(57)【要約】本発明は産業用ロボット（１）のインライン較正の方法に関する。ロボット（１）は、固定ベース部（２）とマルチ・チェーンリンク・ロボットアーム（３）を備える。チェーンリンク（４）は、関節ジョイント（５）によってそれぞれ相互の接続とロボット（１）のベース部（２）への接続がされている。ロボットアーム（３）のエンドエフェクタ（６）はベース部（２）に対して、３次元作業空間内の任意の所望配置へ移動することができる。基本的な考え方は、エンドエフェクタ（６）を予め定義された較正配置に移動し、その配置に対するロボット（１）の特性パラメータを決定する、ということである。この特性パラメータを、その較正配置に対して以前に取得された、対応のパラメータ値と比較する。現在の配置の特性パラメータと以前に取得されたパラメータの間の差を用いて、ロボット（１）の運動学モデルを修正し、ロボット（１）の通常運転中の遠位端（６）の移動精度を向上させる。エンドエフェクタ（６）は反復閉ループ制御プロセスによって正確に較正配置に移動され、そこでエンドエフェクタ（６）に固定された光源（７）が光線を放出し、それがロボットベース（２）に対して固定位置にある少なくとも１つの光学位置センサ（１２）に当たる。エンドエフェクタ（６）を反復プロセスによって移動させて、センサ（１２）上の実際の光線位置（２０）を、予め定義された較正配置に対応する既定位置（２０’）に一致させる。
2015532219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業用ロボット（１）のインライン較正の方法であって、
ロボット（１）が、固定ベース部（２）と、マルチ・チェーンリンク・ロボットアーム（３）とを備え、複数のチェーンリンク（４）は、それぞれが関節ジョイント（５）により相互に接続されているとともに前記ロボット（１）のベース部（２）に接続されており、前記ロボットアーム（３）の遠位端（６）は、前記ベース部（２）に対して３次元空間内を所望の位置及び向き、以下これを配置と呼ぶ、に移動させることが可能であり、
前記方法は、
前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）に固定的に接続された少なくとも１つの光源（７）により、少なくとも３つの光線が生成され、
少なくとも１つの光学位置センサ（１２）であって、当該センサに当たる光線の位置を２次元平面内で判定するように適合された少なくとも１つの光学位置センサ（１２）が、前記ロボットの前記ベース部（２）に対して固定された配置に置かれることにより、前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）が予め定義された較正配置にある場合に前記少なくとも１つの光源（７）により生成された前記光線の少なくともいくつかが前記少なくとも１つのセンサ（１２）の少なくとも１つに当たるようになっており、
前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）は、ロボットコントローラ（１ａ）からの制御信号によって予め定義された較正配置へ駆動され、ここで、前記生成された光線の少なくともいくつかは前記少なくとも１つのセンサ（１２）の少なくとも１つの上のある位置（２０）に当たり、
前記生成された光線が前記少なくとも１つのセンサ（１２）の少なくとも１つに当たる前記位置（２０）が判定され、
前記ロボット（１）は反復閉ループ制御プロセスによって駆動されて、前記少なくとも１つのセンサ（１２）の少なくとも１つに当たる前記光線の前記位置（２０）が、前記ロボット（１）の前の状態における前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の前記較正配置を特徴づける、予め定義された位置（２０’）へ移動させられ、
前記少なくとも１つのセンサ（１２）の少なくとも１つに当たる前記光線が前記予め定義された位置（２０’）に到達した時に、前記ロボットコントローラ（１ａ）において前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の配置を一意的に特徴づける、前記ロボットアーム（３）の特性パラメータが決定され、
決定された前記特性パラメータが、前記予め定義された位置（２０’）に関する前記ロボットアーム（３）の対応する予め定義された特性パラメータと比較され、前記ロボットアーム（３）の前記予め定義された特性パラメータは前記前の状態における前記ロボット（１）の運動学モデルを定義し、
前記決定された特性パラメータと前記対応する予め定義された特性パラメータとの差が、前記ロボット（１）の前記運動学モデルを更新するために利用され、
前記ロボット（１）の更新された前記運動学モデルは、前記ロボット（１）の通常運転中に、前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の原配置を、前記ロボット（１）の通常運転中に生じる前記ロボットアーム（３）の不正確さを考慮に入れたより精密な配置へ補正するために利用されるよう適合され、ここで前記原配置は、前記ロボット（１）の通常運転時に前記ロボットコントローラ（１ａ）が発する制御信号に由来する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの光源（７）により生成される前記光線は、少なくとも２つの直交面内に延びることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの光源（７）は、レーザまたは少なくとも１つの半導体光源、具体的には発光ダイオードＬＥＤ、から成ることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光源（７）は、人間の目に見える周波数領域の光線、または人間の目に見えない周波数領域の光線を生成し、後者は具体的には赤外ＩＲまたは紫外ＵＶの周波数領域にあることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ロボットアーム（３）の前記特性パラメータは、前記ロボットアームの前記関節ジョイント（５）の現在の角度の値（ｑ１，ｑ２，．．．，ｑＮｕｍｂｅｒＤＯＦｓ）、または前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び回転（ａ，ｂ，ｃ）から成る、現在の配置の値を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記方法は、複数の異なる較正配置であって、それぞれが前記生成された光線が前記少なくとも１つのセンサ（１２）の少なくとも１つに当たる特定の位置（２０’）によって特徴づけられる、複数の異なる較正配置に対して反復されることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記方法は、前記ロボットアーム（３）の複数の異なる較正姿勢であって、それぞれが各較正配置に対する前記関節ジョイント（５）の特定の角度の値に対応する、複数の異なる較正姿勢に対して反復されることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ロボットの前記前の状態は前記ロボット（１）の冷態であり、前記較正方法は前記ロボット（１）の温態において実行されることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記センサ（１２）は、２次元検知面（２１）として層状半導体を持つ位置検知型装置ＰＳＤ、または２次元検知面（２１）としてＣＭＯＳまたはＣＣＤを持つデジタルカメラ、を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光源は少なくとも３つの光線（７）を生成することを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の各較正配置に対して、前記光線は同時または逐次的に生成されることを特徴とする、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ロボット（１）が前記前の状態にあるときに各較正配置に対して感度行列が定義され、前記感度行列は、前記ロボットコントローラ（１ａ）が発する制御信号によって始動される、各自由度についての前記較正配置に対する前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の小変位に起因する、前記ロボットアーム（３）の前記特性パラメータの変化に関する情報と、前記少なくとも１つのセンサ（１２）上の前記位置（２０）における対応する変化に関する情報と、を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記感度行列を決定する時の前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の前記小変位は、小並進（ｄｘ’，ｄｙ’，ｄｚ’）及び小回転（ｄａ，ｄｂ，ｄｃ）を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記感度行列は、前記反復閉ループ制御プロセスによって前記ロボット（１）を駆動させ、前記少なくとも１つのセンサ（１２）の少なくとも１つに当たる前記光線の前記位置（２０）を、前記ロボット（１）の前記前の状態における前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の前記較正配置を特徴づける、前記予め定義された位置（２０’）へ移動させるように利用されることを特徴とする、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ロボット（１）の前記前の状態において、前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の絶対値が、レーザトラッカ、座標測定器ＣＭＭ、または、外部座標系と前記ロボットの前記ベース（２）に対して定義された関係で配置されたその他の任意の計測具を用いて、各較正位置に対して決定されて、記憶されることを特徴とする、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記ロボット（１）の前記前の状態において、前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）の絶対値が、レーザトラッカ、座標測定器ＣＭＭ、または、外部座標系と前記ロボットの前記ベース（２）に対して定義された関係で配置されたその他の任意の計測具を用いて、各較正位置および個別の各小変位に対して決定されて、記憶されることを特徴とする、前記請求項１２〜請求項１４の１つに記載の方法。
【請求項１７】
前記センサ（１２）に当たる前記光線は、前記光線の実際の位置（２０）と前記予め定義された位置（２０’）との間の誤差、具体的には平均二乗誤差が最小値に到達した場合には、前記少なくとも１つのセンサ（１２）の少なくとも１つの上にある前記予め定義された位置（２０’）に到達したものとみなされることを特徴とする、請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記光線は、前記ロボットアーム（３）の前記遠位端（６）までの距離に前記光線の交点が位置するように生成されることを特徴とする、請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
産業用ロボット（１）のインライン較正システム（３０）であって、
ロボット（１）が、固定ベース部（２）と、マルチ・チェーンリンク・ロボットアーム（３）とを備え、複数のチェーンリンク（４）はそれぞれが関節ジョイント（５）により相互に接続されているとともに前記ロボット（１）のベース部（２）に接続されており、前記ロボットアーム（３）の遠位端（６）は、前記ベース部（２）に対して３次元作業空間内を所望の位置及び向き、以下これを配置と呼ぶ、に移動させることが可能であり、
前記較正システム（３０）は、請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載の方法を実行するための手段（７、１２）を備えることを特徴とする、較正システム。
【請求項２０】
産業用ロボットであって、
固定ベース部（２）と、マルチ・チェーンリンク・ロボットアーム（３）と、を備える産業用ロボット（１）であって、複数のチェーンリンク（４）はそれぞれが関節ジョイント（５）により相互に接続されているとともに前記ロボット（１）のベース部（２）に接続されており、前記ロボットアーム（３）の遠位端（６）は、前記ベース部（２）に対して３次元作業空間内を所望の位置及び向き、以下これを配置と呼ぶ、に移動させることが可能であり、
前記産業用ロボット（１）は、前記ロボット（１）のインライン較正を実行するための、請求項１９に記載の較正システム（３０）を備えることを特徴とする、産業用ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用ロボットのインライン較正方法と、産業用ロボットのインライン較正のための較正システムと、産業用ロボットに関する。このロボットは、固定ベース部とマルチ・チェーンリンク・ロボットアームを備える。チェーンリンクは、関節ジョイントによってそれぞれが相互に接続され、またロボットのベース部へ接続されている。ロボットアームの遠位端は、ベース部に対して３次元空間内を任意の位置（ｐｏｓｉｔｉｏｎ）と向き（以下これを配置（ｌｏｃａｔｉｏｎ）と呼ぶ）へ移動することができる。
【背景技術】
【０００２】
一般的にロボットの較正は、ソフトウェアを利用してロボットの位置精度を上げるプロセスである。その目的はロボットの精密な運動学特性を特定して、ジョイント角と、ロボットアームの遠位端にあるエンドエフェクタのデカルト空間における位置との間の正確なマッピングを確立することである。ロボット位置が不正確となる誤差要因は沢山あり、ロボット製造時の製作公差、熱の影響、エンコーダのオフセット、アームの柔軟性、ギヤ伝達誤差、ギヤ伝達のバックラッシュが含まれる。
【０００３】
多くの産業用途において高精度ロボットの重要性が高いので、ロボット分野でこの問題に興味を持つ研究者が多いのは当然である。これまでに知られている方法は、注目する誤差要因によって一般的に次の３段階に分類される。（ｉ）ジョイント段階の誤差（例えばジョイントオフセット）、（ｉｉ）運動学モデルの誤差、（ｉｉｉ）非幾何学的誤差（例えばジョイント順応性）。既知の手法はさらに、開ループ較正方法と閉ループ較正方法に分類される。
【０００４】
産業用途への較正システムを開発する場合、通常それを満たせば有利になるいくつかの要件が考慮される。具体的には、ロボットの実際の運動学特性を高精度に提供でき、所要実行時間が短く、大容積作業空間においてロボットが精密であり、較正に利用可能な作業空間に適応し、工場環境に対して堅牢であり、運転に要する人の介入は最小であり、移動可能で低コストである、ことがシステムに求められる。上記の要求のほとんどは、生産中にインラインで、すなわちロボットの通常の運転時に、ロボットを定期的に較正する必要があることから来ている。
【０００５】
ロボット較正の問題は４段階に分けられる。それは（ｉ）運動学モデリング、（ｉｉ）姿勢計測、（ｉｉｉ）誤差パラメータの特定、および（ｉｖ）誤差補償、である。このそれぞれに関する解析を以下に示す。
【０００６】
較正プロセスのために選択される運動学モデルは、３つの基本要求、具体的には完全性、連続性、最小限性（ミニマリズム）、を満たす必要があることが知られている。第１の要求は、モデルのパラメータがロボットの幾何構造の任意の可能な変形を表すのに十分でなければならないことによるものである。第２の基準は、幾何構造の変化とそれを記述するパラメータの変化との間には類似性があるべきだという事実により考慮に入れられる。つまり、運動学モデルは、幾何学構造の小さい変化をそのパラメータの小さい変化で表現するようなものでなければならない。最後に、運動学モデルは、冗長パラメータを含まずに幾何構造の記述に必要なパラメータに限定されるような、最小限のものであるべきである。
【０００７】
デナビット−ハーテンバーグ（Ｄｅｎａｖｉｔ−Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ）（Ｄ−Ｈ）記法が、ロボット運動学特性のモデル化を簡単にし、ほとんどの場合上記の要件を満たす系統だった手法とみなされている。Ｄ−Ｈ記法によれば、ロボットアームの各リンクには４つのパラメータ、すなわちリンクの長さ（ａｉ）、リンクの捩れ（αｉ）、リンクのオフセット（ｄｉ）とジョイントの角度（ｑｉ）が指定される。
【０００８】
Ｄ−Ｈモデルはロボット分野では広く使われているが、２つの連続するジョイント軸が平行または平行に近い場合には、ロボットリンクの幾何学的特性の僅かな変化により関係するＤ−Ｈパラメータの値に急激な変化が起こり得るということで、問題がある。ハヤティ（Ｈａｙａｔｉ）らは、Ｄ−Ｈモデルを修正して追加の角度パラメータβを利用することでこの問題に対処した。ただし、上と同じような理由により、この手法も２つの連続した直交もしくはほぼ直交するジョイント軸のモデル化には適さない。したがって、ロボットの運動学特性をＤ−Ｈパラメータを使ってモデル化し、（ほぼ）平行なジョイント軸に対してはハヤティらのパラメータを含む、ということが提案される。
【０００９】
例えばＳｔｏｎｅらによるＳモデルやＺｈｕａｎｇらによる完全なパラメトリック連続（ｃｏｍｐｌｅｔｅ  ａｎｄ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）（ＣＰＣ）モデルのような運動学モデルがこれまでに提案されているが、Ｄ−Ｈとハヤティのモデルがロボット分野では主流である。ここで、較正モデルは幾何学的パラメータだけに限定されるものではなく、むしろ弾性因子（例えばジョイント／リンクの剛性）により拡張され得ることに留意されたい。
【００１０】
姿勢計測段階において、ロボットはいくつかの姿勢に移動する。それが典型的にはある制約条件（例えば、エンドエフェクタはセンサの視野内になければならない、又は、環境内の特定のポイントをターゲットにしなければならない、など）を充たし、ジョイント角が記録される。外部センサを利用してエンドフェクタの実際の配置（位置と向き）に関するフィードバックが与えられる。そしてこれらの配置が（記録されたジョイント角を利用する）順運動学に基づく予測値と比較される。観測される誤差が記録され、次の段階（すなわち誤差パラメータの特定）において、その誤差を最小化する運動学パラメータの探索に利用される。
【００１１】
計測システムを選択するためのもっとも重要な因子には、必要とする人手の介在量、コスト、実行時間、および工場環境における性能がある。較正を実行するのにエンドエフェクタの完全な配置を推定する必要はないが、計測システムがエンドエフェクタの完全な６Ｄ配置（位置と向き）を抽出できれば、較正方法としては使用する較正配置の数が少なくて済む（各計測値において、より強い制約がかけられるため）。
【００１２】
選択される較正配置の組は較正方法の品質にとって重要であることが注目される。配置の組み合わせが変われば、得られる結果がよくなったり、悪くなったりする可能性がある。
【００１３】
前の段階で行われた配置計測の組が与えられると、エンドエフェクタの予測される配置と実際の配置の間のそれぞれの誤差が算出できる。ここでこの段階の目的は、好ましくは最小平均二乗において、誤差を最小化する運動学モデルのパラメータ値を決定することである。文献には多くの手法が提案されてきているが、レーベンバーグ−マーカート法（Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ）がもっともよく使われる。
【００１４】
パラメータ推定アルゴリズムを効率的にして迅速に収束させるためには、未知パラメータの実際の値に対して良好な初期推定をすることが重要であることが注目される。したがって、実際の値から大きくずれることはないので、反復最適化プロセスの開始時に運動学パラメータにはその公称値を指定することが推奨される。
【００１５】
公知の方法の多くでは、ロボットコントローラにおいては運動学パラメータの変更を避けるのが普通である。その代わりに多くの公知の方法では、前段階で特定された新しい運動学パラメータを利用してエンドエフェクタが目標とするデカルト座標位置に対する逆運動学を解き、新しいジョイント角をコントローラに送信することによって位置誤差を修正することを選ぶ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、簡単で安価に実現でき、高速で非常に精密な産業用ロボットのインライン較正を提供する、新しい較正方法と較正システムを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的は、以下のような特徴を有する、上記の種類の産業用ロボットのインライン較正方法によって解決される。それは、
−ロボットアームの遠位端に固定的に接続された少なくとも１つの光源により、少なくとも３つの光線が生成され、
−そのセンサに当たる光線の位置を２次元平面内で判定するように適合された少なくとも１つの光学位置センサがロボットベース部に対して固定された配置に置かれて、ロボットアームの遠位端が予め定義された較正配置にある場合に、少なくとも１つの光源により生成された光線の少なくともいくつかが１つのセンサまたは複数のセンサの少なくとも１つに当たるようになっており、
−ロボットアームの遠位端は、ロボットコントローラからの制御信号によって予め定義された較正配置へ駆動され、そこで生成された光線の少なくともあるものはある位置にある少なくとも１つのセンサの少なくとも１つに当たり、
−生成された光線が少なくとも１つのセンサの少なくとも１つに当たる位置が判定され、
−ロボットは反復閉ループ制御プロセスによって駆動されて、少なくとも１つのセンサの少なくとも１つに当たる光線の位置が、ロボットの前の状態におけるロボットアームの遠位端の較正配置を特徴づける予め定義された位置へ移動させられ、
−少なくとも１つのセンサの少なくとも１つに当たる光線が予め定義された位置に到達すると、ロボットコントローラにおいてロボットアームの遠位端の配置を一意的に特徴づける、ロボットアームの特性パラメータ、具体的にはロボットの運動学パラメータ、が決定され、
−決定された特性パラメータが、これらの予め定義された位置に関するロボットアームの対応する予め定義された特性パラメータと比較され、このロボットアームの予め定義された特性パラメータは前の状態におけるロボットの運動学モデルを定義し、
−決定された特性パラメータと対応する予め定義された特性パラメータとの差が、ロボットの運動学モデルを更新するために利用され、
−ロボットの更新された運動学モデルはロボットの通常運転中に利用されて、ロボットの通常運転時にロボットコントローラが発する制御信号に由来するロボットアームの遠位端の原配置を、ロボットの通常運転中に生じるロボットアームの不正確さを考慮に入れたより精密な配置へ補正するように適合される、というものである。
【００１８】
決定される特性パラメータの情報内容を高め、ロボットの運動学モデルをより高精度に更新することができるようにするために、本発明の好適な実施形態によれば、少なくとも１つの光源により生成される光線が少なくとも２つの直交面内に延びるように推奨される。勿論、本発明はこの好適な実施形態が実現されないとしても完全に機能する。
【００１９】
本特許出願においては、「配置」という用語は、ロボットアームの遠位端の位置（例えばデカルト座標系におけるｘ，ｙ，ｚ）と向き（例えばｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の周りのａ，ｂ，ｃ）を含む。別の用語「姿勢」は、チェーンリンクとジョイントが特定の位置と向きと角度を持つ、ロボットアームの特定の状態を表すために使用される。産業用ロボットのロボットアームの遠位端の動きに関しては自由度が高いために、遠位端の同じ１つの配置を、ロボットアームの異なる姿勢で実現することが可能である。
【００２０】
ロボットアームの遠位端はフランジとも呼ばれる。エンドエフェクタ（ツールセンタポイントＴＣＰを持つ実際のツール）はフランジに固定される。
【００２１】
本発明は産業用ロボットのインライン較正に特に有利な方法に関する。最初に、ロボットコントローラが発する制御信号によって、予め定義されている較正配置（位置及び向き）へロボットアームの遠位端が駆動される。較正位置において、光源から放射された複数の光線が少なくとも１つの光学位置センサの２次元検知面に当たる。センサは例えば、検知面としてＣＭＯＳあるいはＣＣＤチップを持ち、適切な画像処理ソフトウェアと連携するデジタルカメラで構成される。センサはまた、２次元検知面として層状半導体を持つ位置検知型装置ＰＳＤで構成されてもよい。複数の光線が同一のＰＳＤに当たるように向けられてもよい。その場合、光学位置センサは、（例えばデジタルカメラのように）センサに同時に当たる複数の光線の位置を検出して判定するようになっていてもよいし、または（例えばセンサがＰＳＤである場合のように）光源が一度に一つの光線を放射するように制御され、複数の光線は逐次的に放射されて、すべての光線が放射される間ロボットアームの遠位端が同一の較正配置にとどまるようになっていてもよい。本発明に関連して利用される較正システムの光学位置センサは、異なる２つの２次元センサ装置、例えばＰＳＤとデジタルカメラの組合せで構成することも可能である。
【００２２】
少なくとも１つの光学位置センサと、エンドエフェクタの較正配置にある１つ以上のセンサまたは複数の較正配置のそれぞれに向けられた少なくとも３つ光線とを利用することが提案される。較正方法の精度を向上させるために、例えば２つ、好ましくは少なくとも３つの光学位置センサがその較正配置または各較正配置に対して使用される。
【００２３】
較正システムは１つ以上の光源を備えることができる。システムに１つの光源しかない場合には、この光源は例えば適切な光学回路を用いて、複数の光線を放射するように適合される。システムに複数の光源がある場合には、各光源は１つ以上の光線を放射するように適合されている。さらに、較正システムは１つ以上の光学位置センサを備えることができる。システムに１つのセンサしかない場合には、少なくとも１つの光源を制御して、そのセンサに当たる光線が１つずつ順々に放射されるようにする。光線が逐次的に放射される場合でも、同一の較正位置に向けて放射される。各光線に対して、センサ上の光スポットが予め定義された光スポットの位置に向かって移動するように、ロボットアームの遠位端を駆動する反復プロセスが実行される。そして本方法の更なるステップが実行される。この詳細を以下に述べる。システムが複数のセンサで構成される場合には、複数の光線が同時に放射され、異なる複数のセンサに当たるすべての光線に対して、本方法の反復プロセスと更なるステップが同時に実行される。
【００２４】
ロボットコントローラは、制御信号を生成してロボットのアクタに送信し、それによってロボットアームの遠位端が予め定義された較正位置へ移動させられる。較正位置においては、少なくとも１つのＰＳＤに、複数の光線が同時または逐次的に当たる。ＰＳＤの検知面上の各光線の位置（ｘ，ｙ）が決定される。次に、反復閉ループ制御プロセスの過程において、ロボットコントローラが発した制御信号によってロボットアームの遠位端が移動させられて、光線がセンサに当って生成する光のスポットが、ロボットの前の状態（ｐｒｅｖｉｏｕｓ  ｓｔａｔｅ）におけるロボットアームの遠位端の較正配置を特徴づける予め定義された光スポット位置に向かって移動させられる。ロボットの前の段階とは例えばロボットの冷態であり、その反対に較正方法はロボットが暖機された後の段階で実行される。
【００２５】
センサ上の光スポットの現在位置が、ロボットの前の状態におけるロボットアームの遠位端の較正配置を特徴づける既定位置に到達すると、反復プロセスは停止する。光スポットの現在位置と既定位置との間の誤差、例えば最小平均二乗誤差が最小値に到達すると、光スポットはセンサ上の既定位置に到達したとみなされる。好ましくは、ロボットアームの遠位端の現在位置を判定するために、実際の光スポットをセンサ上の光線の既定位置に向かって移動させる反復プロセスの間、感度行列（すなわちヤコビ行列）が利用される。感度行列の詳細を以下で説明する。
【００２６】
次にロボットアームの特性パラメータが決定され、これがロボットコントローラにおいてロボットアームの遠位端の配置を一意的に特徴づける。具体的には、特性パラメータは例えばロボットアームの遠位端の位置（ｘ，ｙ，ｚ）とｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の周りの遠位端の回転（ａ，ｂ，ｃ）とからなる。特性パラメータはまた、ロボットアームのジョイントの角度（ｑ１，ｑ２，．．．，ｑＮｕｍｂｅｒＤＯＦｓ）を含んでいてもよい。勿論、他の特性パラメータを決定することも可能である。遠位端の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、光学位置センサ上の光線の当たる位置（ｘ，ｙ）とは異なることを強調しておきたい。
【００２７】
決定された特性パラメータが、ロボットの前の状態におけるセンサ上の光スポットの予め定義された位置に対して、その較正配置で既に決定されている対応する特性パラメータと比較される。ロボットの予め定義された特性パラメータは、前の状態のロボットの運動学モデルを定義する。ロボットの前の状態におけるこの運動学モデルは、ロボット識別特性（シグネチャ、ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）に対応する。決定された特性パラメータと対応する予め定義された特性パラメータとの差が、ロボットの運動学モデルを更新するために利用される。運動学モデルは例えばデナビット−ハーテンバーグ・パラメータ、及び／又はハヤティ・パラメータを含むことができる。ロボット識別特性（すなわち公称運動学モデル）の初期近似は、ロボット製造者から得られる運動学モデルに基づいて決定することができる。この情報には、ロボットアームのリンクとジョイントの数、ジョイントの種類（自由度）、リンクの長さなどが含まれ得る。この情報は、ロボットに関するＣＡＤデータで構成されてもよい。
【００２８】
その次のロボットの通常の操作時に、ロボットアームはロボットコントローラが発する制御信号によって所望の配置へ移動される。ロボットアームの所望位置への移動は、更新された運動学モデルに基づいて行われる。更新された運動学モデルでは、通常のロボット操作中に発生するロボットアームの不正確さは既に勘案済みである。従って、通常のロボット操作時に更新モデルを利用することで、ロボットコントローラが公称の運動学モデルに基づいて発する制御信号から生じる、ロボットアームの遠位端の原配置を補正することができる。遠位端の補正された配置は、生じ得るロボットの不正確さを考慮に入れる。したがって、本発明によりロボットの精度を大きく向上させることができる。不正確さは、例えば熱の影響と、ロボットの運動学モデルのその他の機械的不正確さに起因する。
【００２９】
ロボットの運動学モデルを更新するための上記の較正方法は、必ずしもすべて同時に実行される必要はない。例えば、通常のロボット操作を中断して、較正姿勢のうちのあるものについてだけ、上記の較正方法を実行することも可能である。そうして通常のロボット操作を続け、またしばらくして操作を中断して上記の較正方法を再度実行することができる。ただし今度は通常操作の最初の中断の時とは違う較正姿勢に関して行う。しばらくの後、そしてロボットの通常操作をある回数中断した後、そして異なる較正姿勢に対して本発明による較正方法をある回数実行した後に、運動学モデルが更新される。このことは、時々短時間だけ中断して、ロボットの実際の操作には何ら妨害を与えずに較正方法を実行するだけで、ロボットの通常操作を継続することができるので有利である。したがって本発明は本当のインライン較正方法であるとみなすことができる。
【００３０】
好ましくは、感度行列が反復閉ループ制御プロセスによってロボットを駆動し、少なくとも１つのセンサの少なくとも１つに当たる少なくとも３つの光線の位置を、予め定義された位置へ移動させることに利用される。この予め定義された位置はロボットの前の状態におけるロボットアームの遠位端の較正配置を特徴づけるものである。実際に感度行列は、前の状態、例えばロボットの冷態において、ロボットを較正する前に決定されてもよい。
【００３１】
ロボットコントローラが発する制御信号を送信して、ロボットフランジをそれぞれの自由度に対して小さい変位（小さな並進ｄｘ`，ｄｙ`，ｄｚ`と小さな回転ｄａ，ｄｂ，ｄｃ）だけ移動させて、位置（ｘ，ｙ）のセンサ計測値の変化を観察することによって、感度行列が計算される。変位はロボットコントローラが発する制御信号によって始動される。特性パラメータの変化（例えば、ロボットアームの遠位端のデカルト座標の変化）は、ロボットアームの遠位端の変位により生じる、少なくとも１つのセンサの内の少なくとも１つのセンサに当たる光線の位置（ｘ，ｙ）の変化とともに、感度行列内に記憶される。したがって、感度行列は、一方におけるセンサ上の光スポットの位置の変化と、他方におけるロボットアームの遠位端の配置（位置と向き）との間の論理的な関係を確立する。
【００３２】
さらに、ロボットが以前の段階にある間、ロボットを特徴づける追加情報を取得し記憶することができる。例えば、各較正位置と各個別の小変位に対して、ロボットアームの遠位端の配置変化だけでなく、外部座標系に関する遠位端の絶対位置の値も取得して記憶することが可能である。これらの絶対値は、ロボットコントローラ内又は任意の外部コンピュータ上に記憶することができる。
【００３３】
絶対値は、例えば、外部座標系とロボットベースとに対して定義された関係に配置されたレーザトラッカによって、決定することができる。レーザトラッカは、較正配置にある時及び各小変位配置にある時のロボットアームの遠位端の位置と向きを正確に決定することができる。感度行列のための特性パラメータとその変化をそれぞれ取得する際に、遠位端はこの小変位配置に移動させられる。またレーザトラッカが手に入らない場合には、ロボットコントローラから得られる、較正配置と各小変位配置におけるロボットアームの遠位端の位置と向きのそれぞれの値を利用することも可能である。勿論これらの値はわずかな不正確さを含んでいるが、較正方法を行う時にロボットアームの遠位端を較正配置に移動させるにはまだ十分な精度を持っている。
【００３４】
好ましくは、反復閉ループ位置制御プロセスは例えば、独国特許第１９９３００８７（Ｂ４）号明細書に詳細が記述されている、いわゆる最良適合プロセスである。この文献の内容、特に最良適合プロセスの実施形態と機能に関する内容は、参照により本出願に援用する。独国特許第１９９３００８７（Ｂ４）号明細書に記載のトレーニングフェーズが、本発明の感度行列用の値の取得に対応する。独国特許第１９９３００８７（Ｂ４）号明細書で述べられている画像データに基づいて感度行列（すなわちヤコブ行列）が決定され、センサ上の光スポットの現在位置を以前に決定された較正配置の位置へ向けて移動させるためにロボットアームの遠位端が移動させられる。これは、光スポットの現在位置に応じてセンサが生成する位置データ（ｘ，ｙ）に対応する。このほかの閉ループ位置制御プロセスも勿論使用可能である。
【００３５】
好ましくは、少なくとも１つの光源が、約１０１３Ｈｚ〜１０１６Ｈｚの周波数範囲、特に４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の、人間の目に見える光の波長を有する光線を生成する。ただし、光源は赤外線（ＩＲ）及び／又は紫外線（ＵＶ）の光線を生成するようになっていてもよい。この少なくとも１つの光源は、レーザ光線を放出するレーザ、または少なくとも１つの半導体光源、具体的には発光ダイオードＬＥＤを備えていてもよい。
【００３６】
好ましくは、１つだけの較正配置に対して記述された較正方法が、複数の較正配置に対して反復される。ロボットの前の状態の間に、各較正配置に対して感度行列が決定される。各較正配置に対する反復閉ループプロセスの後決定される特性パラメータの違いを利用して、ロボットの運動学モデルが更新される。さらに、この方法が好ましくは、各較正配置に対してロボットアームの複数の異なる較正姿勢について反復され、それぞれの較正姿勢が、ロボットアームの関節ジョイントの特定の角度の値に対応する。ロボットが前の状態にある間に、各較正姿勢に対する感度行列が決定される。各較正姿勢に対する反復閉ループプロセスの後決定される特性パラメータの違いを利用して、ロボットの運動学モデルが更新される。ロボットの較正に必要な較正姿勢の数は、ロボットとロボットアームのそれぞれの複雑さに依存する。単純なロボット構成、またはロボットの運動学モデルの一部のみの更新が必要な状況では、ロボットの較正には１つの較正配置と１つまたは２つの対応する較正姿勢で十分なこともある。別の場合には、より多くの（例えば少なくとも５つ、好ましくは少なくとも１０の）異なるロボット姿勢を用いて、完全かつ正確な更新された運動学モデルを取得する為に、ロボットのすべての運動学パラメータが決定される。通常の産業用ロボットの運動学モデルは、少なくとも３０の特性パラメータを備えることが多い。各較正姿勢は６つの方程式を提供し、したがって、最大６つのロボット較正パラメータが決定される。ノイズや他の擾乱の影響を補償するために、様々な姿勢において構成可能な方程式の全数が、特定の種類のロボットの運動学モデルに対して決定すべき構成パラメータの数よりもはるかに多くなるように、較正姿勢の数を選択することが推奨される。
【００３７】
較正システムを異なる光学位置センサの組で構成して、それぞれの組が複数のセンサを持って、少なくとも１つの較正配置に関係するようにすることも可能である。これは、生成された光線が、ロボットアームの遠位端の第１の較正配置の第１の組のセンサの少なくともいくつかのセンサに当たり、かつ、第２の較正配置の第２の組のセンサの少なくともいくつかのセンサに当たることを意味する。勿論、第１の組のセンサの少なくとも１つのセンサが第２の組のセンサの少なくとも１つのセンサと同一であってもよい。したがって少なくとも１つセンサは、第１の組のセンサと第２の組のセンサの一部である。
【００３８】
さらに、較正システムが本発明の較正方法を実行するための手段を備えることを特徴とする、上記の種類の産業用ロボットのインライン較正のための較正システムによって、本目的は解決される。
【００３９】
最終的に本発明は、産業用ロボットがロボットのインライン較正を実行するための本発明による較正システムを備えることを特徴とする、上記の種類の産業用ロボットを提案する。
【００４０】
本発明の更なる特徴と利点は、以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明と添付の図面の検討により説明されて、より明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の較正システムと較正方法により較正可能な産業用ロボットの一例を示す図である。
【図２】図１の産業用ロボットの作業空間を示す図である。
【図３】エンドエフェクタが特定の較正配置にあり、ロボットアームが第１の姿勢にある状態の、図１の産業用ロボットの図である。
【図４】エンドエフェクタが図３の較正配置にあり、ロボットアームが第２の姿勢にある状態の、図１の産業用ロボットの図である。
【図５】本発明の較正システムに使用される位置検知型装置（ＰＳＤ）を示す図である。
【図６】図５のＰＳＤを支持する取付装置を示す図である。
【図７】３つのレーザプローブが取り付けられた、図１の産業用ロボットのエンドエフェクタを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
次に、本発明の較正システムを実行可能な程度に詳細に説明する。本較正システムはロボット適用における不正確さのインライン補償を提供する。さらに本システムは、持ち運び可能であり、非常に精密で、時間効率が高く、対費用効果が高い。以下において熱補償を例にとって本システムと方法を説明する。勿論本発明は説明する熱補償の例に限られるものではない。ロボット位置が不正確となる誤差要因は沢山あり、ロボット製造時の製作公差、熱の影響、エンコーダのオフセット、アームの柔軟性、ギヤ伝達誤差、ギヤ伝達のバックラッシュが含まれる。これらのすべては本発明の較正方法とシステムによって補償可能である。
【００４３】
さらに、本発明は特別の種類の２次元光学位置センサに限定されるものではなく、光学位置センサの検知面に当たる光線が作る光スポットの２次元位置を検出、計測するように適合されている限り、その技術設計と機能に拘わらず任意の種類の適合するセンサと共に利用可能である。センサは、位置検知型装置ＰＳＤ、または適切な画像処理システムを持ったデジタルカメラ、または任意のその他の光学センサであってよい。複数のセンサが用いられる場合、それらは異なる種類のセンサであってもよい。さらに本発明は、特定の種類の光源に限定されず、可視光領域並びに非可視光領域（例えばＩＲまたはＵＶ光線）の周波数から成る周波数領域に光線を放射するように適合されている限りその技術設計と機能に拘わらず任意の種類の光源と共に使用可能であることがわかる。光源は、レーザ、ＬＥＤ、または他の任意の種類の光源として実現できる。複数の光源が用いられる場合には、それらは種類の異なる光源であってもよい。
【００４４】
この較正システムの中心概念は次のように説明できる。２つのロボット状態を想定して、それらをｓ１、ｓ２とする。ｓ１は初期設定時のロボット状態であって、熱の影響が現れていない状態であり、ｓ２はその影響が生じた後の状態である。熱の影響によって運動学特性が変化するものとすると、２つの状態ｓ１とｓ２において同一のジョイント角Ｑへ移動するようにロボットに命令した場合、エンドエフェクタのデカルト配置（位置と向き）Ｘは異なってくる（Ｘｓ１（Ｑ）≠Ｘｓ２（Ｑ））。そうすると、ロボットに各状態でわずかに異なるジョイント角へ移動するように指令すれば、エンドエフェクタが２つの状態で同一のデカルト配置を取ることができる。すなわち、Ｑ２＝Ｑ１＋ΔＱにおいて、Ｘｓ１（Ｑ１）＝Ｘｓ２（Ｑ２）となる。本発明による較正システムではこの角度ΔＱを計測して、それによってｓ２状態において運動学モデルに生じた変形を推定することができる。
【００４５】
上記の手順を遂行するために、次のことが必要である。（ｉ）初期設定時（いわゆるロボットの前の状態）において、可能であれば外部の基準フレームに対して、エンドエフェクタの配置を記録する計測プロセス、（ｉｉ）計測プロセスの後に実行される実際の較正プロセスにおいて、ロボットが異なる状態にあってロボットの運動学モデルが変わってしまっている場合、特性パラメータ、例えばジョイント角ΔＱを計測するために、エンドエフェクタを原配置に回復する方法（すなわち、状態ｓ２で実行され、エンドエフェクタを姿勢Ｘｓ１（Ｑ１）に移動させるジョイント角Ｑ２を戻すプロセスが必要である）、（ｉｉｉ）エンドエフェクタが元の姿勢に戻ったことを、高精度で検証するプロセス、（ｉｖ）Ｑ１とΔＱが与えられて、運動学モデルの誤差パラメータを特定する方法、および（ｖ）更新された運動学モデルを利用して、通常のロボット操作時にエンドエフェクタの位置の偏位を補償可能なプロセス。
【００４６】
図１に、本発明の較正システムと方法によって較正される、産業用ロボットの一例を示す。ロボットはその全体を参照符号１で表す。ロボット１は、固定ベース部２と、関節ジョイント５で相互接続された複数のチェーンリンク４を備えるロボットアーム３とを備えている。関節ジョイント５の１つがロボットアーム３を固定ベース部２へ接続する。ロボットアーム３の遠位端６は、ＴＣＰを有するエンドエフェクタが固定的に取付けられる、いわゆるフランジであるが、ベース部２に対して３次元空間内を任意の位置と向き（以下これを配置と称す）へ移動することができる。図１のロボットの可動域を図２に示す。ここでパラメータは一例として、Ａ＝２４９８ｍｍ、Ｂ＝３００３ｍｍ、Ｃ＝２０３３ｍｍ、Ｄ＝１２１８ｍｍ、Ｅ＝８１５ｍｍ、Ｆ＝１０８４ｍｍ、Ｇ＝８２０ｍｍである。勿論、本発明は、他の種類のロボット１のインライン較正１にも利用可能である。
【００４７】
本発明の好適な実施形態による較正システムは次のものを含んでいる。
・この特定の実施形態においてはレーザプローブとして実現されている、３つの光源７（図３、４、７参照）。これらはロボットのエンドエフェクタ６上に固定されている。この実施形態においては、光源７から放射される光線はフレームグラバによって制御される。勿論、他の任意の数または任意の種類の光源を使用することも可能である。光源７はエンドエフェクタ６上に自在に取り付けられ、沢山の組合せの中からユーザが光源７の位置と向きを選択できるようになっている。これは、（ｉ）各個別の光源７をエンドエフェクタ６上に独立して取り付け、（ｉｉ）光源７とそのベースの間の球面ジョイント８（配向の自由度が与えられる）を利用し、（ｉｉｉ）光源７が水平と垂直にフレキシブルに移動できる、チューブ付きのローズ−クリーガ（Ｒｏｓｅ−Ｋｒｉｅｇｅｒ）フランジクランプ９を利用する、ことによって達成される。このことは図７に詳細に示されている。勿論、エンドエフェクタ６へ光源７を自在に取り付けるための、他の任意の種類の固定機構を利用することも可能である。光源７は、所望の位置と向きになるとエンドエフェクタ６上に固定される。したがって、光源７とエンドエフェクタ６の間の関係は全計測プロセスと後続の実際の較正プロセスの間中一定である。
・少なくとも１つの、２次元光学位置センサ１２。この特定の実施形態には、具体的には以下ＰＳＤ１２と称する位置検知型装置である、３つのセンサ１２がある（図３、４、５、６を参照）。勿論２次元センサ１２は、他の任意の種類のものでも、または任意の数であってもよい。センサ１２は、１つの２次元検知面２１を持ち、光源７から放射された光線がその上に当たる。センサ１２は、検知面２１に当たる光線が作る光スポットの位置を決定するようになっている。各ＰＳＤ１２は必要な電子設備、すなわち増幅器と表示ユニット（図示せず）に接続されている。増幅器は、ＰＳＤ１２により生じる光電流を処理し、ｘ，ｙアナログ出力を返す。これは、センサ表面２１上の光ビームの位置２０、２０’（図５参照）に正比例し、光強度の変化には依存しない。任意選択の表示ユニットが増幅器からのｘ，ｙアナログ電圧出力を受信し、それを対応するミリメートル単位の絶対位置に変換することができる。表示ユニットは例えば背面照射型のＬＣＤであり、その位置を高分解能で表示する。最後に、設備には周辺光を遮蔽し、ノイズを低減するための、例えばバンドパスフィルタなどのＰＳＤ１２用の光学フィルタが含まれていてもよい。
・本構成には、ロボットベース部２に対する固定配置にＰＳＤを配置するための、ＰＳＤ１２用の取付装置１０も含まれる（図６参照）。これらの取付装置１０の設計上の好適な特徴の組合せは、（ｉ）ＰＳＤ１２の６次元の位置決めに対するフレキシビリティを提供し、（ｉｉ）センサ１２を安定に保持して周囲の温度変化に影響されないようにし、（ｉｉｉ）自立型であり、（ｉｖ）移動可能である、ことである。特徴（ｉ）は、生成された光線が、ＰＳＤ表面２１上のエンドエフェクタ６の較正配置に確実に当たるようにするために、ＰＳＤ１２の配置（位置と向き）を変化させるためだけに重要であることが注目される。これが確保されると、ＰＳＤ１２はロボットのベース部２に対するその配置にしっかりと固定される。
【００４８】
好適な特徴（ｉ）〜（ｉｖ）は、図４に示す設計で満足される。より具体的には、特徴（ｉ）は、取付装置１０が床のどこにでも設置可能であり（したがって、ｘとｙのずれを調節できる）、ＰＳＤ１２を装置１０の本体に結合するチューブ１１が可変高さで設定可能であり、またＰＳＤ１２は上記のチューブ１１に球面ジョイント１３によって取り付けられて、向きについてのフレキシビリティが与えられる、という事実によって満足される。特徴（ｉｉ）は、装置１０が熱的に安定な材料、例えばＮＩＬＯ（登録商標）合金３６で作られていることで満足される。特徴（ｉｉｉ）に関しては、取付装置１０は三角形ベース１４の上に配置されることによって自立型となっている。このベース１４は装置１０から取り外し可能であって、装置１０を床や計測部の構造体などに直接固定可能であることが注目される。最後に、装置１０は移動可能であるために小寸法で軽量となるように設計される。そしてレーザトラッカを利用して基準用共通フレーム内で絶対座標を取得するために、いわゆる球面搭載型再帰反射器（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ  ＳＭＲｓ）１５の取付位置がある。ロボットのベース２も基準用共通フレームに対して配置されている場合には、レーザトラッカを用いて装置１０の配置をロボットベース２に対して決定することができる。勿論、他の任意の種類の取付装置１０を利用してセンサ１２をロボットベース部２に対して固定することが可能である。
【００４９】
以上述べたように、ロボットの運動学特性のモデル化とロボットの運動学モデルを取得するために文献において行われる一般的な手法は、デナビット−ハーテンバーグ（Ｄ−Ｈ）パラメータである。ただしこのモデルでは、２つの連続するジョイント軸が平行、またはほぼ平行である場合には問題が生じる。その場合には、ロボットのリンクまたはジョイントの幾何特性が僅かに変化しても、対応するＤ−Ｈパラメータに急激な変化が生じ得る。ハヤティ（Ｈａｙａｔｉ）らは、Ｄ−Ｈモデルを修正して追加的な角度パラメータβを利用することでこの問題に対処した。このパラメータは、２つの連続するジョイント軸が（ほぼ）平行である場合にのみモデルに含まれる。図１に示すロボットに関して抽出されたＤ−Ｈ／ハヤティ・パラメータの例を、下表１に示す。
（表１）ロボットに関するＤ−Ｈ／ハヤティ・パラメータ
【表１】
2015532219.tif 000003
【００５０】
フレームｉ−１に対するフレームｉの位置と向きに関する変換は、次式で与えられる。
【数１】
2015532219.tif 000004
ここで、Ｒｏｔｊ（ｕ）とＴｒａｎｓｌｊ（ｕ）は、ｕによる軸ｊに沿った回転と並進をそれぞれ表す。平行でない連続する軸（したがって、ジョイント軸２と３の間の変換を除くすべての軸のペアに対して）、変換ｉ−１Ｔｉは次の式で与えられる。
【数２】
2015532219.tif 000005
ここで、Ｄ−Ｈパラメータはジョイント軸ｉ−１に対応する。ジョイント２と３のペアに関しては、変換は、パラメータｄの代わりにハヤティ・パラメータβで与えられる。
【数３】
2015532219.tif 000006
【００５１】
ベースフレームに対するエンドエフェクタ６の配置（位置と向き）は、順運動学によって計算することができる。すなわち、
【数４】
2015532219.tif 000007
使用されるロボット１の種類（例えばジョイントの種類、自由度ＤＯＦの数）に依存して、また使用するロボット１の運動学モデルの定義に依存して、他の変換も勿論適用可能である。
【００５２】
特性パラメータと運動学モデル、例えばＤ−Ｈ／ハヤティ・パラメータ、の値の関係は次のようである。ジョイント角Ｑ＝（ｑ１，ｑ２，．．．，ｑ６）に関しては、ロボットの運動学モデル（例えばＤ−Ｈ／ハヤティ・パラメータ）がわかっている場合には、エンドエフェクタ６がデカルト空間（ｘ，ｙ，ｚ，ａ，ｂ，ｃ）内のどこにあるかを計算できる。ロボット１が較正されない場合、ロボットコントローラ１ａは公称の運動学モデル（これは近似的にのみ正しい）を利用し、ジョイント角（ｑ１，ｑ２，．．．，ｑ６）に対してエンドエフェクタ６がデカルト空間のどこにあるかを近似的にのみ予測可能である。一方で、較正の後、運動学モデルが更新されて精密である場合には、ロボット１は、エンドエフェクタ６の実際のデカルト座標（ｘ，ｙ，ｚ，ａ，ｂ，ｃ）である、与えられたジョイント角（ｑ１，ｑ２，．．．，ｑ６）に対して高精度で運転可能である。
【００５３】
上記の好適な実施形態によれば、較正手順は３段階で行われる。第１に初期設定段階があり、エンドエフェクタ６の基準較正配置とロボットアーム３の基準較正姿勢が選択され、トレーニングデータが収集されて、初期状態における（例えば冷態における）ロボットの運動学パラメータから成るロボット識別特性が計算される。このプロセスはオフラインで、かつシステムの初期設定の間でのみ実行される。第２の段階は、異なる状態（例えば暖機状態）におけるロボットの運転中に行われ、周期的にインライン計測結果を収集し、運動学モデルを更新する。最後の段階は、ロボット１が通常運転され、実際の作業を遂行するときに実行され、更新された運動学モデルを利用して、熱の影響またはその他のロボット機構の不正確さによるロボットアーム３の遠位端６の配置の任意の偏位の修正が行われる。較正方法の様々な段階を、以下でより詳細に説明する。
【００５４】
初期設定時に遂行される主なプロセスは、エンドエフェクタ６の較正配置と対応するロボットアーム３の較正姿勢の選択と、基準用外部フレームに対する姿勢計測と、熱の影響または他の誤差原因が発生した後にエンドエフェクタ６の元のデカルト配置を回復するために利用されるトレーニングデータ（配置計測結果）の収集と、ロボット識別特性の特定、である。これらのプロセスのそれぞれを次に詳細に説明する。
【００５５】
基準姿勢の選択のプロセスでは、先ずエンドエフェクタ６の潜在的な配置が特定される。これは較正時に較正配置として利用されてもよい。本実施形態においてこれらの配置が満足しなければならない制約は、エンドエフェクタ６に取り付けられた３つの光源７が３つのセンサ１２の領域２１を同時に射すことである。これらの配置のすべては、理論的には較正の期間中は使用可能ではあるが、実際にインラインで適用可能であるために、システムには時間の制約が課せられる。そのために、Ｎ個の可能な配置から成る部分集合が維持される。ここでＮは、（ｉ）ロボット１の較正に対して十分な情報を提供できるほどに大きく、（ｉｉ）実行時間の観点から、較正プロセスがインライン操作で十分に実行できるほどに小さい。
【００５６】
例えば図３と図４には、３つのセンサ１２の表面２１に当たる光線を放射する３つの光源７を持ち、同一の既定較正配置にあるエンドエフェクタ６が示されている。ただし、エンドエフェクタ６は同一配置にはあるが、ロボットアーム３は図３と図４では２つの異なる較正姿勢となっている。したがって、図４のチェーンリンク４の少なくとも１つ、及び／又は関節ジョイント５の少なくとも１つは、図３のものとは異なる位置及び／又は向きにある。
【００５７】
運動学誤差に関する与えられた情報を最大化するＮ個の配置を選択するために、入力として候補となる較正配置の集合を取り、探索プロセスによって評価基準を最適化する配置の部分集合（サイズＮ）を特定するアルゴリズムが適用される。本実施例では、識別ヤコビ行列の最小特異値の最大化を評価基準として選択した。他の評価基準を使用することも勿論可能である。様々な探索プロセスを用いることができ、それらとしては、これに限るものではないが、遺伝アルゴリズム、シミュレーテッドアニーリングや、（局所的な極大を回避するために）多重反復で種々の初期条件を調べる局所探索法がある。
【００５８】
初期設定時に、様々な基準ロボット姿勢Ｑでのエンドエフェクタのデカルト配置を、例えばレーザトラッカ、座標測定器ＣＭＭ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅ）や類似のツールを用いて、別の外部基準フレームと共に記録することもできる。これは、光学センサによる計測値を（外部ツール、例えばレーザトラッカによって計測された）ロボットアームの遠位端の絶対座標に結び付けるためである。３つのセンサ１２に向かう３つの光源７がロボット１に取り付けられていれば、各較正配置において、３つのＰＳＤの面２１上での光スポット２０’の２次元座標ｘ，ｙを記録することでそれが達成できる。これ以降の説明では、これらの初期設定時に記録されたスポット２０’の位置を公称位置と呼び、Ｆ０（Ｑ）で表す。こうして本実施形態においてＦ０（Ｑｉ）は、初期設定時すなわちロボット１がいわゆる前の状態（例えば冷態）にあって、ロボット１とロボットアーム３がそれぞれ姿勢Ｑｉにある場合の、３つのＰＳＤ１２上の光スポット２０’の各（ｘ，ｙ）座標を連結した６ｘ１のベクトルである。
【００５９】
感度行列はこの実施例では画像ヤコビ行列である。ここで、独国特許第１９９３００８７（Ｂ４）号明細書に記載されているように、カメラによってｍ個の画像特徴が検出されると仮定する。Ｆが画像座標内に観測された特徴の位置であるとし（したがって、Ｆは２ｍ×１のベクトル）、Ｘがカメラの６次元デカルト配置であるとする。またＦ０は、カメラ配置Ｘ０で観測された画像特徴の公称位置であるとする。当然のことながら、カメラが姿勢Ｘ０＋ｄｘであるとすると、画像特徴はＦ１＝Ｆ０＋ｄｆの位置に観測される。画像特徴がＦｉに観測されると、感度行列はｄｘ（すなわち公称配置からのカメラの偏位）を与えることができる。より具体的には、
ｄｘ＝Ｊ＊・ｄｆ
であり、ここでＪ＊は感度行列Ｊのムーア−ペンローズ擬似逆行列（Ｍｏｏｒｅ−Ｐｅｎｒｏｓｅ  ｐｓｅｕｄｏｉｎｖｅｒｓｅ）である。感度行列はｄｘとｄｆの間に線形関係を仮定し、これは公称姿勢Ｘ０の近傍でのみ近似的に正しいことに留意されたい。したがって、カメラの別の公称位置に対しては、異なる感度行列が使われるべきである。一般に個々の公称配置に対する感度行列の生成には２つの共通手法がある。すなわち、（ｉ）解析的方法、これは構成の幾何学特性についての正確な知識を必要とする手法と、（ｉｉ）トレーニング法、これはカメラが公称位置の周りを様々な姿勢で移動して既知のｄｘに対する観測されたｄｆの変化を記録して、ｄｆがｄｘに最良適合する感度行列を計算する手法とである。
【００６０】
本構成においては、同じ概念を利用する。ただし唯一異なるのは、カメラで収集された特定の特徴の画像座標の代わりに、ＰＳＤ１２上のレーザスポット２０’の中心の２次元座標が観測されることである。各較正姿勢と各較正配置に対する感度行列を生成するために、前述した初期設定時のトレーニング法を行う。
【００６１】
初期段階において行われるさらなるプロセスは、ロボット識別特性の特定である。これは、ロボットの識別特性を定義する、ロボット１の真の運動学パラメータが特定されることを意味している。産業用ロボット１の製造者は同一種類のすべてのロボット１に同一の運動学モデル（公称運動学モデル）を付与するが、これは近似的にしか有効でない。それは、真の運動学モデルは、製造誤差や、経時効果、熱の影響などにより、同一種類でもロボットの個体が異なれば違ってくるからである。
【００６２】
本発明の好適な実施形態によれば、この段階で、レーザトラッカまたは類似のツールを利用してＰＳＤ１２の公称値を、デカルト座標系の対応する絶対位置へ関係づけることが行われる。レーザトラッカの利用法は後で詳細に述べる。システムの据付段階でのみ、その利用が必要である。ただし、本発明はレーザトラッカなしでも完全に機能する。その場合には、現在の較正配置および恐らくはロボットアーム３の現在の較正姿勢は、レーザトラッカまたは類似のツールによる絶対値として決定されるのではなく、むしろ、ロボットコントローラ１ａからの、誤差の影響を含む可能性のある値に基づいたものとなる。
【００６３】
次の段階（実際のロボット較正に対応）がインラインで（すなわちロボットの通常の運転中に）実行されて、（ｉ）計測値、すなわち各較正配置に対するそれぞれのΔＱ、が収集され、それを利用してロボットの運動学モデルが更新され、（ｉｉ）ロボット１の運動学モデルの誤差が特定される。この段階で実行される２つの主なステップは、配置回復プロセスと誤差特定プロセスである。
【００６４】
配置回復プロセスに関しては、ロボット１はｓ２状態にあると仮定する。これは寄生効果が起きた後の状態であり、そこでは例えば熱の影響によりロボット１の機械部品が変形して、運動学モデルに誤差をもたらす。配置回復プロセスでは、各基準姿勢Ｑｉ１に対して、対応するジョイント角Ｑｉ２やその他の特性パラメータを計測することが要求され、これらによってエンドエフェクタ６が駆動されて（ロボットの前の状態ｓ１で計測された）その元のデカルト配置になる。すなわちＸｓ１（Ｑｉ１）＝Ｘｓ２（Ｑｉ２）となる。ここでＱｉ２はＱｉ１の近くにあることが予想されることに注意したい。
【００６５】
そうするために、ロボット１はロボットコントローラ１ａによって命令されて、予め定義された各較正配置に移動し、各較正姿勢を取る。ロボット１が基準姿勢Ｑｉ１にあり、ロボットのエンドエフェクタ６に取り付けられた３つの光源７が３つのＰＳＤ１２の実際の位置２０を指しているとする。ＰＳＤ１２からの計測値はベクトルＦ（Ｑｉ１）を返す。前述したように、各較正配置で較正姿勢Ｑｉ１にある３つの光スポットの公称位置２０’はＦ０（Ｑｉ１）で与えられる。各較正配置に対して３つより少ないセンサ１２が使用される場合、したがって２つ以上の光線が同一センサ１２に当たる場合、光源７を時間制御してオン／オフすることによって、ベクトルＦ０（Ｑｉ１）を抽出することができる。Ｆ（Ｑｉ１）とＦ０（Ｑｉ１）の差は特定の姿勢（すなわちＪ（Ｑｉ１））に対する感度行列と共に、エンドエフェクタ６が元の予め定義された配置Ｘｓ１（Ｑｉ１）に戻るための相対移動ｄｘがどれほどであるべきかを返す。そこでは光スポットの実際の位置２０が以前に決定され記憶されている公称位置２０’に対応する。
ｄｘ＝Ｊ＊（Ｑｉ１）・［Ｆ０（Ｑｉ１）−Ｆ（Ｑｉ１）］
これが反復プロセスであり、最終的にエンドエフェクタ６がデカルト配置Ｘｓ１（Ｑｉ１）に到達して光スポット（または複数の光スポット）の実際の位置２０が公称位置２０’に対して可能な限り近づき、好ましくは一致するまで、ＰＳＤ１２上の実際の位置２０の計測が更新される。
【００６６】
時間の制約に依存して、回復プロセスは、すべての較正配置に対して連続的に実行するか、または中断しながら（その間はロボット１の通常運転が可能）、各較正配置の計測データを散発的に収集する（すなわち一例として、ロボットが２つの較正配置のデータを収集した後通常の運転に戻り、その後さらに追加の２つの較正配置からのデータ収集に戻って、必要な数の配置から十分なデータが収集されるまでそれを繰り返す）かのいずれかで実行可能である。
【００６７】
精密な較正データを得るために、バックラッシュ効果が対処されることが好ましい。具体的には、（ｉ）ロボット１は、最初に相対的なジョイント運動をして、常に同じホームポジションからスタートして較正姿勢へ駆動される。この相対運動により、較正姿勢からホームポジションに行く際の移動と同じ方向にジョイント５を動かすべきである。
（ｉｉ）レーザスポット２０を公称位置２０’の方向へ移動させ、それによってエンドエフェクタ６をその予め定義された較正配置へ案内するための反復閉ループ制御プロセスは、ヒステリシスを補償しながら多段階に分けて遂行することができる。
【００６８】
誤差特定プロセスの目的は、（ｉ）ロボット１の運動学モデルの誤差を特定し、（ｉｉ）その運動学パラメータを更新することである。入力としては上記の配置回復プロセスの出力を取り込むように設計されている。それは例えば（ｉ）初期設定時にエンドエフェクタ６を較正配置（すなわちＱｉ１）に向けて駆動する、ジョイント角（ｑ１，ｑ２，．．．，ＱＮｕｍｂｅｒＤＯＦｓ）または位置（ｘ，ｙ，ｚ）とｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の周りの向き（ａ，ｂ，ｃ）の組。初期設定においてレーザトラッカまたは類似のツールが利用できる場合には、この値（ｘ，ｙ，ｚ，ａ，ｂ，ｃ）はロボットコントローラ１ａの代わりにこの計測ツールにより与えられる。そして（ｉｉ）現時点でエンドエフェクタ６を同じデカルト配置（すなわちＱｉ２）で移動させる、ジョイント角または（ロボットコントローラ１ａにより与えられる）位置と向きの値のそれぞれの組。ここでは熱の影響またはそのほかの誤差や不正確さの源が既に発生している可能性があり、ロボット運動学モデルは変化している。本システムにおいては、誤差特定プロセスは最適化問題として扱われる。そこではエンドエフェクタ６の予測配置と実際の配置の間の誤差を最小化する、較正される運動学パラメータ、例えば、（ロボット１の運動学モデルを定義する）デナビット−ハーテンバーグ／ハヤティ・パラメータの値、が求められる。
【００６９】
具体的には識別ヤコビ行列の概念が使われる。これはロボット１の運動学パラメータに小さい変化が生じた場合の、エンドエフェクタ６のデカルト配置に予想される結果的な変化を表す。較正姿勢Ｑにおける識別ヤコビ行列をＪｉｄ（Ｑ）とし、運動学モデルの現在の推定による、姿勢Ｑにおけるエンドエフェクタ６のロボットベース２に対するデカルト座標位置をＸ（Ｑ）とする。現在の暖機状態のロボット１（ロボットアーム３の姿勢）において、姿勢Ｑｉ２におけるエンドエフェクタ６の計測されたデカルト座標位置が、Ｑｉ１での元の位置で与えられる、すなわちＸ（Ｑｉ１）であるとすると、エンドエフェクタ６のデカルト配置の予測値と実測値との間の誤差は、次のように表される。
ＤＰ＝Ｘ（Ｑｉ１）−Ｘ（Ｑｉ２）
【００７０】
Ｘ（Ｑｉ２）の値は、順運動学と現在の運動学モデルパラメータのシステム確度から計算される。絶対較正に関しては、初期段階にレーザトラッカまたは類似の計測ツールが使用されたとすると、据付段階で計測ツール（例えばレーザトラッカや類似のツール）を用いて、値Ｘ（Ｑｉ１）が直接計測されて記憶される。運動学パラメータの誤差をＤＶで表すと、次のようになる。
ＤＰ＝Ｊｉｄ（Ｑｉ２）・ＤＶ
【００７１】
後でわかる通り、識別ヤコビ行列の値は、ジョイント角、並びに現在の運動学パラメータの確度に依存する。したがって、上記の方程式はＤＶに関して反復的に、反復ごとにＪｉｄとＤＰの値を更新しながら解くことができる。ＤＰの反復による更新は次式で与えられる。
ＤＰ＝Ｘ（Ｑｉ１）−Ｗ
ここでＷは、順運動学と以前の反復から更新した運動学モデルに基づいて計算される、エンドエフェクタの配置に対する現在の確度である。
【００７２】
上記の方程式はベクトルＤＰと行列Ｊｉｄを連結し、各較正配置／姿勢に新しい行を追加することで、実際に解くことができることが注目される。１つの較正姿勢に対しては、識別ヤコビアンＪｉｄは６×Ｍの行列であり、行がエンドエフェクタのデカルト空間の自由度に対応し、列が較正中のＭ個の運動学パラメータに対応する。使用される較正姿勢の数がＮであれば、識別ヤコビアンの列の数は６Ｎとなる。検討するエンドエフェクタ６の自由度の数がもっと少ない場合には、類似の処理を行うことができることは勿論である。その場合には識別ヤコビ行列に対して、より少ない行の追加が必要なだけである。
【００７３】
誤差補償の第３の段階では、ロボット１が既に（上記のように）較正され終わっていることを仮定する。更新された運動学モデルは、通常運転中にロボット１の位置とエンドエフェクタ６の配置のそれぞれに現れる可能性のある不正確さの修正に利用される。
【００７４】
より具体的には、ここでもｓ１は初期設定時のロボット状態であって、そこには熱の影響やその他の不正確さによる影響がいずれもなく、ｓ２はロボットの現在状態であって、そこには予め定義されたそのような影響が生じている。本目的は、状態ｓ２においてＸｓ１（Ｑ１）と同一のデカルト配置にエンドエフェクタ６を駆動するジョイント角Ｑ２またはその他の特性パラメータを見つけることである。すなわち、Ｘｓ１（Ｑ１）＝Ｘｓ２（Ｑ２）である。較正段階でこれらの角度ΔＱ＝Ｑ２−Ｑ１は較正プロセスの一部として基準姿勢に対して計測されており、今度は、それらを更新された運動学モデルを利用して、作業空間内のすべてのエンドエフェクタ配置とロボットアーム姿勢に関して計算／予測する必要がある。以下においては、例示的に特性パラメータがジョイント角Ｑｉであると仮定する。勿論他の特性パラメータに対してもこの説明は全く同様に有効である。
【００７５】
これを実現するために、エンドエフェクタ６の基準フレームに少なくとも３つの制御点ｃｉ（ｉ∈［１，３］）を用いた。状態ｓｋにおける制御点ｃｉのデカルト座標をＸｃｉｓｋで表す。そうすると、状態ｓｋにおけるエンドエフェクタの配置はＸｓｋ（９ｘ１の列ベクトル）で表され、
【数５】
2015532219.tif 000008
である。
【００７６】
そしてジョイント角Ｑ２が基本ヤコビアンＪを利用して計算される。具体的には、ΔＱに関する次の方程式を、差分Ｘｓ１（Ｑ１）−Ｘｓｋ（Ｑ）がゼロ（または無視し得る最小）になるまで反復して解く。
Ｘｓ１（Ｑ１）−Ｘｓｋ（Ｑ）＝Ｊ（Ｑ）・ΔＱ
ここで、Ｘｓ１（Ｑ１）は、ロボットの作業空間内でエンドエフェクタ６を駆動したい目標配置であり（例えば目標姿勢は初期設定時に教示されるか、絶対座標で与えられる）、Ｘｓｋ（Ｑ）は順運動学と更新された運動学モデルを利用した、ジョイント角Ｑに対する現在の状態ｓｋでのエンドエフェクタ６の位置の推定値であり、Ｊ（Ｑ）は姿勢Ｑにおける基本ヤコビアンであり、ΔＱはこの方程式の各反復において得られる解であり、ＱはＱ１とΔＱに基づいて反復ごとに更新される。
【００７７】
本発明の主要点を要約して次にもう一度説明する。目的は、ロボット１を多くの運転サイクルに亘り、反復してデカルト配置Ｔ＊へ移動させることである。プログラムされた時点では、（ｉ）絶対位置の不正確さ、（ｉｉ）熱の影響、という２つの主な理由により精度は満足のいくものではない。
【００７８】
このことは、ロボット１がまだ「冷態」にあったとしても、デカルト配置Ｔ＊に移動するように命令された時に、むしろＴ＊＋ｄＡへ移動することを意味する。これは、ロボットコントローラ１ａがエンドエフェクタ６を配置Ｔ＊へ移動させる制御信号（例えばをジョイントへの命令）を、ロボット製造者がその特定のロボットの種類に対して提供したかまたはその特定のロボットに対して任意の他の方法で計算された、公称の運動学モデルに基づいて計算することによるものである。しかし、実際の運動学モデルは、同一種類のロボット１であってもロボットの個体が異なれば違ってくる（例えばロボット１の製造時の製作公差によって）。こうして、公称の運動学モデルを使用して、ロボット１を配置Ｔ＊に移動させるためにロボットコントローラ１ａが計算したジョイント角やその他の特性パラメータの値では、ロボットを実際にはＴ＝Ｔ＊＋ｄＡの配置へ移動させてしまう。ここで、ｄＡは実際の運動学モデルと公称運動学モデルとの違いを反映している。
【００７９】
前述したように、不正確さの第２の理由は熱の影響によるものである。これらの影響はロボット１の運動学モデルに一時的な変化を起こさせ（例えばリンク４が長くなり）、その結果、運転中のロボット１のデカルト配置Ｔに偏位が生じる。この熱誤差をｄＢで表すと、実際のロボットの配置Ｔは従ってＴ＝Ｔ＊＋ｄＡ＋ｄＢとなる。ここで、熱による誤差ｄＢはロボット１の運転中、ロボットの熱的な状態に依存して変化することが注目される。
【００８０】
本発明による較正システムの目的は、インラインで（ロボット１の通常運転中に）このドリフトｄＡ＋ｄＢを最小化し、ロボット１を特に高精度で所望のデカルト配置Ｔ＊へ案内することである。これは、（ｉ）ロボット１の運動学モデルの変化をインラインで特定し、（ｉｉ）更新された運動学モデルに基づいてロボット１を配置Ｔ＊へ移動させる、実際のジョイント角Ｑ＿ａｃｔまたは他の任意の特性パラメータを計算する、ことにより達成される。したがって、ロボットコントローラ１ａがジョイント角Ｑでロボット１をデカルト配置Ｔ＊へ移動させるつもりでも、実際にはエンドエフェクタ６は配置Ｔに移動させられるのに対し、ドリフトｄＡ＋ｄＢを最小化するために、ロボット１は代わりにジョイント角Ｑ＿ａｃｔで移動するように命令されて、実際には配置Ｔ＊へ移動する。
【００８１】
原則的に本方法は２段階で実行される。第１の段階はシステムの設定時、例えばロボット１がまだ「冷態」にある時にオフラインで実行される。この段階では、いくつかの基準値とトレーニングデータが収集され、それが第２の段階で利用される。第２の段階は、ロボット１の通常運転中にインラインで行われ、運動学モデルを更新し、ジョイント角Ｑ＿ａｃｔを計算するための較正データの収集を行う。これによりロボット１のエンドエフェクタ６は、運動学モデルが受ける寄生的変化には無関係に、絶対空間内の所望のデカルト配置Ｔ＊に向かって安定して駆動される。
【００８２】
較正システムは、（ＰＳＤ１２または他の種類の光学位置センサにより与えられる）外部基準フレームによってジョイント５の角度をインライン計測することが重要であり、この角度によって、絶対空間内で遠位端６が既知のデカルト座標の既定配置を有する、既定の姿勢へロボットアーム３が移動する。本発明の実施形態によれば、較正データが収集される、ロボットアーム３の各較正姿勢に対して、具体的には次のようである。
（ｉ）ＰＳＤ表面２１上にレーザプローブ７による３つのスポットがある。合計で３つのスポットがあり、各スポットに２次元座標があるとすると、６つの方程式を作ることができ、したがってＰＳＤ１２に関するロボット１の相対的なデカルト姿勢を決定することができる。ＰＳＤ１２とレーザ光線の位置と向きがまだ登録されていないとすると、受信される唯一の情報は以下の通りである。２つのロボット姿勢がＰＳＤ面２１上で同一のスポット座標を持つ場合、これらの姿勢は同じであり、つまりこれらは全く同じデカルト座標を持つことになる。ただし、ここではこれらのデカルト座標はまだ抽出できない。これはレーザトラッカやＣＭＭや類似のツールを用いて対応される。３つのスポットは単一のＰＳＤ１２に複数の光線を向けることによって計測することも可能であることに留意されたい。
（ｉｉ）レーザトラッカまたは類似のツールでは、デカルト空間において任意の姿勢のロボットアーム３の遠位端６の絶対座標を計測可能である。
【００８３】
項目（ｉ）と項目（ｉｉ）を結合し、レーザトラッカまたは類似のツールと較正システム（レーザプローブ７／ＰＳＤ１２を備える）のハードウェア装置との両方を利用して、ロボット１を様々な姿勢に移動して、レーザ光線がＰＳＤ１２に向かって検知面２１に当たるようにすることが可能である。そうして、各姿勢に対して次の手順を実行することができる。
・各姿勢に対し、ＰＳＤ１２上のそれぞれのスポット座標が記録される。これらの値を公称値と呼ぶ。
・各姿勢に対し、ロボットアーム３の遠位端６（それぞれ、フランジまたはエンドエフェクタ）のデカルト空間内の絶対座標がレーザトラッカを用いて計測され、対応するＰＳＤ１２の配置と共に、記録される。
【００８４】
この手順を実行した後、各較正姿勢に対してＰＳＤの公称スポット座標がデカルト空間の絶対座標関に関係づけられる。このように、レーザトラッカは、システムの据付段階でＰＳＤスポットの座標と絶対デカルト座標との対応関係を確立するためにのみ必要である。
【００８５】
据付段階のあと、ロボットが通常に運転されて較正システムが機能するときに、レーザトラッカなしで較正を継続することができる。具体的には、各較正姿勢に対して、同一の公称スポット座標となり、したがって絶対空間における同一のデカルト座標をもたらす、新しいジョイント角を閉ループ制御反復プロセスを適用して計測することができる。前述の、スポット座標とレーザトラッカデータとの間のマッピングに基づいて、どのジョイント角が、絶対空間における既知のデカルト座標となるかがいつでもわかる。
【００８６】
以下では、較正方法の２つの段階、すなわち初期設定とインラインプロセスについて説明する。
【００８７】
初期設定段階は、システムが初めて設置されるときに、生産を行わないで（ロボット１の通常運転の前のオフラインで）行われる。この段階では、ロボットは「冷態」であるとみなされ、一方でレーザトラッカは使用可能とされる。以下のステップが実行される。
・Ｎ個の基準姿勢を選択し、そこでは３つのレーザプローブ７が３つのＰＳＤ１２を射す（基準姿勢の組には複数の逆解も含まれる）。
・各基準姿勢に対し、基準姿勢のジョイント角並びにＰＳＤ１２上のレーザ光線のそれぞれのスポット座標を記録する。ｉ番目の基準姿勢に対するジョイント角をＱ１（ｉ）とし、各スポット座標をＦ（ｉ）とする。ここで記録されるスポット座標は、公称値と呼ばれる。
・各基準姿勢に対し、レーザトラッカでロボットアーム３の遠位端６の絶対デカルト座標を計測する。ｉ番目の基準姿勢のデカルト姿勢をＸ（ｉ）とする。
・各基準姿勢に対し、（ロボットコントローラ１ａまたはレーザトラッカのいずれかによって与えられる）遠位端６のデカルト姿勢の変化をスポット座標の変化に関係づける、ヤコビ行列（感度行列）を生成する。これは独国特許第１９９３００８７（Ｂ４）号明細書に記載の反復閉ループプロセスのトレーニング段階であり、ここで各自由度に対する既知のステップ移動が遂行され、スポット座標の変化が観測される。
【００８８】
インラインプロセス段階は、ロボット１の運転中に実行され、その目的は前述のドリフトｄｘ＝ｄＡ＋ｄＢを最小化することである。この段階ではレーザトラッカはもはや必要としない。主なステップとしては、（ｉ）較正データの収集、（ｉｉ）誤差特定、（ｉｉｉ）誤差補償、がある。これらの各ステップを次に説明する。
【００８９】
ロボット１の運転サイクル間に、ロボット１にＰＳＤ１２の領域へ移動するように命令して較正データが収集される。具体的には初期設定時に記録された各基準姿勢に対して、以下のような手順が行われる。
・ロボットに命令して、初期の設定段階で定義されて利用された基準姿勢Ｑ１（ｉ）へ移動させる。
・運動学モデルが変形されているとすると、ロボットアーム３の遠位端６のデカルト姿勢にはドリフトＸ（ｉ）＋ｄｘがある。その結果、ＰＳＤ１２内のスポット座標は公称値Ｆ（ｉ）＋ｄＦとは異なってくる。独国特許第１９９３００８７（Ｂ４）号明細書に記載の反復適合処理を適用して、ＰＳＤから受信するスポット座標Ｆ（ｉ）を、前に初期段階で公称値として記録したものに一致させる。いわゆるヒステリシス補償（すなわち、各ステップで反復適合処理による補正を行う前にロボット１を定義されたホームポジションに移動させること）を起動させていれば、典型的には３回の反復ステップで十分である。
・反復適合処理が終わると、最終的なジョイント角Ｑ２（ｉ）が記録される。このように、ロボット運動学モデルは変形されていて、今度はジョイント角がＱ１（ｉ）ではなくＱ２（ｉ）で絶対デカルト姿勢が得られることがわかる。絶対デカルト姿勢Ｘ（ｉ）は、初期段階でレーザトラッカを利用して計測されたことが思い起こされる。
・順運動学と上記のジョイント角Ｑ２（ｉ）に対する公称運動学モデルを利用して、ロボットアーム３の遠位端６のデカルト姿勢Ｙ（ｉ）を計算する。
・サイクル時間が非常に短くなければならない場合には、較正データを収集するためのこのプロセス時間は非常に限られてくる。そこで、ヤコビ行列を直接利用してドリフトｄｘを、独国特許第１９９３００８７（Ｂ４）号明細書に記載の追加の反復適合ステップを実行しないで、（独国特許第１９９３００８７（Ｂ４）号明細書に記載の方法の１ステップのみを実行して）直接計算することも可能である。ただし、反復プロセスを実行することで精度は向上し、実際の偏位の証明と計算だけに依拠するのではない推定値が得られる。
【００９０】
つまり上記の手順では、現在の状態においてジョイント角がＱ２（ｉ）であれば、ロボット１は、（公称モデルに基づいて予測される）Ｙ（ｉ）ではなく、むしろデカルト姿勢Ｘ（ｉ）に実際にあるという情報が得られる。収集された（ジョイント角の）データにむしろ高精度が要求されることが重要である。この理由により、較正データを収集する際にバックラッシュ効果を最小化する、ロボット移動の経路履歴が前以って生成されている。
【００９１】
全ての基準姿勢に対する上記のステップが行われた後、誤差特定のステップにおいて、収集された較正データを利用して、上記の最適化手法によりロボット１の運動学モデルが更新される。具体的には、デナビット−ハーテンバーグ／ハヤティ・パラメータの値が探索される。これがジョイント角Ｑ２（ｉ）に対する、ロボットアーム３の遠位端６の予測姿勢（すなわちＹ（ｉ））と実際の姿勢（すなわちＸ（ｉ））との間の誤差を最小化する。
【００９２】
上記のプロセスが較正手順の要約であり、較正データが収集されてロボットの運動学モデルが更新される。これで、更新された運動学モデルが与えられれば、誤差補償のステップにおいて、任意のドリフトｄｘを補償し、ロボット作業空間の任意の姿勢に対して更新されたジョイント角を計算して、任意の熱の影響ｄＡも補償しながら、ロボット１を絶対空間における所望のデカルト姿勢Ｔ＊へ駆動することが可能となる。違いを明らかにすると、上記の較正データ収集プロセスは、反復閉ループ適合処理を適用してＰＳＤ面内で更新されたジョイント角（更新データ）を見出すことに責任があり、他方、本明細書で説明したプロセスは、更新された運動学モデルを用いて、作業空間内で高精度にロボット１を駆動する更新されたジョイント角を計算することに責任がある。
【００９３】
較正プロセスが完了してロボット１がその通常の運転（例えば車の特徴の計測など）に戻ろうとしていると仮定すると、誤差補償手順が遂行されて更新された運動学モデルが考慮に入れられ、修正されたジョイントへの命令が計算される。ロボットアーム３の遠位端６の所望のデカルト姿勢がＴ＊であれば、
（ｉ）逆運動学と公称運動学モデルを用いて、ロボット１をデカルト姿勢Ｔ＊に駆動するジョイント角Ｑが計算される。
（ｉｉ）順運動学と更新された運動学モデルを用いて、遠位端６の実際の姿勢Ｔが、ジョイント角Ｑに対して計算される。
（ｉｉｉ）最適化段階を利用して、誤差Ｔ＊−Ｔを最小化するジョイント角Ｑ＋ｄｑが計算される。
【図１】
2015532219.tif 000009
【図２】
2015532219.tif 000010
【図３】
2015532219.tif 000011
【図４】
2015532219.tif 000012
【図５】
2015532219.tif 000013
【図６】
2015532219.tif 000014
【図７】
2015532219.tif 000015
【国際調査報告】
2015532219.tif 000016
2015532219.tif 000017
2015532219.tif 000018