JPS6025681A - ロボツト把持器自動較正補償方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明はロボット等においてロボット把持器を全自由度
で較正し補償する方法に関する。

［従来技術］ ロボットの応用例では、ロボット把持器がロボットの作
業範囲内で所定の位置に順次反復的に作動させ且つ位置
決めされるようコンピュータ下でプログラム制御される
。ｒ　Ｉ　Ｂ　Ｍ　Ｒｏｂｏｔ　Ｓｙｓｔｅｍ／１、Ｇ
ｅｎｅｒａｌ、　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｍａｎｕａ
ｌ　ａｎｄ　Ｕｓｅｒ”　ｓｇｕｉｄｅＪを参照されれ
ば、ロボツＩ−の詳細が説明されている。

新しい作業工程の始動時に把持器を正確に定義されたホ
ーム位置から始動させる必要がある。その場合のロボッ
トの動作中、６軸方向の幾つか又は全ての方向の誤差に
より把持器の位置決めに誤差が生じるかもしれない。従
って、ロボット把持器の全ての軸方向の較正及び補償が
適当な期間毎に必要となる。このような較正は、各軸方
向の別個の測定手段によって、また測定しようとする軸
方向の種々の点で行なわれてきた。そこで得られた値か
ら別個の軸方向に修正がなされる。このような測定は非
常に時間がかかる。その上、方向軸が互いに影響を及ぼ
しあうので、満足のいくような正確度を得るには反復的
な測定を行なう必要がある。

米国特許第４３６２９７７号公報には、ロボットを較正
し、その結果を用いてロボッ１−の不正確さを補償する
方法や装置を開示している。この方法は、ロボット制御
手段で指定されもしくは位置コード化器で測定された１
組の公称位置にロボット把持器を移動させる段階と、独
立の正確な測定手段でもってロボット位置を測定したり
ロボットの作用機構即ちエンドエフェクタを正確な較正
マスクに整列させたりしてその１組の公称位置に対応す
る実際の位置を決める段階とを含む。この較正の結果は
記憶され、その後ロボットの不正確さを補償してロボッ
トを実際の所望の位置に移動させるのに使用される。

［発明が解決しようとする問題点コ しかし従来の技法では複数の所定の位置へ何度もロボッ
ト把持器を移動させ、夫々の位置で独立の測定装置でロ
ボット位置を測定したり、較正用マスクと整列させたり
するので較正や補償に時間がかかつていた。

［問題点を解決するための手段］ 特許請求の範囲に示す発明は、上述の問題点を解決する
ことを目的とする。本発明は、ロボットの作業領域内の
１点で全ての自由度の方向にロボット把持器の空間位置
を一遍に調べることによって上述の問題点を解決する。

これはロボッ１〜枠に固着された測定用静止体内の較正
位置にロボット把持器で測定体を位置決めすることによ
って実行される。この測定体は、例えば、把持器のあら
かじめ決められた定義位置に対し正確に定義された立方
体の３つの面を含んでもよい。測定用静止体は、例えば
アレイ状の感知手段を含んでもよい。

これらの感知手段は測定体の上述の３つの面に対応する
測定用静止体の３つの面に位置づけられる。

感知手段から受取った測定値から異なる軸方向の誤差が
計算され、その誤差を補償するようにロボットに指令が
出される。代りに、その誤差の値がコンピュータ指令値
に修正値として加えられてもよい。

［実施例コ 第２Ａ図はロボット装置の傾斜図である。ロボットの把
持器１はロボットの作業領域２（破線で両爪）内でコン
ピュータ制御下で動作する。この把持器は６つの座標軸
方向α、β、γ、Ｘ−Ｖ及び２の６つの座標軸方向に移
動できる。ただしαは首振り座標軸、βは縦揺れ座標軸
、そしてγは旋回軸である。ロボット枠４に固着された
作業テーブル３に器具及び材料が位置づけられる。これ
らの器具及び材料は、ロボット把持器がそれらを見つけ
たり処理したりできるように正確に予め決められた定義
位置に作業テーブル上で位置づけられる。ロボットの作
業スペースはロボット座標系（ｘ、ｙ、ｚ）によって定
義される。

新しい作業手順を始めるとき把持器が最初に較正され、
補償される必要がある。このことはロボット座標系で正
確に定義された開始位置に把持器が位置づけられること
を意味する。そしてその位置からロボット把持器はコン
ピュータ・プログラムの制御下で動作し始めることがで
きる。その」二、ロボットの作業プロセスの間、把持器
の位置決めの誤差が、６軸方向の一部又は全部でのドリ
フ１〜により、生じるおそれがある。そこで把持器が必
要な器具又は材料を見つけなかった場合ロボツ１への欠
陥動作が起ることになる。従って適当な期間毎にロボッ
ト軸の補償が必要となる。

第３図は、図示のような較正装置２１を設けたロボット
の斜視図を示す。この較正装置は、２つの主要部（第１
図も参照のこと）即ちロボット枠に固着された第１の部
分３１と１把持器によって把持される立方体型の測定体
３２である第２の部分とより成る。この第２の部分は、
ロボットの作業領域内の適当な位置に位置づけられ得る
。較正モードでは、把持器が第２の部分を把持し、それ
を較正装置の第１の部分の中の較正位置に移動させる。

好ましくは、第２の部分が上記第１の部分３１内の位置
にばねによって装着される。第２の部分は下記でもつと
詳細に説明する。

第１図及び第４図に示すように、較正装置の固定部分即
ち静止体が立方体３１の３つの側面ΔＡＦ、ＢＢＦ及び
ＣＣＦより成る。この静止体には感知手段Ｓ１乃至Ｓ６
（破線で示す）が設けられ、較正中、上記第２部分３２
即ち測定体の空間内での位置を判定する。

感知手段Ｓの位置Ｐｌ乃至Ｐ６は第４図に示すような位
置又はその他の適当な位置でよい。６個のそのような感
知手段が使用されて測定体の空間体中の位置を定義する
のに使用される。好適には、側面ＡＡＦ、ＢＢＦ及びＣ
ＣＦに２つずつ配置される。これらの感知手段は夫々の
表面に直角に位置づけられる。即ちｘ−ｙ面内の８１−
８２、Ｘ−２面内の５３−８４、ｙ−ｚ面内の８５−３
６といったように、第４図で破線で示すロボット座標系
の各面に位置づけられる。上記第１の較正部分である静
止体３１は、その座標軸ｘ、ｙ、ｚが第２図の夫々の座
標軸ｘ、ｙ及びＺと正しく平行になるよう或いはそれと
対応するようロボツｌ−枠に固着される。

第５ａ図は、ここで使用する個々の座標系相互。

の関係を示す。測定体即ち測定用立方体のボーム座標系
（ＸＨＯ，ＹＨＯ，ＺＨＯ）が第５ａ図では破線で示さ
れる６その測定体がホーム位置に位置づけられるとき全
ての感知手段が所定の値を示す。従って、ロボット把持
器は正確に定義された開始位置にある。第５ａ図は立方
体の中央ホーム座標系（ＸＣＨＯ，ＹＣＨＯ，ＺＣＨＯ
）を示す。

立方体の中央ホーム座標系とは、立方体がホーム位置に
あるとき立方体の中央の座標系と一致する座標系のこと
である。立方体中央座標系（ＸＣ１ｙｃ、ｚｃ）は測定
用立方体の中央点に原点を有し、その立方体の軸はその
立方体の面に直角な軸を有する。

第６図は、Ｘ軸、Ｘ軸及びＺ軸といった正の中央座標軸
相互間の切点ＰＥＥ、ＰＤＤ及びＰＦＦを、想像上の立
体面ＥＥ、ＤＤ及びＦＦとともに示す。交点ＰＪＪは立
方体のＹＣ軸上にある。

６つの座標軸方向の誤差の計算は図面の特に第８図の流
れ図に沿って下記で説明する。簡単のためベクトルを用
いて計算が行なわれる。１つのベクトルでのエレメント
群は直線的に配列されもしくは一方向に配列される。即
ち３次元空間でのベクトルについては第１成分（Ｘ軸）
、第２成分ｃｙ軸）及び第３成分（２軸）がある。ベク
トルの基準点はこの座標系の原点である。

１つのアレイの他の形態はマトリックスであり、諸成分
が行及び列で配列される。ｎ個の角部をもつ物体は３次
元空間内で３行、ｎ列のマトリックス即ち各座標軸毎に
１行及び１つの角部に１列を含むマトリックスによって
完全に定義される。

１つのアレイの諸成分は指標によって表わされる。１つ
の成分を選択するために１つのアレイの各寸法毎に指標
値が必要である。かくしてＮＸＭのマトリックスのＰ’
［，１１］は第１行及び第１列の成分であり、Ｐ［Ｎ；
Ｍｌは第Ｎ行及び第Ｍ列の成分である。

自動的な較正及び補償の過程は３ステツプで行なわれる
。

（１）　ロボット把持器はコンピュータプログラム制御
下で測定体３２を把持し、それを測定用静、圧体３１の
中の較正位置に動かす。選択的に、ロボットがその較正
位置に測定体を把持する。

（２）　その立方体の空間中の位置は６個のセンサＳ１
乃至Ｓ６によって感知される。この６個のセンサの値は
、これらのセンサの位置Ｐｌ乃至Ｐ６の既知の座標値と
組合わされて、その感知された諸点の空間座標を与える
。これらの座標値から測定用立方体３２の空間中の位置
及び６個の別個の座標方向の必要な修正値がコンピュー
タで計算され記憶される。

（３）　ロボットの把持器は、計算された修正値に従っ
て補償位置に、コンピュータプログラム制御下で移動さ
れる。そこでそのロボットは記憶されたワーク・プロセ
スのプログラムに従ってコンピュータプログラム制御下
でワークを開始させる用意がある。選択的に、この修正
値はコンビュ−夕指令値に加えられてもよい。

この修正値の計算は下記のように実行される。

Ｓｌ、Ｓ２及びＳ３の値がら立方体３２の底面ＡＡを含
む表面が計算される。この表面の式は、Ａ　Ａ　Ａ　ｘ
　＋　Ｂ　Ａ　Ａ　ｙ　十ＣＡ　Ａ　ｚ　＝　まただし
ＰＡＡＡ　（ＡＡＡ、ＢＡＡ、ＣＡＡ）は下記の式から
得られる。

ただしくｘｉ、ｙｌ、ｚｌ）はＳｌの空間座標といった
具合である。

Ｐ４　（ｘ４、ｙ４、ｚ４）を通る上記表面に直角な面
とその表面との間の交点は下記で与えられる。

Ｎ　Ａ　Ａ　４　（ｘ　Ｎ　Ａ　Ａ　４、ｙＮＡＡ４、
ｚＮＡＡ４’）ただし ｘＮＡＡ４＝　（（ＢＢＢ２＋ＣＣＣ２）　・ｘ４＋（
ＡＡＡ−ＢＢＢ−ｙ４）−（ＡＡＡ−ＣＣＣ−ｚ４）　
＋ＡＡＡ）ＮＮＮただし ＮＮＮ＝　（ＡＡＡ”＋ＢＢＢ２＋ＣＣＣ”）ｙＮＡＡ
４＝　（ｘＮＡＡ４−Ｘ４）　・ＢＢＢ÷ＡＡＡ＋ｙ４
’ｚＮＡＡ４＝　（ｘＮＡＡ、４−ｘ４）　・ＣＣＣ÷
ＡＡＡ＋ｚ４立方体の表面ＢＢを含む表面が、表面ＡＡ
を含む表面と同じ態様で計算できる。その表面の３点Ｓ
４　（ｘ４、ｙ４、ｚ４）　、Ｓ５　（ｘ５、ｙ５、ｚ
５）及びＮＡＡ４が既知である。

表面ＡＡ及びＢＢを含む表面に直角で且っ５６（ｘ６、
ｙ６、ｚ６）及び上記表面をそれぞれ通る交点ＮＡＡ６
及びＮＢＢ６を先ず計算することによって、立方体の表
面ＣＣを含む表面が計算される。

この３つの表面の式は下記で与えられる。

Ａ　Ａ　Ａ　ｘ　＋　Ｂ　Ａ　Ａ　ｙ　＋　ＣＡ　Ａ　
ｚ　＝　１ＡＢＢｘ十ＢＢＢｙ＋ＣＢＢｚ＝１ Ａ　ＣＣｘ　＋　Ｂ　ＣＣｙ　＋　ＣＣＣｚ　＝　１立
方体の表面ＡＡ、ＢＢ及びＣＣ間の交点ＰＨは、上記の
式を解くことによって得られる。かくして、ＰＨ（ｘＨ
，ｙＨ，ｚＨ）は 立方体の縁に沿うＰＨ（ＰＸＸ、ＰＹＹ、ＰＺＺ）の単
位軸は ＰＸＸ＝　（ＮＡＡ４−ＰＨ）＋　（（ＮＡＡ４−ＰＨ
）　２）”ＰＹＹ＝　（ＮＡＡ６−ＰＨ）÷（（ＮＡＡ
６−ＰＨ）　２）’°５′ＰＺＺ＝　（ＮＢＢ６−ＰＨ
）÷（（ＮＩ３８６−ＰＨ）　２）”’この立方体の側
面の長さを２ｄと仮定しよう。

するとロボット座標系の立方体の中央座標系の原点ＰＣ
Ｏの位置は下記のとおりである。

ＰＣＯ＝ＰＨ＋ｄｘ　（ＰＸＸ＋ＰＹＹ十ＰＺＺ）この
立方体のホームの座標系の原点はＰＨ０（ｘＨｏ、ｕＨ
ｏ、ｚＨｏ）によって定義され、立方体の中央のホーム
の座標系の原点はＰＣＨＯ（ｘ　ＣＨＯ、ｕ　ＣＨＯ、
ｚ　ＣＨＯ）によって定義される（第５ａ図参照）。

立方体の中央のホーム座標系で定義される立方体中央の
座標系の原点の位置は下記の式で与えられる。

ＰＡＣＯ＝ＰＣＯ−ＰＣＨＯ ＰＣＯとその接続部との距離が５ｄとする。するとロボ
ット座標系でＰＤＤ、ＰＥＥ、ＰＦＦ及びＰＪＪの各点
は下記で定義される。

ＰＤＤ＝ＰＣＯ＋ｄ　ｘＰＹＹ ＰＥＥ＝ＰＣＯ＋ｄ　ｘＰＸＸ ＰＦＦ＝ＰＣＯ＋、ｄｘＰＺＺ ＰＪＪ＝ＰＣＯ＋５ｄｘＰＹＹ これらの諸点はＰＣＯが加えられるので下記のようにマ
トリックス様式で表現され且つ作動される。

ｐＣＵＪｏ＝ｐｃｏ、ＰＤＤ、ＰＥＥ、ＰＦＦ、ＰＪＪ
又は書出されたマトリックス様式としてロボット座標系
から立方体中央ホーム座標系への変換は、下記によって
行なわれる。

ＰＣＵＪＯＣ＝ＰＣＵＪＯ−ＰＣＨＯ ＰＡＣＯを原点ＰＣＨＯにもたらすために変換マトリッ
クスＭ、　Ｔ　Ｒは下記のとおりである。

この変換マトリックスは下記で表わされる。

Ｔ　ＲＯＲ，Ｉ　Ｇ　Ｏ＝　Ｍ　Ｔ　Ｒｘ　Ｐ　ＣＵ　
Ｊ　ＯＣさて、α及びβの軸の誤差は下記の式で表わさ
れる。

α＝ａｒｃｔｇ（ＴＲＯＲＩＧＯ［３；５］　）÷（Ｔ
ＲＯＲＩＧｏ　［２；５］　）β＝ａｒｃｔｇ（ＴＲＯ
ＲＩ　Ｇｏ　［１；　５］　）÷（ＴＲＯＲＩＧＯ［２
；５］　）ＴＲ０ＲＩＧｏαのＸ軸の廻りの回転度合及
びＺ軸の廻りのβの回転度合は立方体中央座標系のｙ軸
を立方体中央ホーム座標系のｙ軸と同軸にする。

Ｘ軸、ｙ軸及びＺ軸の廻りの回転のためのマトリックス
は夫々下記のとおりである。

Ｍ　１　＝　ＲＯＴ　Ｘ　Ａ　Ｘ　ｘ　ＲＯＴ　Ｚ　Ａ
　Ｘ斯して Ｍ　Ａ、　ＴＯ＝Ｍ１ｘＴＲＯＲＩＧ。

はＴＲ０ＲＩＧｏをＭＡＴＯに変換する。ＭＡＴＯはそ
のｙ軸をｙｃＨｏ軸と同軸のマトリックスである。

γ座標軸方向の誤差は下記のとおりである。

ｙ　＝ａｒｃｔｇ（ＭＡＴＯ［１；　４］　）÷（ＭＡ
ＴＯ［３；　４］　）ＭＡＴＯのｙ軸の廻りの回転γ度
はＭ　Ａ、　Ｔ　Ｏをもたらす。このことは立方体及び
その結合点をそのホーム位置にもたらす。

Ｍ　Ａ　Ｔ　ＨＯ＝　ＲＯＴ　Ｙ　Ａ　Ｘ　ｘ　Ｍ　Ａ
　Ｔ　Ｏ従って結合点ＰＪＪのＸ方向、Ｘ方向及び２方
向の必要な修正は、下記の式で与えられる。

ＸＹＺ＝ＰＣＵＪＯ［１２３；５］　−ＭＡＴＨＯ［１
，２３；５コｘ＝ＸＹＺ［１］ ｙ＝ＸＹＺ　［２コ ｚ＝ＸＹＺ　［３コ この６つの座標軸方向についての−α、−β、−γ、−
ｘ、−ｙ及び−２という修正値はコンピュータに修正値
として送られる。

ＡＰＬプログラムコードで上記の計算を行なえることは
当業者には容易に理解できよう。センサの値として例え
ば下記の所定の値が使用されたとする。即ちＰＬ（１０
，４、Ｏ）、Ｐ２　（４，４、Ｑ）、Ｐ３（４，１０、
Ｏ）、Ｐ４（１０，０，６）、Ｐ５　（４，０、ｆ３）
　、Ｐ６　（０，６，６）及びｄ＝５とする。所定のセ
ンサの値は全てのセ。

ンサについて２に選択される。このことは測定用立方体
がホーム位置にもたらされるとき、感知される全ての値
が２であることを意味する。

下記の表は、感知手段で感知された一例の値を如上の計
算式に充てはめてみたものである。

膿　ぐ　０ 寸　（０寸 ■　１０　ｊＤ ＯＩｆ）　寸 ｈす■の の Ｎ　■　凶 Ｉｏ　０　■ ω　の　■ さ　ＣＯの 国　■　ＯＯ （’）Ｃ−ｔ−０００＋−１ ｔ’−−、Ｈｃｏ　ｏ　ｏ　。

へ　ＣＤ　ω　ＯＯＯ さ　の　ｈｏｏｏ　ω　寸　〇 −〇■ＯＯＯＩｎ　ＣＱ　Ｏ ［＞ｃ’−■ ＯＯＯト　ＯＯ ＯＯＯ■　ＯＯ ＯＯＯω　００　（Ｏ１１’）　寸 ←　ｃｏ　■　Ｏ ■　＋＋＋　−■　０Ｆ−１■　０＋ ｏｏぐ　。。。　層 １ ｖＪ。

転相 難罰 虫コ ［発明の効果］ 本発明によれば、複数の位置へ何度もロボット把持器を
移動させなくても、複数個の感知手段で１回測定するだ
けで、各軸方向の誤差がＭ１算され、その誤差を補償で
きるので、較正や補償の時間が著しく短縮できる効果が
ある（実施例では２．３秒でできた）。

【図面の簡単な説明】

第１図は、較正装置の斜視図である。第２Ａ図は６自由
度で移動できるロボット把持器を設けたロボット装置の
斜視図である。第２Ｂ図乃至第２Ｄ図は、３自由度のロ
ボット・ハンドを示す。第３図は較正装置が設けられた
ロボット装置の斜視図である。第４図は、較正装置の一
定部分を示す斜視図である。第５図は空間の種々の位置
を説明するのに使用される座標系を示す斜視図である。 第５Ａ図は座標系相互の関係を示す図である。第６図は
挿入された立方体の座標系をもつ測定用立方体の斜視図
である。第７図は測定用水の斜視図である。第８図は本
発明の第１の代替実施例の動作に示す流れ図である。 １・・・・ロボットの把持器、２・・・・作業領域、３
・・・・作業テーブル、４・・・・ロボット枠、２１・
・・・較正装置、３１・・・・（測定用）静止体、３２
・・・・。 測定体又は（測定用）立方体、８１〜Ｓ６・・・・感知
手段、Ｐ１〜Ｐ６・・・・感知手段８１〜Ｓ６の位置。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人　弁理士　山　本　仁　朗 （外１名） 第１ｖｌ 第２Ｂ図　第２Ｃ図　第２Ｄ図 Ｈ２ 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ロボット把持器を全自由度で自動的に較正し補償する方
   法にして、 ロボット制御器の記憶している、測定用静止体中の予め
   決められた公称位置を表わす指令に応答して、ロボット
   把持器で保持されている測定体を移動させ、 上記測定体によって得られる実際の位置を複数個の感知
   手段による実際の測定によって１回で調べ、 上記複数個の感知手段から受けた測定値及び公称位置の
   値に基づく種々の軸方向の誤差を計算し、各軸方向の誤
   差を補償することを特徴とするロボット把持器自動較正
   補償方法。