JPH0890465A - ロボットのポ−ズ性能自動測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットのポ−ズ性能を容易且つ正確に測定
することを可能ならしめる自動測定システムを提供する
ことを目的とする。 【構成】 互いに垂直な３表面を持ち、ロボット３に接
続されるタ−ゲット１と、非接触式センサ−５を有する
互いに垂直な３表面を持つマルチセンサ−測定ヘッド４
と、センサ−５とコンピュ−タシステム１２との間に位
置してこれら両者間の信号の授受を媒介すると共に、ロ
ボットコントロ−ラ３０とコンピュ−タシステム１２と
の間に位置してこれら両者間の信号の授受を媒介するイ
ンタ−フェ−ス制御ユニット６と、少なくとも立方体定
位測定原理に基づくポ−ズ計算のためのソフトウェア２
０を有するコンピュ−タシステム１２とから成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＳＯ９２８３規格に
基づき、産業用ロボットのポ−ズ性能を自動的に測定す
るシステムに関するものである。ここにおいてロボット
のポ−ズとは、ロボットのア−ムの空間における位置と
方向のことをいい、６要素を含むベクトル量ｐ＝（ｘ，
ｙ，ｚ，ａ，ｂ，ｃ）で表すことができる。その内
（ｘ，ｙ，ｚ）は位置を表し、（ａ，ｂ，ｃ）は方向を
表す。

【０００２】

【従来の技術】ロボットの性能には色々なものがある。
ユ−ザが関心を持っているのは、構造形状、作業空間、
自由度、制限負荷、位置またはポーズ性能、並びに、価
格である。ロボットを利用する基本条件の１つは、ロボ
ットの手首が特定の作業環境の下で満足できるポ−ズの
リピ−ト性を有することである。

【０００３】ユ−ザがロボットにオフライン・プログラ
ミング方式で作動することを希望するのなら、ポーズの
精度に要求を出すはずであるし、ロボットに指定された
軌跡に沿って正確に動くことを希望するなら、ロボット
の経路特性に要求を出すはずである。ロボットの製造過
程における品質管理、ロボット製品の性能検査、ロボッ
トの誤差修正、問題診断、生産過程におけるロボット化
方法、及び、精密装備方法に関する研究等においては、
ロボットのポ−ズ性能の測定は必要かつ重要なことであ
る。

【０００４】しかし、ロボットのポ−ズ性能に対する正
確な記述と測量は簡単なことではない。それは以下の原
因によるものである。 １）一般的にいうと、産業用ロボットはある種の直列性
をもつ多関節構造を有する。各関節の位置は閉ル−プで
制御でき、高い定位精度が得られるが、手首の姿勢は随
時ロボットの制御部にフィ−ドバックすることができな
い。各関節の微少な位置誤差がア−ムの長さで拡大さ
れ、これらの誤差はまた、ロボットのア−ムを伸ばす状
態によって足し合ったり打ち消し合ったりする。言い替
えれば、ロボットはその構造と制御特徴如何により、作
業空間の違う位置において手首のポ−ズ精度が異なり、
その差が非常に大きい場合すらある。

【０００５】２）ロボットが実際の作業中に実現できる
ポ−ズ性能は、使用条件、例えば、負荷加重、運動速度
と方向、取付ベ−スの安定性などの影響を受ける。 ３）信頼性が高く、かつ、全面的な評価を行うために
は、大量のデ−タ測定を行う必要がある。各回の測定は
ロボットの運動制御に協調しなければならない。

【０００６】接触式マイクロメ−タを用いてロボットの
位置リピ−ト性を測量する方法は、工場でよく利用され
る簡易な方法であるが、この方法の短所を以下に示す。 １）位置のリピ−ト性は測定できるが、方向のリピ−ト
性が測定できない。 ２）測定の効率が悪い。１回につき１つの位置要素しか
測定できない。 ３）動的特性の測定ができない。 ４）自動測定に向かない。

【０００７】汎用光学測定計器、例えばセオドライト、
レ−ザ干渉型距離測定器またはマルチ・カメラ・システ
ムなどを用いても、ロボットのポ−ズ性能の測定要求を
満足いくほど満たすことができない。その主な原因を以
下に示す。 １）通常位置デ−タは測定できるが、方向デ−タの測定
は難しい。 ２）ロボットの制御部との間の通信及び協調作動がうま
くできない。従って、自動測定が実現しにくい。 ３）温度、湿度、ほこり及び現場空間などの環境要素に
よって使用制限を受ける。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
測定計器の欠点を克服し、ロボットのポ−ズ性能を容易
且つ正確に測定することを可能ならしめる自動測定シス
テムを提供することを課題とするものである。より詳細
には、本発明は非接触式立方体位置測定原理に基づき、
位置と方向のデ−タを同時に得ることができ、また、完
成された測定制御とデ−タ処理機能を備え、被測定ロボ
ットと簡単に接続でき、ＩＳＯ９２８３に規定された各
種のポ−ズ性能を自動的に測定でき、優れたノイズ防止
機能を持ち、作業環境において安定した動作ができ、し
かも、必要な測定レポ−トを作成できる産業用ロボット
のポ−ズ性能自動測定システムを提供することを課題と
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、互いに垂直な
３表面を持ち、ロボットの被測定部にメカニカル・イン
タ−フェ−スを介して接続されるタ−ゲットと、非接触
式センサ−を有する互いに垂直な３表面を持ち、前記ロ
ボットの作業空間内の測定位置に固定されるマルチセン
サ−測定ヘッドと、前記センサ−とコンピュ−タシステ
ムとの間に位置してこれら両者間の信号の授受を媒介す
ると共に、ロボットコントロ−ラと前記コンピュ−タシ
ステムとの間に位置してこれら両者間の信号の授受を媒
介するインタ−フェ−ス制御ユニットと、少なくとも立
方体定位測定原理に基づくポ−ズ計算のためのソフトウ
ェアを有する前記コンピュ−タシステムとから成るロボ
ットのポ−ズ性能自動測定システム、を以て上記課題を
解決した。上記と逆に、タ−ゲットの方をロボットの作
業空間内の測定位置に固定し、マルチセンサ−測定ヘッ
ドをロボットに取付けることとしてもよい。

【００１０】

【作 用】互いに垂直な３表面を持つタ−ゲットに、非
接触式センサ−を有する互いに垂直な３表面を持つマル
チセンサ−測定ヘッドを対向させ、タ−ゲットの相対的
な動きを立方体定位測定原理に基づいてポ−ズ計算し、
位置と方向のデ−タを同時に測定する。

【００１１】

【実施例】本発明の好ましい実施例を、添付図面に依拠
して説明する。本発明に係る産業用ロボットのポ−ズ性
能自動測定システムは、少なくとも有機的に関連する次
の４つの部分から成る。

【００１２】１）互いに垂直である３つの表平面を持つ
タ−ゲット１ タ−ゲット１は普通立方体であるが、直方体、その他、
互いに垂直な３平面を有する立体であれば足りる。タ−
ゲット１は、メカニカル・インタ−フェ−ス２を介して
被測定ロボット３のア−ム（または操作器インタ−フェ
−ス）に接続される。

【００１３】２）互いに垂直である３つの表面を持つマ
ルチセンサ−測定ヘッド４ 測定ヘッド４は、上記３つの表面に配置された少なくと
も６つの非接触式センサ−５を有しており、機械的に支
持されることによって、ロボット３の作業空間の任意位
置に固定することができるようにされる。ロボット３に
取り付けてあるタ−ゲット１が測定ヘッド４に近づく
と、各センサ−５はタ−ゲット１表面に対する距離デ−
タを送出する。これらのデ−タとポ−ズ計算アルゴリズ
ムを用いて、タ−ゲット１の測定ヘッド４に対する変位
と回転角が計算される。この変位と回転角を用いて、被
測定ロボット３のポ−ズ性能が評価される。

【００１４】３）電子インタ−フェ−ス制御ユニット６
（ＥＩＣＵ） ＥＩＣＵ６は電子部品を通してセンサ−５に必要な電源
と信号を提供し、センサ−５から出力される信号をアナ
ログフィルタ−７でフィルタリングし、Ａ／Ｄ変換器８
を通してデジタル信号に変換してからコンピュ−タ１２
に送信する。また、ＥＩＣＵ６は、デジタル入力／出力
（ＤＩ／Ｏ）インタ−フェ−ス９を通してコンピュ−タ
１２と被測定ロボット３からの制御信号を受信し、ロジ
ック制御回路１０を通して測定システムとロボット間の
通信、及び、その他の補助制御と電圧レベル整合、電気
絶縁などの機能を実現する。

【００１５】４）コンピュ−タシステム一式 コンピュ−タシステム１２は少なくともＣＰＵ、メモ
リ、シリアル及びパラレルインタ−フェ−ス１５、ハ−
ドディスクとドライバ１６、フロッピディスクドライバ
１７、ディスプレイ１８、キ−ボ−ド１９、ＯＳシステ
ムウインドウズ及び専用のソフトウェアパッケ−ジ２０
を含む。ソフトウェアを利用することによって、測定管
理と制御、デ−タ収集と処理、及び、測定結果レポ−ト
の自動作成などの機能が実現できる。ＥＩＣＵ６は独立
したキャビネット内に収納してもよいし、部分的または
全部をコンピュ−タのキャビネット内に収納してもよ
い。

【００１６】上述した例ではタ−ゲット１が被測定ロボ
ット３に固定され、その動きをロボットの作業空間内の
測定位置に固定されたマルチセンサ−測定ヘッド４で監
視するが、これと逆に、タ−ゲット１の方をロボットの
作業空間内の測定位置に固定しておき、測定ヘッド４を
ロボット３に接続することとしてもよい。この場合もタ
−ゲット１の相対的動きを監視することにより、上述の
例と同じ測定結果が得られる。

【００１７】本発明の特徴は、非接触式立方体定位測定
原理を採用することにより、位置と方向のデ−タを同時
に計ることができるところにある。測定時に、測定ヘッ
ド４とタ−ゲット１との間に機械的接触がないので、接
触式測定における接触力による測定結果への干渉を避け
ることができる。非接触式センサ−５には機械的な運動
要素がないため、摩擦損傷が起こらない。従って、シス
テムの信頼性を向上させることができる。

【００１８】本発明のもう一つの重要な側面は、一体化
された測定方法という点である。一つのプラットフォ−
ムと一台の高精度の変位測定計器（例えば、レ−ザ干渉
型距離測定器）を用いて、タ−ゲット１、測定ヘッド
４、アナログフィルタ−７、Ａ／Ｄ変換器８から成る測
定チェンに対してキャリブレ−ションを行なう。一度キ
ャリブレ−ションが済めば、全ての測定チェン（測定チ
ェン数＝センサ−数）を含めたキャリブレ−ション・デ
−タ表が得られる。それをデ−タ・ファイルとしてコン
ピュ−タに格納する。

【００１９】その後の測定プロセスでは、センサ−５か
らのデ−タとキャリブレ−ション・デ−タ表との補間計
算により、各センサ−とタ−ゲットの間の距離を求め
る。そして、ポ−ズ計算方法によりポ−ズ特性を求め
る。一体化されたキャリブレ−ションでは、センサ−か
ら成る擬似三面体（測定ヘッド座標系）が作られる。ま
た、測定チェンの中で発生したシステム誤差を最小限に
抑えるように、システムの精度を上げる。

【００２０】ポ−ズ性能計測の自動化を実現するため
に、計測システムとロボット・コントロ−ラ３０の間の
同期を保証しなければならない。本発明は、簡単かつ有
効な同期方法と実現手段を与える。即ち、ＭＳ（システ
ム測定状態）とＲＳ（ロボット運動状態）の二つのシグ
ナルを設ける。ＭＳ＝１は、計測システムがデ−タを収
集中で、ロボット作動禁止状態を表わす。ＭＳ＝０は、
デ−タ収集完了で、ロボット作動可能状態を表わす。ま
た、ＲＳ＝１は、ロボット作動中で、計測不可の状態を
表わす。ＲＳ＝０は、ロボットア−ムが指定位置に到達
し（または測定範囲に入り）、計測可能な状態となった
ことを表わす。計測システムとロボット・コントロ−ラ
３０は、この二つのシグナルによって各自の制御の流れ
をコントロ−ルする。これによって、計測システムとロ
ボット・コントロ−ラ３０の同期を実現する。

【００２１】本発明では、ＭＳとＲＳのケ−ブル３２に
より、ロボット・コントロ−ラ３０のデジタルＩ／Ｏイ
ンタフェ−ス３１と計測システムのＥＩＣＵ６とが接続
される。ＥＩＣＵ６には電気的なシ−ルドが施され、計
測システムが異なったデジタルＩ／Ｏ電気特性を持つ各
種のロボットに容易に連結できるように、電圧レベル整
合機能が付けられる。

【００２２】計測システムが作業環境で信頼性を保つた
めに、本発明ではアナログとディジタルの二階層フィル
タ−技術を用いている。即ち、センサ−５の出力をまず
アナログ・フィルタ−７を通してからデジタル信号に変
換し、次いでディジタル・フィルタ−２１で処理を行な
うという二階層のフィルタ−処理によって、計測システ
ムのノイズ対抗性能の向上を図っている。

【００２３】本発明の顕著な特徴は、計測システムが高
度な自動化を有する点にある。計測パラメ−タの初期設
定と測定ヘッド初期位置の調整の他に、計測、処理及び
結果の報告がすべて自動化されている。本発明は以下の
ポ−ズ性能を計測するのに用いられる。

【００２４】１）ポ−ズ安定化時間とポ−ズ行過ぎ量
（ＰＳＴとＰＯＳ）または（ＳＴＯ） ２）ポ−ズ精度とポ−ズ繰り返し精度（ＡＰとＲＰ） ３）多方向ポ−ズ戻り精度（ＶＡＰ） ４）ポ−ズ特性のドリフト（Ｄｒｉｆｔ）または（ＤＰ
Ｃ）

【００２５】計測プロセスの自動化が可能となったの
は、計測要求に従うシステムの設計とコンピュ−タ制御
技術の利用のためである。コンピュ−タ制御システムの
中心部分は、合理的に設計されたソフトウェアパッケー
ジ２０である。本発明では、計測システムのソフトウェ
アは少なくとも以下の機能を持たなければならない。 １）計測の管理と制御 ２）デ−タ収集と処理 ３）計測結果報告の作成

【００２６】ロボットのポ−ズの全面的な評価を得るた
めに、関連する計測項目は多数の計測点に対して測定を
行なわなければならない。ＩＳＯ９２８３規格は５つの
可能な計測点を規定している。本発明は一つの計測プロ
セス状態表を用いて、計測プロセスとデ−タ・ファイル
の管理をすることにより、オペレ−ション上の測定忘
れ、重複、及び、位置ずれなどの起こり易い間違いを避
けることができる。

【００２７】一つの計測項目がある計測点で終了した
（計測とデ−タ格納が全部終了した）とき、終了日付を
計測プロセス状態表に記録し、画面に表示できるように
する（図３参照）。重複計測が発生したとき、コンピュ
−タは自動的にそれを検出してユ−ザに知らせる。位置
ずれ設定（例えば、計測点Ｐ３の上でＶＡＰ計測を行な
う）が発生したときには、コンピュ−タはユ−ザにこれ
が間違った計測設定であることを知らせる。本発明で
は、図３に示すすべての計測の組み合わせの計測デ−タ
を一つのデ−タ・ファイルに格納するので、デ−タの検
索と処理は簡便である。

【００２８】本発明はユ−ザ−フレンドリなグラフィク
・インタフェ−スを提供する。ユ−ザは提示された内容
によって容易に計測項目、計測点、及び、各種の計測パ
ラメ−タ等の計測条件を設定することができる。一方、
コンピュ−タ制御システムはユ−ザが設定した計測パラ
メ−タ及びロボット作動状態のシグナルＲＳに従って、
計測プロセスをコントロ−ルする。同時に、計測プロセ
スにおいてコンピュ−タ・システムは、センサ−に電源
を提供している精密電源アダプタの出力をリアルタイム
に監視する。その出力の変化が正常範囲を超えた場合、
コンピュ−タは即時測定を中止して警報を発する。

【００２９】本発明におけるデ−タ収集と処理の流れを
図２に示す。センサ−の出力信号は、先ずアナログ・フ
ィルタ−７を用いて高周波数をカットしてからＡ／Ｄ変
換器８でディジタル信号に変換する。更に、ディジタル
・フィルタ−２１を用いて、変換されたディジタル信号
を処理することによって、外部の突発的ノイズによる大
きな誤差の発生を避ける。そして、測定チェンのキャリ
ブレ−ション・デ−タ表を用い、センサ−の非線形誤差
と測定チェン中の他のシステム誤差を補正し、各センサ
−からタ−ゲット表面までの距離デ−タを計算する。こ
れらの距離デ−タとポ−ズ計算アルゴリズムにより、測
定ヘッド４に対するタ−ゲット１のポ−ズ及び変化を知
ることができる。

【００３０】本発明のもう一つの特徴は、多種の計測結
果の表現形式を提供して、計測結果に対する更なる分析
と開発を行ない易くすることにある。本発明では、以下
の三種の異なった計測結果の形式を提供する（ディスプ
レイ１８での表示またはプリンタ３３による出力）。

【００３１】１）ゼネラル・レポート ゼネラル・レポ−トのフォ−マットの初期画面では、被
測定ロボット、計測環境、計測用計器、デ−タ・ファイ
ルなどに関する情報と計測プロセス状態表が示される
（図４）。その他のフォ−マットにおいては、ポ−ズ安
定化時間と行過ぎ量、ポ−ズ精度と繰り返し精度、多方
向ポ−ズ戻り精度、及び、ポ−ズ特性のドリフトの計測
結果と条件等が示される。このゼネラル・レポ−トは計
測システムによって自動的に作成される。その他に、本
発明におけるソフトウェアは、ゼネラル・レポ−トのメ
ニュ−中で編集機能も提供する。ユ−ザは、それを用い
てフリ−・フォ−マットでゼネラル・レポ−トにコメン
トを入れることができる。

【００３２】２）図形レポ−ト 本発明のソフトウェアの図形処理機能によって、ユ−ザ
は計測結果中の任意のポ−ズ成分の図形表示を極めて容
易に出力することができる。図５はポ−ズ安定化時間と
行過ぎ量の一次元図形出力例である。図６と図７は、そ
れぞれＡＰとＲＰの一次元と二次元の図形出力例であ
る。図８はＶＡＰの二次元の図形出力例である。図９は
ポ−ズ繰り返し精度の一次元の誤差分布図出力例であ
る。図１０はポ−ズ特性のドリフトの一次元の図形出力
例である。これらの図形はロボットの誤差分析と問題診
断に非常に役に立つものである。

【００３３】３）各センサ−とタ−ゲットの間の距離デ
−タ表 これらのデ−タを用いて処理結果の正確性を検証するこ
とができる。また、これらのデ−タは、今後開発される
新しいデ−タ処理にも利用することができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明は上述した通りであるから、非接
触式立方体位置測定原理に基づくポ−ズ計算アルゴリズ
ムにより、位置と方向のデ−タを同時に得ることがで
き、また、完成された測定制御とデ−タ処理機能を備
え、被測定ロボットと簡単に接続でき、ＩＳＯ９２８３
に規定された各種のポ−ズ性能を自動的に測定でき、優
れたノイズ防止機能を持ち、作業環境において安定した
動作ができ、しかも、必要な測定レポ−トを作成できる
産業用ロボットのポ−ズ性能自動測定システムを提供し
得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例の概略構成図である。

【図２】 本発明の実施例におけるデ−タ収集と処理フ
ロ−を示す図である。

【図３】 本発明の実施例における計測プロセス状態表
の例を示す図である。

【図４】 本発明の実施例におけるジェネラルレポ−ト
の初期画面の例を示す図である。

【図５】 本発明の実施例におけるポ−ズ安定化時間と
行過ぎ量の一次元図形出力例を示す図である。

【図６】 本発明の実施例におけるポ−ズ精度とポ−ズ
繰り返し精度（ＡＰとＰＲ）の一次元図形出力例を示す
図である。

【図７】 本発明の実施例におけるＡＰとＰＲの二次元
図形出力例を示す図である。

【図８】 本発明の実施例における多方向ポ−ズ戻り精
度（ＶＡＰ）の二次元の図形出力例を示す図である。

【図９】 本発明の実施例におけるポ−ズ繰り返し精度
の一次元の誤差分布図出力例を示す図である。

【図10】 本発明の実施例におけるポ−ズ特性のドリフ
トの一次元の図形出力例を示す図である。

【符号の説明】

１ タ−ゲット ２ メカニカル・インタ−フェ−ス ３ 被測定ロボット ４ 測定ヘッド ５ 非接触式センサ− ６ 電子インタ−フェ−ス制御ユニット（ＥＩＣＵ） 12 コンピュ−タシステム 20 ソフトウェアパッケ−ジ 30 ロボットコントロ−ラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イェ− ニン シンガポ−ル 0511 サイエンス パ−ク ドライブ 73 シンテックビルディング エスジェイ（シンガポ−ル） リサ−チ アンド ディベロップメント ピ−ティ −イ− リミテッド内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに垂直な３表面を持ち、ロボットの
   被測定部にメカニカル・インタ−フェ−スを介して接続
   されるタ−ゲットと、 非接触式センサ−を有する互いに垂直な３表面を持ち、
   前記ロボットの作業空間内の測定位置に固定されるマル
   チセンサ−測定ヘッドと、 前記センサ−とコンピュ−タシステムとの間に位置して
   これら両者間の信号の授受を媒介すると共に、ロボット
   コントロ−ラと前記コンピュ−タシステムとの間に位置
   してこれら両者間の信号の授受を媒介するインタ−フェ
   −ス制御ユニットと、 少なくとも立方体定位測定原理に基づくポ−ズ計算のた
   めのソフトウェアを有する前記コンピュ−タシステムと
   から成るロボットのポ−ズ性能自動測定システム。
2. 【請求項２】 互いに垂直な３表面を持ち、ロボットの
   作業空間内の測定位置に固定されるタ−ゲットと、 非接触式センサ−を有する互いに垂直な３表面を持ち、
   ロボットの被測定部にメカニカル・インタ−フェ−スを
   介して接続されるマルチセンサ−測定ヘッドと、 前記センサ−とコンピュ−タシステムとの間に位置して
   これら両者間の信号の授受を媒介すると共に、ロボット
   コントロ−ラと前記コンピュ−タシステムとの間に位置
   してこれら両者間の信号の授受を媒介するインタ−フェ
   −ス制御ユニットと、 少なくとも立方体定位測定原理に基づくポ−ズ計算のた
   めのソフトウェアを有する前記コンピュ−タシステムと
   から成るロボットのポ−ズ性能自動測定システム。
3. 【請求項３】 計測のプロセスを示す表を用い、計測プ
   ロセスとデ−タファイルの管理を補助的に行なうことを
   特徴とする請求項１又は２記載のロボットのポ−ズ性能
   自動測定システム。