角度オフセット値（Ｋ２） − 較正ビームとｘｙ平面との交点の座標（ｘ₀，ｙ₀） 従って、６軸ロボットでは、決めるべきパラメータが全体で３８個ある。この ように、較正ビームに関して全体として３８個の位置決めが必要である。各位置 決め毎にロボットの位置変換器が読み取られる。 ロボットの運動学的モデル、すなわち、較正器具の位置の座標、本例では、球 の中心座標（ｘ_s，ｙ_s，ｚ_s）と、ロボットの腕角度との間の関係が下式により 表される： ｆ_x（θ）＝ｘ_s ｆ_y（θ）＝ｙ_s ｆ_z（θ）＝ｚ_s 腕角度（θ）は、位置変換器の偏向Φを用いて次式で表され得る： θ＝ｋ１Φ＋ｋ２ ここで、 − ｋ１は、腕角度と位置変換器との間の伝達ギヤ比である。（ｋ１は既知 ） − ｋ２は未知の角度オフセット値。 式１、２から （ｆ_x（θ）−ｘ₀）²＋（ｆ_y（θ）−ｙ₀）²＝ｒ² 腕角度θと、問題の位置決めの位置変換器の読み取られた値Φとを代入すれば、 上式は次のように表現される： ｇ（Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３，Ｋ２４，Ｋ２５，Ｋ２６， ＯＸ１，ＯＸ２，ＯＸ３，ＯＸ４，ＯＸ５，ＯＸ６， ＯＹ１，ＯＹ２，ＯＹ３，ＯＹ４，ＯＹ５，ＯＹ６， ＯＺ１，ＯＺ２，ＯＺ３，ＯＺ４，ＯＺ５，ＯＺ６， Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４，Ｙ５，Ｙ６， Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｘ０，Ｙ０）＝ｒ² または、短縮した態様で ｇ（ｋ２，０Ｘ，０Ｙ，０Ｚ，Ｙ，Ｐ，Ｑ０）＝ｒ² かくて、少なくとも３８個の式が形成される。 この非線型方程式システムからの未知の較正パラメータの計算は次のようにな される： 先ず、較正パラメータの予備的値がセットされる。初期角度オフセット値Ｋ２ が、ロボットをほぼ初期位置（腕角度≒０）へ運ぶことにより得られ、各軸のレ ゾルバー角度が読み取られる。また、ｘ₀，ｙ₀が推算される。他の較正パラメー タが零にセットされる（公称ロボット）。各計測ｊに対し、読み取られたレゾル バー値と、ロボットの運動学的モデルから出発して、較正器具の中心と球の中心 との間の距離が計算される。このように計算された値と、既知の距離ｒとの間の 差がε_jが形成される。これら差が全ての位置決めに対して形成されると、量 次に、量εが所定の許容値と比較される。εが許容値より大きいときは、セッ ト値が、上記非線型方程式システムを解くためのニュートン−ガウス・アルゴリ ズムに従って調整され、上記方法が、εが許容値以下になるまで繰り返される。 最後に、このように決められた較正パラメータが記憶され、運転中のロボットの 位置を修正するために使用される。 未知のパラメータを決め得るためには、計測の数が、少なくとも較正されるパ ラメータの数と同じでなければならぬ。上述の場合には、ロボットの６軸全てが 較正されるものとして、計測の最小回数、すなわち、２＋６・６＝３８が想定さ れる。しかし、違った状態において、相当より大きい回数の計測を行うことが適 切であり、それにより較正時の精度が向上される。 図４は、工業ロボットシステムと、上記の較正方法を自動的に実行する制御手 段との組み合わせを原理的に示す。ロボット２〜６は、上述した態様で較正器具 ７を備えている。図４は、制御ユニットにおいて、記憶されたプログラムをロボ ットに既知の態様で実行させるプログラム実行器２０を示している。第１記憶装 置２１内にロボットの運動学的モデルが記憶されている。第２記憶装置２２内に 較正手順の動きプログラムが記憶されている。第３記憶装置内に予備的較正パラ メータが、自動較正手順に先立って記憶されている。第４記憶装置２４は、較正 手順中の各計測において読み取られたレゾルバー値を記憶するためのものである 。第５記憶装置内には、自動較正手順に先立って、較正器具の長さｌ₁、オフセ ットｌ₂、半径ｒ等のような必要な基礎データが記憶されている。 制御装置はさらに、全ての計測が実行されたとき、読み取られたレゾルバー値 、運動学的モデル、第５記憶装置２５からの基本データ等に基づいて、上記の方 法で較正パラメータを計算する。制御装置は、必要な制御信号ＣＳをロボットに 伝達し、ロボットからレゾルバー値ＴＳを受け取る。さらに、ロボットの制御装 置は、中断検出器１３からの出力信号が較正ビームが中断されたことを示したと き、ロボットへの停止信号を発生させる部材２７を有している。 較正の前に、較正プログラムが、例えば全てに対して１度に、記憶領域２２内 に記憶される。プログラムは、ロボットの動きと、較正手順中の他の機能とを制 御する。さらに、記憶領域２３内に較正パラメータに対する予備的値を記憶し、 記憶領域２５内に較正器具の半径ｒを記憶している。較正プログラムの構造を図 ５に示す。量ｊは現在計測を示し、Ｍ回の計測の実行が想定されている。プログ ラム出発ＳＴの後、ｊ＝１がセットされる。その後、較正器具の半径ｒ（ＳＴＯ ｒ）と出発点（ブロックＳＴＯｐ_j）の座標とが装置の作動記憶装置内に記憶さ れる。この情報が、較正器具を較正ビームに到達させるために、出発点からどの 方向に動かすべきかを指示する。つぎに、ロボットが較正ビームに向かって動か される（ブロックＧＴＳ）。ブロックＣＯ？において、ビームが中断されたかど うかが検知される。答えがノーであると、動きが継続され、答えがイエスである と、レゾルバー値Φ_ijが記憶領域２４内に記憶される、ブロックＳＴＯΦ_ij（ｉ ＝軸番号）。つぎに、ブロックｊ＝Ｍ？ において、全ての所望の計測が実行さ れたかどうかが調査される。実行されていない場合には、ｊ＝ｊ＋１とセットさ れ、次の計測が実行される。全ての計測が実行され終わる、すなわち、ｊ＝Ｍに なると、プログラムは計算手順ＤＥＴｐａｒへ進み、そこで較正パラメータが決 められる。このようにして決められたパラメータは、ロボット運転中に使用され るために記憶される−ＳＴＯｐａｒ−。つぎにプログラムが完了する−ブロック ＳＰ。 図６は、機能ブロックＱＥＴｐａｒの構造をより詳細に示す。計算は較正パラ メータの現在値の読み取りから始まる、ブロックＲＥｐａｒ。第１回、これら値 が、予備的較正パラメータが記憶されている記憶領域２３から取り出される。つ ぎに、ｊ＝１にセットされる、すなわち、第１計測が選択される。較正器具の半 径ｒは作動記憶装置に記憶されている。本計測のため読み取られ記憶されたレゾ ルバー値Φ_ijが読み出される。これはブロックＲＥｒとＲＥΦ_ijとにおいて実行 される。現在計測に対する較正器具の中心と較正ビームとの間の距離Ｃ_Jが、ロ ボットの運動学的モデルに基づいて計測される。つぎに、差ε_j＝Ｃ_J−ｒが形成 される。つぎに、ｊ＝Ｍ？において、全ての計測が完了したかどうかが検知され る。完了していなければ、ｊ＝ｊ＋１がセットされ、対応する計算が次の計測の ため実行される。全ての計測が完了すると、ｊ＝Ｍと 容値Ｔに達するか、それを越えると、これは、較正パラメータに対して使用され た値が正しくないことの表示である。この場合、例えば上述したニュートン−ガ ウス・アルゴリズムに従って、ブロックＡＤＪｐａｒにおいて調整され、その上 で、計算が繰り返される。この手順が、較正パラメータの逐次の調整と、誤差ε の逐次の決定とを伴って、最後に述べた量が所定の許容値以下になるまで繰り返 される。許容値以下になると、プログラムは図６の次のブロックへと進行し、そ こで、較正パラメータに対して使用される最後の値が記憶される。 図７は、ロボット軸に対する較正パラメータを示す。図は、軸の公称座標シス テムＸ_nom，Ｙ_nom，Ｚ_nomと、実際座標システムＸ_act，Ｙ_act，Ｚ_actとを示す。 後者は前者から、オフセット誤差と姿勢誤差とだけ逸れている。 図７ａに示すように、実際座標システムの原点位置は、公称座標システムの原 点に対してベクトルＯＥにより示されている。本ベクトルは３個の成分を有し、 公称座標システムにおいて表示される。 図７ｂに示すように、実際座標システムは公称座標システムに対し姿勢誤差を 有する。実際システムを公称システムに一致させるには、３個の角度の回転が必 要であり、これら３個の角度が姿勢誤差を表している。 オフセットベクトルＯＥの３個の成分と、姿勢誤差の３個の角度とが、現在ロ ボット軸の６個の較正パラメータを構成している。 好適実施例では、較正ビームが、ロボットの基本座標システムのｘｙ，ｙｚ， ｚｘ平面のいずれかに平行に置かれている。較正ビームはまた、ロボットの作動 範囲内で全く任意に置かれてもよいが、その場合は、２個の追加のパラメータ、 すなわち、ビームの方向を決めるｋ_x，ｋ_yを決めなければならない。 上記実施例では、較正ビームとしてレーザービームが使用されたが、ＩＲビー ムのような他のタイプのビームを使用してもよい。 上記実施例では、ロボット制御システムに関連した計算手段が、較正パラメー タの計算に使用された。勿論、ロボットの外部の他の計算手段も使用可能である 。 以上、本発明は、回転軸だけを有する工業ロボットに関して説明されたが、線 型軸だけを有する、または、線型軸と回転軸との組み合わせを有するロボットに も適用可能である。同様に、本発明の方法は、上述のものとは違った多数の軸を もつロボットへも適用可能である。さらに、本方法が、どのようにロボットの全 ての軸の較正に使用されるかが説明された。ロボット軸の１個または１個以上の 較正を省略する方が適切なこともある。使用されるロボット状態の変動を最大に するために、ロボットが、ロボットの作動範囲内において種々の位置に配置され た数個の較正ビームを備え、該位置が、種々の計測の際のロボット状態の差異が 最大になるように選択される。 以上、６個の較正パラメータが如何にして各ロボット軸に対して決められるか を述べた。数はより大きくてもよい、例えば、較正時に、軸の位置変換器の非線 型性をも考慮することが望ましい場合である。数はまた、より小さくてもよい、 例えば、１個または数個の較正パラメータが、経験から既知であるか、無視出来 る程の大きさである場合である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 各軸の現在位置を示す出力信号を供給する位置変換器を備えた複数個の 運動軸（Ａ１〜Ａ６）と、器具を支持するロボット手（６）と、プログラムに従 ってロボット手の位置と姿勢とを制御する制御システム（８）とを有する工業ロ ボット（２〜６）の較正方法にして、ロボットの多数の較正パラメータが、 ａ） ロボット手により支持され、既知の半径（ｒ）の球（７ａ）を有する較 正器具（７）をロボットに設ける段階と、 ｂ） ロボットの作動範囲内に、較正ビームを送信する部材（１１）と、制御 システムに連結された、較正ビームの中断を検出する部材（１３）とを設ける段 階と、 ｃ） 較正器具を較正ビームに向かって動かす段階と、 ｄ） 較正ビームの中断が検出されたとき、ロボットの位置変換器からの出力 信号を読み取り記憶する段階と、 ｅ） 段階ｃとｄとを、少なくとも較正パラメータの数に２を加えた数に等し い多数の回数、ロボットの違った状態において繰り返す段階と、 ｆ） １）ロボットの運動学的方程式と、 ２）軸の位置と位置変換器の信号との間の関係のモデルと、 ３）読み取られ記憶された位置変換器信号と、 ４）既知の半径と、 に基づいて較正パラメータを計算する段階と、により決められる工業ロボットの 較正の方法において、 上記段階ｂ〜ｆを有することを特徴とする較正方法。 ２． 請求の範囲第１項に記載の方法において、較正ビームがロボット基本座 標システムの１面（ｘｙ，ｘｚ，ｙｚ）に平行に配置されていることを特徴とす る方法。 ３． 工業ロボット（２〜６）のための請求の範囲第１項に記載の方法を実行 するための較正装置にして、 − 各軸の現在位置を示す出力信号を供給する位置変換器を備えた複数個の運 動軸（Ａ１〜Ａ６）と、 − 器具を支持するロボット手と、 − プログラムに従ってロボット手の位置と姿勢とを制御し、位置変換器の出 力信号を受け取る制御システムと、 − ロボット手により支持され、既知の半径（ｒ）を有する較正器具（７）と 、を有する較正装置において、該較正装置がさらに、 − ロボットの作動範囲内にあつて、較正ビームを送信する部材（１１）と、 − 制御システムに連結され、ロボットの位置変換器からの出力信号の読み取 り記憶を開始させるための、較正ビームの中断を検出する部材（１３）と、 − １）ロボットの運動学的方程式と、 ２）軸の位置と位置変換器の信号との間の関係のモデルと、 ３）読み取られ記憶された位置変換器信号と、 ４）既知の半径と、 に基づいて多数の較正パラメータを計算する計算手段（２６）と、を有すること を特徴とする較正装置。 ４． 請求の範囲第３項に記載の較正装置において、較正ビームが光ビームで あることを特徴とする較正装置。