JPH05216514A - 重力ベクトルに対するロボットアームジョイントの位置の較正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外部的固定治具又はマニピュレータのオリエ
ンテーションについての事前知識に頼ることのないロボ
ットマニピュレータの較正手順を提供する。 【構成】 本発明は、傾斜計又は水準計を用いてロボッ
トマニピュレータの各ジョイントについての各エンコー
ダを較正するための基準を提供する。傾斜計又は水準計
は、リンクの内の一つの表面に設置されてそのリンクが
所定角度になるまでジョイントが動かされる電子的分度
器又はそれに類似する装置であることが最も望ましい。
ある実施例では、水準位置と絶対エンコーダについての
指標位置との間のオフセット位置が決定されて、そのオ
フセット位置を表す絶対エンコーダのデータが記録され
る。好適には、傾斜計は、重力ベクトルに関するリンク
の表面の角度を示す信号を生成可能なものである。この
信号は、ジョイントを制御し、マニピュレータを自動的
に較正するのに用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ジョイントの内の１つ
以上に接続された１つ以上のエンコーダを有するロボッ
トマニピュレータを較正する方法及び装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ロボッ
ト工学及びロボットシステムプログラミングについて科
学が発展し続けるにつれて、以前ではほとんど取るに足
らなかった問題が重要になってきている。一般に、ロボ
ットシステムはよりありふれたものになり、最新型のシ
ステムは、高い柔軟性を有し、様々な作業を扱うことが
可能となっている。しかし、殆どのロボットシステムに
よって取り扱われる各作業は、そのシステムの或る部分
が空間における第１の点から他の点に移動するという、
１つ又は複数のプログラムされた動作を具現化したもの
である。ロボットシステムを効率的にプログラムするた
めには、通常、空間における所定の点が原点として定義
され、そのシステムの到達範囲内の他の全ての点が、前
記原点に関して定義されなければならない。例えば、増
分エンコーダを用いてサーボ式位置決め及びフィードバ
ックを行う人間的な特徴を有する(anthrophromorphic)
ロボットアーム等の関節部分は、所定形態の絶対位置を
原点として必要とする。絶対エンコーダを用いてロボッ
トの各ジョイントの位置を判定する場合、問題は部分的
にしか解決されない。これは、各ジョイント上の基準か
らの所定形態の較正もまた必要となるためである。理想
的には、ロボットシステムが客観的な基準点を提供し、
これにより、システムのエンドユーザが、そのロボット
システムの製造業者によって設定された点と同一の点
に、ロボットシステムの較正及び再較正を行うことがで
きるようになる。この問題に対する従来のアプローチと
して、ロボットシステムの初期化時にジョイントエンコ
ーダ又はジョイント検出器を初期値又は初期位置に戻す
ということがあった。これは通常は、原点を定義し、ロ
ボットシステムに取り付けられた、機械的固定治具を用
いて達成される。しかし、このようなシステムは、較正
用に単一の基準点しか提供することができない。このた
め、マニピュレータが動いている間のジョイントの調整
が困難又は不可能な状況となる。これは、固定治具によ
り定義される原点にジョイントが位置決めされる前後に
おいて、そのジョイントの絶対位置を知ることができな
いためである。換言すれば、エンコーダは、初期位置に
対する固定治具の位置を判定することはできるが、マニ
ピュレータが較正されていないため、その初期位置の座
標が未知となる。更に、精密に機械加工された固定治具
を設ける場合には比較的費用がかかり、また例えば工場
の床の上又は研究室の作業台の上等の場所で使用するに
は幾分邪魔なものとなる。最後に、各ジョイントに固有
のコンプライアンスが存在するため、異なる位置におい
て全体的なマニピュレータのコンプライアンスが異なる
ことになる。この事実が、負荷の変化により生じる撓み
の変動と相まって、較正が繰り返し性を有すること又は
移動範囲にわたって正確であることの見込みがなくな
る。一般に、従来のシステムでは、最大有効荷重を用い
て原点の較正を行わないため、他の位置誤差の原因を導
くことになる。

【０００３】従来のシステムには、上述の固定治具がマ
ニピュレータの構成の必須部分であり、それ自体に関し
て較正可能であるものがある。しかし、上記の多くの欠
点に加え、このようなシステムは、マニピュレータアセ
ンブリの外部コンポーネントに対して比較的高い機械工
作的(machining) 公差が要求されるという別の欠点を有
することになる。また、上述のように、これらのシステ
ムにおける較正は、ある程度はユーザにとって本来的な
ことでもある。より重要なことに、この較正は作業領域
には直接関連していない。従って、この較正機構は、マ
ニピュレータの取り付け及び作業領域が既知のオリエン
テーションで固定されて安定した状態を維持しているこ
とに依存する。

【０００４】例えば、Jacobs 等による米国特許第4,48
1,592号には、マニピュレータの基部に取り付けられた
固定治具を用いたロボットアーム用の較正システムが開
示されている。固定治具のエンドポイントにより、エン
ドエフェクタについてのオリエンテーションの既知の位
置が設定され、その情報とジョイント間の固定長とを用
いて、それ以降の修正のためにオフセットを記憶するこ
とができる。内部の駆動機構の必須部分である較正用の
固定治具が、Carlsonによる米国特許第4,474,047号に開
示されている。

【０００５】上述の較正シーケンスをなくし、アームを
単に或る最初の位置に配置し、例えば教示用の押しボタ
ン(teach pendant) を用いて、その位置を原点として指
定してロボットマニピュレータに所要経路を教示するこ
とが可能である。この形態の較正は可能であり、ロボッ
ト工学の研究においてある程度は実践的なものでさえあ
るが、任意タイプの生産環境においては厳しい不利益を
生じさせるものとなる。原点がプログラムされていない
場合、各マニピュレータのアセンブリの違い及び公差が
一意に対応しているため、位置についてのプログラミン
グを共有することが不可能になる。従って、原点をロボ
ットマニピュレータにプログラムすることが望ましい。
絶対エンコーダが各移動軸に対して設けられ、各マニピ
ュレータ毎に較正される場合には、原点のプログラミン
グが比較的簡単になる。しかし、上記で指摘したよう
に、このような較正は、固定治具を用いる較正に比べて
一層費用がかかり、また多くの時間消費を伴うものであ
る。現状では、前記の固定治具を用いた較正が問題解決
の唯一の実践的な手段となる。

【０００６】別のタイプの較正手順が開示されている。
Hunter による米国特許第4,841,762号には、移動範囲内
の特定の点を選択し、この選択された点にエンドエフェ
クタを移動させることにより、ロボットの較正を行う方
法が開示されている。異なる構成を用いてロボットアー
ムを動かすことにより、軸についての原点を数学的に決
定することができる。Haffnerによる米国特許第4,792,2
28号には、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標系のロボット用の、レーザに
基づく位置検出及びフィードバックシステムが開示され
ている。その発明で開示の３本のレーザビームを用いる
ことにより、ロボットシステムの並進的、角度的、回転
的な偏差を決定することが可能となる。しかしながら、
原点の設定、及び簡単でかつ繰り返し性のあるマニピュ
レータの較正、についての手順に対する必要性が残って
いる。そのようなシステムは、マニピュレータの製造中
と現場との双方において同一態様で較正を行うことが可
能なものとなる。従って、本発明の目的は、外部的な固
定治具、又はマニピュレータのオリエンテーションにつ
いての事前知識に頼ることなくロボットマニピュレータ
を較正するための手順を提供することである。本発明の
他の目的は、任意のオリエンテーションの作業表面に関
してマニピュレータを較正可能にすることである。更
に、本発明の所定の実施例の目的は、自動化態様で較正
の手順を実行することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電子的分度
器、傾斜計又は水準計(leveling device) を用いて、重
力ベクトルの方向に対して、ロボットマニピュレータの
各ジョイントについての各エンコーダを較正するための
基準を提供する。１つの実施例において、その水準計
は、水準信号を生成する電子的装置とすることができ、
これは、バブル水準計(bubble level)等の機械的又は物
理的な装置とは対照的なものである。

【０００８】本発明は、ロボットマニピュレータの較正
を行って原点を定義する方法を提供する。本発明を用い
て較正されるマニピュレータは、少なくとも、回転可能
なジョイントによってベースに接続されている第１のリ
ンクを含み、回転可能なジョイントの変位がエンコーダ
により計測されるものである。本発明の方法は、好適に
は、リンクの中心線又は他の基準位置に対して既知の角
度をなす所定位置においてそのリンクの内の一つに傾斜
計又は水準計を配置し、リンクが水準位置になるまで又
は基準の角度位置になるまで前記回転可能なジョイント
を移動させる、というステップを含む。ある実施例で
は、現在の位置と絶対エンコーダの指標位置との間のオ
フセット位置が任意に決定され、そのオフセット位置を
記述するエンコーダのデータが記録される。しかし、本
発明のある実施例においては、絶対エンコーダは用いら
れず、従って指標位置が定められることはない。本発明
のある実施例において、マニピュレータを構成するもの
は、複数のリンクと回転可能なジョイントであって、そ
の各ジョイントはエンコーダを有している。このような
実施例において、本発明の方法は、１つのリンクを較正
することに関して上述のステップを更に含むものである
が、ロボットマニピュレータの各ジョイントに関連する
各リンク毎に繰り返されるものであり、ベースに最も近
いジョイントで開始し、エンドエフェクタに向けて作業
を進めるものである。ある実施例において、本発明の方
法は、重力ベクトルの方向に対するオリエンテーション
を示す信号を生成する電子的分度器その他の装置を用い
て自動的に実施される。最後に、本発明のある実施例に
おいては、較正ステップを繰り返し行って、較正手順中
にジョイントの偶発的な動作が発生していないことを確
認するようにすることが望ましい。

【０００９】

【実施例】本発明は、電子的分度器、傾斜計又は水準計
を用いて重力のベクトルに対する初期較正位置を決定す
ることによりロボットマニピュレータの較正を可能にす
るものである。本発明の目的のために、「傾斜計」なる
用語は、重力ベクトルに対する表面の角度を計測する電
子的分度器その他の装置を包含したものを意味し、重力
のベクトルの方向に対して表面が垂直である場合を指示
する電子的及び機械的水準計を含む水準計をも意味して
いる。所定角度まで好都合に動作可能なロボットマニピ
ュレータの構造の一部に傾斜計が設置又は他の方法で接
続されて、各移動軸に対する基準点が提供される。ここ
で、各基準点についての位置が、０なる角度又は特定の
ジョイントに対する既知の基準角度に必ずしも関連して
いなくてもよいことに留意されたい。本発明は、重力ベ
クトルと、マニピュレータの作業表面又は下部架台に対
する重力ベクトルの関係とを、較正用の基準として用い
るものである。従って、作業領域のオリエンテーション
が「水準」である必要はない。これは、本発明の好適な
実施例において用いられる電子的分度器が作業表面のオ
リエンテーションの計測及び記憶を行うことができるか
らである。しかし、水準計が配置される表面の角度は、
０又は既知の基準角度に関して分かっていなければなら
ず、好適には、製造において精密に機械加工され、計測
された表面を設けることによって達成される。ロボット
マニピュレータのある部分に対して０（又はある所定角
度）で傾斜計を配置すれば、水準計が取り付けられる表
面の正確な角度が分かっているため、ロボットジョイン
トについての正確な角度を決定することができる。次い
でこの正確な角度は、絶対エンコーダ及び較正手順に対
する基準位置又は指標位置として用いることができる。
従って、本発明により、ロボットマニピュレータのエン
ドユーザが、製造中及び現場での双方で必要とされる較
正手順を実行することが可能となる。

【００１０】図１にロボットマニピュレータ１００の斜
視図を示す。このロボットマニピュレータ１００は、シ
ョルダージョイント１０２と、エルボージョイント１０
４と、リストジョイント１０６と、エンドエフェクタに
関連するツイスト軸１０８とを備えたものである。本発
明が有用な代表的なロボットシステムは、本発明の出願
人に譲渡されたGordon等による米国特許第4,843,566号
に示されており、ここに参考までに織り込む。また図１
を見て分かるように、位置１２０には好適には傾斜計又
は水準計が配置される。本発明による較正の手順を実行
するため、傾斜計又は水準計が位置１２０に配置され
る。この位置１２０は、上部アーム、前部アーム、ハン
ド及びエンドエフェクタについて示されており、それぞ
れ、ショルダー１０２、エルボー１０４、リスト１０６
及びツイスト１０８のジョイント軸に対して基準位置を
提供するようになっている。当業者によって理解される
ように、ここに示した位置１２０は、例示的なものであ
って、図示するロボットマニピュレータ１００の設計に
よって決まるものである。その構造設計、自由度、移動
範囲、及びマニピュレータが適用される仕事は、傾斜計
又は水準計の位置１２０を選択する際に考慮しなければ
ならない幾つかのファクタとなる。更に、傾斜計又は水
準計をロボットマニピュレータに取り付けることができ
る位置として位置１２０が例示されているが、本発明の
較正技術は、その較正手順の進行中に異なる位置１２０
に動かされる単一の着脱式の装置を用いて達成できると
いうことも理解されるであろう。この後者の方法は、マ
ニピュレータの有効荷重及びコストが関わってくる場合
に、本発明の好適な実施例を表すことになる。他の例に
おいては、必要な場合にロボットマニピュレータの各位
置１２０に対して個々の装置を永久的に固定することが
望ましく、適している。

【００１１】上記のように、本発明の目的のため、傾斜
計又は水準計は、重力のベクトルに関して構造体が特定
の角度にあることの指示を提供する任意の装置となる。
好適には、重力ベクトルに関する精密な角度を計測する
ことができる、電子的分度器又は他の形式の傾斜計等の
装置が使用される。しかし、表面が重力ベクトルに対し
て垂直であることを示す従来の「バブル水準計」又はサ
イトグラスであっても使用可能である。重力のベクトル
に関する角度を計測するための電子的な装置、及びその
構造体への適用は公知のことである。例えば、Franklin
等による米国特許第4,827,624号、及びPertl 等による
米国特許第4,943,158号を参照されたい。これらの電子
的傾斜計は、正確なものであり、ロボットマニピュレー
タの制御システムと協同して、本発明のある実施例で使
用可能な角度を示す信号を提供することができるもので
あり、これにより構造体の一部が所定角度にある場合を
自動的に決定することが可能となる。

【００１２】図１で示したロボットマニピュレータ１０
０の一部を示す側面図を図２に示す。同図はマニピュレ
ータ１００が「水準」位置にある場合を示したものであ
り、その仮想線は、全てのジョイントの角度が０となる
位置にあるマニピュレータ１００を示している。図２に
示す実線と仮想線との間の差は、その構造体の形状に起
因するものであり、従って、本発明の目的に対し、「水
準」は必ずしも０のジョイント角度を表すものとは限ら
ない。

【００１３】図示したロボットマニピュレータ１００に
は、その４つの回転可能なジョイント１０２，１０４，
１０６，１０８の各々にエンコーダが配置されている。
上述のように、これらのエンコーダは、ジョイントの既
知の位置に関して較正されなければならない。ロボット
マニピュレータの構造体により導かれる角度が、ジョイ
ント間の中心線に関して正確に決定することができるの
で、傾斜計又は水準計を構造体上の所定位置に配置し
て、所定角度に達したことを装置が示すまでジョイント
を個別に動かすことにより、ジョイントの絶対角度が定
義される。当業者によって認められるように、この較正
手順の繰り返し性及び正確性により、ロボットシステム
が他の機器に関して頻繁に再設置される場合の用途に理
想的に適することになる。

【００１４】図２に示したマニピュレータ１００を較正
するため、ユーザはまず、アームがほぼ真っ直ぐになり
作業表面に対して平行になるまでマニピュレータを動か
さなければならない。この較正手順は、マニピュレータ
のベースに最も近いジョイントから開始され、末端のジ
ョイント又はエンドエフェクタに達するまで、その点の
前方の次のジョイントへと進められる。これは、各ジョ
イントの較正が、それ以前のジョイントの較正によって
決まるためである。このため、ショルダー傾斜計又は水
準計１２２がマニピュレータの上部アーム上に設置され
ており、所定角度に到達したことをそのショルダー傾斜
計又は水準計１２２が示すまで、ショルダージョイント
１０２を回転させる。ショルダー傾斜計又は水準計１２
２をマニピュレータに対して永久的に固定した場合、そ
のショルダー傾斜計又は水準計１２２その他の固定され
た装置は、単に後述するシーケンスだけで起動されるこ
とになる。また、その傾斜計又は水準計が着脱式のもの
である場合には、傾斜計又は水準計はショルダーから取
り外され、次いで前方のアームに配置されて、前方アー
ム傾斜計又は水準計１２４が形成される。次に、所定角
度に達したことを前方アーム傾斜計又は水準計１２４が
示すまで、マニピュレータのエルボージョイント１０４
が動かされる。次に、傾斜計又は水準計１２０がマニピ
ュレータのハンド上に設置されて、ハンド傾斜計又は水
準計１２６が形成される。そして、所定角度に達したこ
とをハンド傾斜計又は水準計１２６が示すまで、リスト
ジョイント１０６が動かされる。最後に、傾斜計又は水
準計がツイストジョイント１０８に関する位置でエンド
エフェクタ上に設置されて、ツイストジョイント傾斜計
又は水準計１２８が形成される。所定角度に達したこと
をツイストジョイント傾斜計又は水準計１２８が示した
とき、マニピュレータ１００が所定位置、例えば重力ベ
クトルに関して直交する位置に設定されて、較正を行う
ことが可能となる。しかし、較正手順中に１つ又は複数
のジョイントの偶発的な動きが生じることがある。この
ため、通常は、上述のステップを繰り返し行って、選択
されたオリエンテーションをマニピュレータが確実に維
持するようにすることが望ましい。何等かの動きが生じ
た場合には、マニピュレータを再較正しなければならな
い。図示したマニピュレータ１００の場合、サーボの制
御を行うファームウエア内にある、上述の絶対エンコー
ダの初期化を呼び出すことにより、ショルダー、エルボ
ー及びリストジョイントについて、較正手順が完成され
る。絶対エンコーダについての初期化手順は、当業界に
おいて公知のものであり、特定のエンコーダ及びその初
期化手順がインストールされるシステムによって異なる
ものである。図示した実施例の場合、サーボが較正位置
の所定角度から絶対エンコーダの指標位置までジョイン
トを移動させ、その移動距離をエンコーダが正確に計測
する。しかし上述のように、本発明を実施するために絶
対エンコーダを使用する必要はない。エンコーダが較正
位置の所定角度から指標位置までのジョイントの変位を
計測し、ジョイントのオフセットが算出され、記憶され
る。大きな角度の回転（例えば、３６０゜）を行う特定
の回転ジョイントでは、シャッタブレードその他の単一
位置絶対エンコーダを用いて、そのエンコーダに対する
相対的な基準位置が定義される。従って、その位置の所
定角度によって、そのような軸に対する単一の絶対的な
基準が与えられる。この初期化手順には、シャッターブ
レードが係合するまでジョイントを回転させることが含
まれており、この基準位置からのオフセットが次いで記
憶される。従って、オフセット位置は、較正位置の所定
角度と指標位置の所定角度との間の差となる。

【００１５】このように、初期較正後にロボットマニピ
ュレータが起動された場合には、絶対エンコーダが指標
位置に出会うまで、ショルダー、エルボー、及びリスト
ジョイントが動かされる。次いで記憶されている較正の
オフセットが用いられてエンコーダのカウントで絶対位
置が算出され、これが次いで角度に変換される。ツイス
トジョイント等のジョイントは、シャッターブレードと
出会うまで回転させられ、次いで記憶されている較正の
ツイストオフセットを用いて０位置に戻るように動かさ
れる。これにより、マニピュレータのジョイントが既知
の位置に位置決めされる。

【００１６】本発明のある実施例では、上述の較正手順
におけるオペレータの介在は不要となる。上記で説明し
たように、ある実施例では、電子的分度器又は傾斜計が
ロボットマニピュレータに対して永久的に取り付けられ
る。これらの装置としては、角度を表す電子信号を転送
するタイプのものが選択され、その信号を検出して、上
述の態様で較正手順を完了するようにサーボがプログラ
ムされる。

【００１７】このようにして、本発明により、低コスト
で、容易に入手可能なハードウエア及びソフトウエアの
機能を用いた、ロボットマニピュレータ用の較正システ
ムが提供される。開示した較正手順は、ユーザを対象と
したものであり、繰り返し性を有するものである。製造
時の初期較正時及び現場にある場合の双方で同一の較正
手順を使用し、マニピュレータの補修、除去又は交換が
なされた後に一層容易でかつ一層信頼性のある再較正を
行うことが可能となる。

【００１８】本発明のある特定の実施例についてこれま
で詳細に説明してきたが、本発明はこれによって限定さ
れるものではない。その明細書及び図面を再検討するこ
とにより、当業者であれば、この開示発明の他の修正、
適用及び用途にすぐ気付くであろう。従って、本発明の
範囲を定義するためには、特許請求の範囲の記載が参照
されるべきである。

【００１９】

【発明の効果】本発明は上述のように構成したので、外
部的な固定治具、又はマニピュレータのオリエンテーシ
ョンについての事前知識に頼ることのないロボットマニ
ピュレータの較正手順を提供することができ、任意のオ
リエンテーションの作業表面に関してマニピュレータを
較正することが可能となる。更に、それらの較正手順を
自動化態様で実施することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置を含むタイプのロボットマニピュ
レータを示す斜視図である。

【図２】本発明の装置を含むロボットマニピュレータア
ームの概要を部分的に示す側面図である。

【符号の説明】

ロボットマニピュレータ１００ ショルダージョイント１０２ エルボージョイント１０４ リストジョイント１０６ ツイスト軸１０８

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｂ 19/19 Ｆ 9064−3Ｈ Ｇ０５Ｄ 3/12 Ｘ 9179−3Ｈ (72)発明者 マーク・イー・シューマン アメリカ合衆国ペンシルベニア州19382ウ ェスト・チェスター，サウス・ハイ・スト リート・600

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロボットマニピュレータの較正を行って原
   点を定義するための方法であって、前記マニピュレータ
   が、回転可能なジョイントによりベースに接続された第
   １のリンクを少なくとも含み、前記回転可能なジョイン
   トの変位がエンコーダにより計測され、前記方法が、 前記リンクの中心線に関して既知の角度を有する所定位
   置において前記リンク上の重力ベクトルに関する表面の
   角度を計測する傾斜計を設け、 そのリンクが重力ベクトルに関して所定角度をなすまで
   前記回転可能なジョイントを移動させ、 前記エンコーダのデータを記録して前記所定角度におけ
   るジョイントの位置の格納を行う、というステップより
   なることを特徴とする、重力ベクトルに対するロボット
   アームジョイントの位置の較正方法。