JPH0768481A - ロボットにデータ教示を行なう方法及びロボット装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットへの位置教示の効率化、精度向上及
び事故防止。 【構成】 アーム７に支持されたレーザセンサ４からレ
ーザ光を教示点１２に照射し、測定基準位置から教示点
１２迄の距離ｒを測定する。ｐfd＝ｐ0 （測定基準位
置）＋ｒ・ｄs （レーザビーム方向単位ベクトル）を計
算して、フェイスプレート固定座標系から見た教示点の
位置ｐfdを得る。更に、教示点姿勢を予め定められた方
式で定めて、フェイスプレートから見た教示点の位置・
姿勢を表わす行列Ｔfdを得る。そして、フェイスプレー
トの位置・姿勢データＴbfを使って、ベース座標系から
みた教示点の位置・姿勢を表す同次変換行列をＴbdをＴ
bf・Ｔfd＝Ｔbdの計算から求める。ｐ0 及びｄs のデー
タは、ロボットに４個の位置をとらせて空間内の定点に
レーザビームを照射してｒの値を計測するレーザセンサ
測定基準位置データ教示作業を通して取得することが出
来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、工場その他の施設に
おける各種作業の自動化の為に利用されるロボットに対
してデータ教示を行なう為の方法及び装置に関し、更に
詳しくは、レーザセンサ等の光学式変位測定手段あるい
は他の非接触式の変位測定手段を利用してロボットに対
象物等に関する位置データを教示する方法、及び該方法
を実施する為の装置に関する。

【０００２】本願発明の技術思想は、ロボット作業空間
内における対象物、座標系上特定点等の位置データをロ
ボット制御装置に取り込み、該位置データを内部処理に
利用する必要があるロボットシステム全般に対して適用
可能なものである。

【０００３】

【従来の技術】ロボットを含むシステムを利用して各種
作業を実行する場合には、ロボットに意図した通りの動
作をロボットに行なわせる為のティーチングを実行する
必要がある。この教示に要するオペレータの負担を軽減
する為に、いわゆるオフライン方式によるティーチング
が利用されている。

【０００４】このオフラインティーチング方式は、ワー
ク等の作業対象物及び作業環境に関する正確なデータが
事前に用意されており、作業内容が単純で要求されるロ
ボット位置精度がそれ程高くないようなケースにおいて
は高い有効性を発揮することが知られている。

【０００５】しかし、オフラインティーチング時に用意
されるデータのみに基づいてロボット位置を完全に決定
することが困難であることが多く、また、必要とされる
全データをオフラインで揃えることが困難なケースもあ
る。そこで、オフラインティーチング実行済みの場合も
含めて、オペレータが作業現場で実際にロボットを動か
しながら最終的な位置データ教示を行なう方式が頻繁に
利用されている。

【０００６】この方式による教示作業は、通常次のよう
な手順によって行なわれている。即ち、ロボットアーム
先端に取り付けられたエンドエフェクタに尖頭ピン状部
材を固定し、オペレータによるロボットアーム操作によ
って、この尖頭ピン状部材を教示点に選ばれた作業空間
内の座標系上特定点あるいはワーク上特定点等に接触あ
るいは接触寸前まで接近させ、該接触乃至接近状態にお
けるロボット各部（アーム等）の位置及び姿勢に基づい
て各教示点のロボット作業空間内の位置を算出し、これ
を教示点データとしてロボットシステムに取り込み、以
後、プレイバック方式による再生運転時やその他教示位
置データの内部処理が必要となる場面に備えるという手
法が採用されている。なお、このような方式を採用した
場合、フースプレートと尖頭ピン部材先端の位置関係を
予め取得しておくことが必要となるが、その際、上記方
式に倣って尖頭ピン部材で空間のある固定点を異なる方
向から複数回教示することによって、その位置関係を得
る場合もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、必要な
位置データを取得する際に上記の如きタッチング方式あ
るいは準タッチング方式を採用した場合、下記（１）〜
（３）に記すような問題点が生じていた。

【０００８】（１）位置データ取得時にロボットアーム
を教示点に著しく接近させる必要があるので、ロボット
アームやエンドエフェクタと周辺物体との間に衝突・擦
傷事故を起こしたり、ソフトタッチングに失敗して尖頭
ピン部材やワーク等に損傷を与えたりする事故を起こす
危険があること。

【０００９】（２）尖頭部材先端点と教示点を一致乃至
一致寸前まで接近させる作業は、オペレータがロボット
アーム先端部に接近し、目視による確認を行ないながら
実行する場合が多く、人身事故に対する安全対策上大き
な問題があること。

【００１０】（３）また、このような目視に頼ることの
多い教示点タッチング／接近方式では、尖頭部材先端と
教示点を正確に一致させることが難しく、ある程度の誤
差が不可避的に発生すること。

【００１１】本願発明は、これら従来技術の問題点の回
避が可能なロボット位置データ教示方法及び装置を提供
することを企図してなされたものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願発明は、ロボット本
体のアーム先端部に光学式変位センサ装置等の非接触式
変位センシング手段を固定支持する段階と、該非接触式
変位センシング手段に少なくとも１個の教示点のセンシ
ングが可能な位置をとらせる段階と、該非接触式変位セ
ンシング手段により教示点のセンシングを実行する段階
と、該センシング結果と該センシング時点におけるロボ
ット位置データに基づいて該教示点の位置データを獲得
する段階とを含むロボットにデータ教示を行なう方法を
提供することによって、上記問題点を解決したものであ
る。

【００１３】また本願発明は、上記方法を実施する能力
を備えたロボット装置（ロボットシステム）として、ロ
ボット本体と、少なくとも該ロボットを制御するロボッ
トコントローラと、ロボット本体のアーム先端部に固定
支持された非接触式変位センシング手段と、該非接触式
変位センシング手段による教示点センシング結果と該セ
ンシング時点におけるロボット位置データに基づいて該
教示点の位置データを獲得する手段とを有するロボット
装置を開示したものである。

【００１４】更に、本願発明は、該ロボット装置に組み
込む非接触式変位センシング手段として、レーザ光源素
子と、該レーザ光源素子の出力光を被検対象物に入射さ
せる光学系と、位置検出型の光検出器と、該位置検出型
光検出器に前記被検対象物からの反射光を入射させる光
学系とを有するレーザセンサ手段を含むレーザセンサ装
置を特定することによって、より望ましい形態で位置デ
ータ教示を実行し得るロボット装置を提案したものであ
る。

【００１５】

【作用】本願発明に係る方法及び装置においては、従来
の尖頭ピン等のタッチング乃至準タッチング部材に代え
て非接触式変位センサを利用することにより、ロボット
アーム先端部を教示点から適当な距離離隔させた状態で
センシングを行なって教示点の位置データが獲得され
る。また、その際にロボットアームにオペレータが接近
する必要が無い。

【００１６】従って、ロボットアームあるいは該アーム
先端部分に支持された部材と周辺物体との間の干渉事故
や人身事故が発生する可能性が大幅に低下する。

【００１７】本願発明で使用される非接触式変位センシ
ング手段は、通常、センシング手段から被検出点までの
距離を計測出来る型のものが使用されるが、既知平面上
における２次元的な位置変位のセンシングを行なえば足
りる場合等の特別なケースでは、単一のＣＣＤカメラを
利用したセンサ等を利用する場合も有り得る。

【００１８】本願発明において利用される非接触変位セ
ンシング手段の代表的なものは、光学式の変位センサ
（後述実施例参照。）であるが、現在、その動作原理、
測定レンジ、測定精度、価格等について極めて多様な非
接触式変位センサが入手可能となっているから、一般的
には、これらの中から使用目的にかなったものを任意に
選択して使用すれば良い。

【００１９】レーザ変位センサや１台または２台以上の
ＣＣＤカメラ等を利用したカメラセンサのような光学式
センサ以外の非接触センサとしては、静電容量式、渦電
流式、超音波式の変位センサ等がある。例えば、静電容
量式のセンサは金属または誘電体の対象物、渦電流式の
センサは金属の対象物までの距離を各々測定することが
出来るもので、いずれのセンサも使用時の被計測対象物
との間隔は数ｍｍ程度とやや小さいが、分解能数μｍの
精密測定が可能であるという特徴を有している。

【００２０】また、超音波式の変位センサは、数１０ｃ
ｍ〜数ｍ離れた位置からの遠隔測定が可能であり、分解
能は数１００μｍのものが容易に入手可能である。例え
ば、対象物が光学式センサの適用が困難な透明物体であ
る場合などには、この超音波式のセンサを利用すること
が有利と思われる。

【００２１】なお、場合によっては、教示点のセンシン
グ方式に合わせて複数個あるいは複数タイプのセンサを
併用するケースも考えられる。

【００２２】

【実施例】図１は、本願発明の位置データ教示方法を実
施するロボットシステムの全体構成を例示したものであ
る。図を参照すると、システム全体は、ロボット本体
１、ロボットコントローラ３と、レーザセンサ４及びレ
ーザセンサコントローラ５から構成されている。ロボッ
ト本体１のアーム７の先端部にはエンドエフェクタ２が
装着されており、該エンドエフェクタ２の先端部にはレ
ーザセンサ４が固定支持されている。

【００２３】ロボットコントローラ３自体は、基本的に
公知の構成を有するものであり、中央演算処理装置（以
下、ＣＰＵという。）３１、該ＣＰＵ３１にバス３９を
介して各々接続されたＲＯＭからなるメモリ３２、不揮
発性メモリ３３、ＲＡＭからなるメモリ３４、ロボット
本体１の各サーボモータを駆動するサーボ回路３６を制
御する軸制御部３５、インターフェイス３７及びロボッ
トシステムの制御に必要な指令、各種データ等を入力す
る教示操作盤３８から構成されている。

【００２４】ＲＯＭメモリ３２には、ＣＰＵ３１がロボ
ット本体及びロボットコントローラ３自身を制御する為
に必要な各種のプログラムが格納され、不揮発性メモリ
３３にはロボットの教示プログラムデータが格納され
る。ＲＡＭメモリ３４は、教示位置計算等を実行するに
際のデータ一時記憶手段として利用される。

【００２５】また、インターフェイス３７は、レーザセ
ンサ４を制御しその出力信号を処理するレーザセンサコ
ントローラ５に制御信号を送ると共に信号処理後の検出
信号を受け取るものであり、必要に応じて他の機器（例
えば、オフラインプログラム作成装置）に対する入出力
装置の機能をも果たすように構成されている。

【００２６】本実施例で採用されている非接触式変位セ
ンシング手段としてのレーザセンサ４及びレーザセンサ
コントローラ５の概略構成を図３を参照して説明する。

【００２７】半導体レーザ（レーザダイオード；ＬＤ）
４１からの光は、必要に応じて設けられたコリメータレ
ンズ４２によって平行化され、投射レンズ４３によりビ
ーム１１の径が絞られて、被検対象物６上にスポット光
Ｓd となって投射される。この投射スポット光像を集光
レンズ４５を介して位置検出型光検出器（以下、ＰＳＤ
と言う。）４６の検出面上に検出スポット像として入射
させる。被検対象物Ｗの位置が入射光の光軸に沿って変
位（Ｐ→Ｐ ’）すると、検出スポット像もＰＳＤ上で
移動する（Ｑ→Ｑ’）。

【００２８】位置検出機能を有するＰＳＤ４６は、スポ
ット光の入射位置に応じて２つの電流出力Ｉ1 、Ｉ2 の
を生成するもので、Ｉ12＝（Ｉ1 ―Ｉ2 ）／（Ｉ1 ＋Ｉ
2 ）がＰＳＤ上での入射位置を表している。従って、各
電流出力Ｉ1 、Ｉ2 をレーザセンサコントローラ５内の
電流電圧変換回路５３で電圧Ｖ1 、Ｖ2 に変換し、演算
器５４により演算Δ12＝（Ｖ1 ―Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋Ｖ2
）を行ない、ロボットコントローラ３のインターフェ
イス３７へ出力する。ロボットコントローラ３のＣＰＵ
３１は、インターフェイス３７を介してＡＤ変換された
スポットＳd の位置信号を読み取る。

【００２９】なお、このような光学式変位変位測定装置
に通常用いられるレーザ光源素子には、光源の出力光強
度をモニタする為のモニタ光検出器４９が付属装備され
ており、このモニタ光検出器４９の出力に基づき、レー
ザセンサコントローラ５に組み込まれたレーザ出力安定
化回路５２を介してレーザ光源駆動回路５１を制御する
ことによりレーザ光源素子４１の出力光強度を一定に保
つ制御が行われる。

【００３０】以下、上記ロボットシステムを用いて、対
象物であるワーク６上に選定された教示点１２について
位置データを取得する手順を図２を参照図に加えて説明
する。

【００３１】先ず、ロボットアーム７をジョグ送りによ
り操作し、レーザセンサ４をワーク６上の教示点１２か
ら適当な距離離れた位置迄移動させる。そして、教示操
作盤３８からレーザ点灯指令を送ると、インターフェイ
ス３７、レーザセンサコントローラ５のレーザ光源駆動
回路５１を介してレーザ光源４１が点灯される。再び、
ロボットアーム７の位置乃至姿勢を調節し、スポット光
Ｓd を教示点１２と一致させる。この作業には、ロボッ
ト自身あるいは作業空間内に設置されたＣＣＤカメラ等
を利用し、モニタ画面を観察しながら行っても良いし、
また、画像処理プロセッサ及びソフトウェアを更に加
え、ロボットの自動制御によりスポット光位置Ｓd を教
示点位置１２に合致させるシステムを組むことも可能で
ある。

【００３２】さて、この状態で教示操作盤３８から位置
計測指令を発すると、ＣＰＵ３１はインターフェイス３
７を介してスポット光Ｓd の位置、即ち、レーザセンサ
４の測定基準位置Ｓ0 から教示点１２迄の距離ｒを表す
レーザセンサ検出信号を読み取り、不揮発性メモリ３３
またはＲＡＭメモリ３４に記憶させる。

【００３３】レーザセンサによる計測結果ｒのままで
は、教示データとしては不十分であるから、これをロボ
ットが利用し易い座標系上で表現されたデータに変換す
ることを考える。ここでは、ロボット作業空間上の固定
された位置に設定されたベース座標系Σb 上のデータへ
の変換を行う。今、センサの測定基準位置に固定された
座標系をセンサ座標系Σs とし、Σsの原点がセンサの
測定基準点に一致し、Σs のｘ軸がレーザ出力光の方向
に一致しているものとし、また仮に計測点の姿勢はΣs
のそれと同じであると仮定すると、センサ座標系Σs か
ら見た計測点の位置・姿勢は次の行列Ｔsdによって表わ
される。

【００３４】

【数１】 ここで、Ｉは３×３の単位行列である。更にエンドエフ
ェクタ２に固定された座標系をΣe とし、Σs 上で表わ
されたデータをΣe 上でデータに変換する同次変換行列
をＴesとする。同様に、Σb とΣe についての同次変換
行列をＴbeとする。すると、ロボットのベース座標系Σ
b において、計測点の位置・姿勢は次の行列Ｔbdによっ
て、 Ｔbd＝Ｔbe・Ｔes・Ｔsd ・・・（２） と表わされる。エンドエフェクタに固定された座標系Σ
e と固定関係にあるロボットアーム先端のフェイスプレ
ートに固定された座標系Σf を使えば、上記の式（２）
は、下記の式（３）となる。

【００３５】 Ｔbd＝Ｔbf・Ｔfs・Ｔsd ・・・（３） ところで、上記した同次変換行列の内、Ｔbe、あるいは
Ｔbfはロボットの位置・姿勢データに相当する行列デー
タである。また、Ｔes、あるいはＴfs、即ちレーザセン
サの測定基準位置に固定された座標系Σs とエンドエフ
ェクタあるいはフエイスプレートに固定された座標系Σ
e 、Σf との位置・姿勢関係は、レーザセンサ装置の仕
様書に記載されたデータ等を利用して定めることも一応
は可能である。しかし、より正確な位置教示を行う観点
からは、次のような測定基準位置データ取得の為の教示
作業を実行することが望ましい。

【００３６】ロボットとレーザセンサ（一般には、非接
触変位検出装置）の測定基準位置の関係を求める方法に
は種々のものが考えられるが、ここではレーザセンサの
レーザ出力光を空間内の任意の１定点点に４つ以上の異
なる方向から照射し、その際の計測結果を利用して測定
基準位置データを取得し、以後の教示点の計測値ｒから
直ちにベース座標系Σb で表された教示点位置・姿勢デ
ータＴbdを獲得する方法について説明する。先ず、ベー
ス座標系Σb からフェイスプレートを見た位置・姿勢を
表す同次変換行列Ｔbfの成分構成を考えると次式（４）
のようになる。

【００３７】

【数２】 ここで、Ｒbfはフェイスプレートの姿勢を表し、ｐbfは
位置を表した部分に相当している。また、レーザセンサ
出力光の方向に基づいてスポット光Ｓd の位置・姿勢を
仮に定義し、ベース座標系Σb 及びフェイスプレートに
固定された座標系Σf からみたスポット光Ｓd の位置・
姿勢を表す同次変換行列をＴbd、Ｔfdとすれば、 Ｔbf・Ｔfd＝Ｔbd ・・・（５） であるから、次式（６）が成立することになる。 Ｒbf・ｐfd＋ｐbf＝ｐbd ・・・（６） ここで、フェイスプレートから見たレーザセンサ４の測
定基準点Ｓ0 の位置をｐ0 、レーザ出力光の方向の単位
ベクトルをｄs とすると、Ｓ0 Ｓd 間距離ｒを使って、
次式（７）が得られる。 ｐfd＝ｐ0 ＋ｒ・ｄs ・・・（７） 従って、 Ｒbf・ｐ0 ＋ｒ・Ｒbf・ｄs ＋ｐbf＝ｐbd ・・・（８） となる。これを変形すると、次式（９）を得る。式中Ｉ
は、３行３列の単位行列である。

【００３８】

【数３】 さて、ロボットにｎ個の位置をとらせ、ｎ回の定点照射
を行えば、各回の教示毎に１個のＴbf値とｒ値が得られ
るから、ｉ回目（ｎ＝１、２、・・ｎ）の定点照射によ
る教示によって取得されるＴbf値とｒ値を、Ｔbf(i) 及
びｒ(i) で表すことにし、行列Ａとベクトルｘ及びｂを
次式（１０）〜（１２）のように定義すると、式（１
３）で表される方程式が得られることになる。

【００３９】

【数４】 Ａ・ｘ＝ｂ ・・・（１３） ここで、ｎ≧４とすれば、上記方程式（１３）は冗長性
を有する連立方程式になり、その解（最小２乗解）は、
次式（１４）で与えられる。 ｘ＝（Ａ^t ・Ａ）^ー1・Ａ^t ・ｂ ・・・（１４） 即ち、ｘの各成分ｐ0 、ｄs 、ｐbdが求められたことに
なり、以後のレーザセンサによるスポット光位置Ｓd の
計測結果ｒについては、これらｐ0 、ｄs の値を前述の
式（７）に代入し、フェイスプレートから見たデータｐ
fdに変換することが出来ることになる。

【００４０】そこで、以上説明したレーザセンサ測定基
準位置教示プロセスを実行する為の各計算プログラム、
諸設定値をＲＯＭメモリ３２及び不揮発性メモリ３３に
予め格納しておき、ロボットをジョグ送りにより操作し
ながら４回（またはそれ以上の回数）の定点照射を行い
各計測値ｒ1 、ｒ2 、ｒ3 、ｒ4 を獲得・記憶させつ
つ、プログラム計算を実行し、最終的に、ｒのデータを
与えれば上記式（７）左辺ｐfdの数値計算が実行可能な
形にしておくことにより、以後の本願発明に従った位置
データ教示が極めて効率的に実行する態勢が整えられ
る。

【００４１】先ず、位置教示を行なおうとする点にレー
ザ光照射を行い、レーザセンサの出力ｒを獲得し、式
（７）によってフェイスプレートに固定された座標系Σ
f から見た教示点の位置ｐfdが得られる。教示点の姿勢
に関しては、予め定められた方式（例えば、ベース座標
系Σb から見たΣf の姿勢Ｒbfに位置させる方式：ここ
で、ＲbfはＴbfの左上の３×３の回転行列）に従うこと
により、フェイスプレートから見た教示点の位置・姿勢
を表わす行列Ｔfdが直ちに得られる。

【００４２】このＴfdとロボットのフェイスプレートを
表わす位置・姿勢データＴbfから、式（５）を使って、
ロボットのベース座標系Σb から見た教示点の位置・姿
勢データを得ることが出来る。

【００４３】従って、最終的には上記説明した手順によ
るレーザセンサ測定基準位置教示作業を通して、式（１
４）を計算してｐ0 及びｄs のデータを求め、不揮発性
メモリ３３に格納しておくと共に、式（７）及び式
（５）に相当する計算を実行するプログラムをＲＯＭ３
２にローディングしておくことにより、ワーク６上等に
選定された各教示点データを次々とロボットに教示（不
揮発性メモリ３３に格納）することが可能になる。

【００４４】

【発明の効果】本願発明によれば、非接触の変位センサ
を用いてロボットアーム先端を教示点から適当な距離離
した状態で位置教示を行うことが出来るので、人的・物
的な事故を起こす恐れが極めて少ない。

【００４５】また、教示位置データの精度がオペレータ
の目分量観測や勘に左右されることが少なくなるので、
非接触変位測定装置の計測精度に見合った高精度の位置
データ教示を行うことが可能になる。特に、レーザセン
サのような光学式変位センサはロボットアームに搭載す
ることが容易であり、また、高い計測精度を有している
から、これをロボットシステムに組み込むことによっ
て、極めて効率的且つ正確な位置教示を遂行することが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の位置データ教示方法を実施するロボ
ットシステムの全体構成を例示した図である。

【図２】図１に示されたロボットシステムを用いて、対
象物であるワーク上に選定された教示点にレーザ出力光
を照射した状態を描いた図である。

【図３】図１に示したロボットシステムに採用されてい
るレーザセンサ及びレーザセンサコントローラの概略構
成を説明する図である。

【符号の説明】

１ ロボット本体 ２ エンドエフェクタ ３ ロボットコントローラ ４ レーザセンサ ５ レーザセンサコントローラ ６ ワーク ７ ロボットアーム １１ レーザビーム １２ 教示点 ３１ 中央演算処理装置（ＣＰＵ） ３２ メモリ（ＲＯＭ） ３３ 不揮発性メモリ ３４ メモリ（ＲＡＭ） ３５ 軸制御部 ３６ サーボ回路 ３７ インターフェイス ３８ 教示操作盤 ３９ バス ４１ 半導体レーザ（ＬＤ） ４２ コリメータレンズ ４３ 投射レンズ ４５ 集光レンズ ４６ 位置検出型検出器（ＰＳＤ） ４９ モニタ光検出器 ５１ レーザ光源駆動回路 ５２ レーザ出力安定化回路５２ ５３ 電流電圧変換回路 ５４ 演算回路 Ｓd スポット光

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボット本体のアーム先端部に非接触式
   変位センシング手段を固定支持する段階と、該非接触式
   変位センシング手段に少なくとも１個の教示点のセンシ
   ングが可能な変位をとらせる段階と、該非接触式変位セ
   ンシング手段により前記少なくとも１個の教示点のセン
   シングを実行する段階と、該センシング結果と該センシ
   ング時点におけるロボット位置データに基づいて該教示
   点の位置データを獲得する段階とを含むロボットにデー
   タ教示を行なう方法。
2. 【請求項２】 前記非接触式変位センシング手段として
   光学式変位センサ装置を使用することを特徴とする請求
   項１に記載されたロボットにデータ教示を行なう方法。
3. 【請求項３】 ロボット本体と、少なくとも該ロボット
   を制御するロボットコントローラと、前記ロボット本体
   のアーム先端部に固定支持された非接触式変位センシン
   グ手段と、該非接触式変位センシング手段による教示点
   センシング結果と該センシング時点におけるロボット位
   置データに基づいて該教示点の位置データを獲得する手
   段とを有するロボット装置。
4. 【請求項４】 前記非接触式変位センシング手段がレー
   ザ光源素子と、該レーザ光源素子の出力光を被検対象物
   に入射させる光学系と、位置検出型の光検出器と、該位
   置検出型光検出器に前記被検対象物からの反射光を入射
   させる光学系とを有するレーザセンサ手段を含むレーザ
   センサ装置であることを特徴とする請求項３に記載され
   たロボット装置。