(57)【要約】【課題】より簡素な態様で手首部の機構パラメータを校正できる校正装置を提供する。【解決手段】校正装置は、ロボット１の手先に最も近い関節Ｊ６に対して予め定められる位置に固定されたターゲット５と、ロボット１の周囲に設置された撮像装置４と、を利用して、ロボット１の手首部１５を表す機構モデルのパラメータを校正する。所定の初期位置からターゲット５の姿勢を変化させて複数の予備位置が生成される。それら予備位置を始点として、ターゲット５を撮像して得られる画像上において、ターゲット５が撮像装置４に対して所定の位置関係になるようなロボットの終点位置を算出する。構成装置は、算出された終点位置に基づいて、手首部１５の機構パラメータを校正する。【選択図】図１
2017077609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの手先において、該手先に最も近い関節に対して予め定められる位置に固定されていて、前記ロボットによって位置および姿勢を変更可能なターゲットと、前記ロボットの周囲に設置された撮像装置と、を利用して、前記ロボットの手首部を表す機構モデルのパラメータを校正する校正装置であって、
前記ターゲットが、前記撮像装置の視野に含まれるような位置に配置されているときの前記ロボットの位置を初期位置とし、前記ターゲットの位置を変更することなく前記ターゲットの姿勢を変化させたときに得られる前記ロボットの複数の位置をそれぞれ複数の予備位置として生成する予備位置生成部と、
前記撮像装置によって取得される画像上における前記ターゲットの像に基づいて、前記画像上における前記ターゲットの位置、および前記ターゲットと前記撮像装置との間の距離に関する情報を取得するターゲット検出部と、
前記複数の予備位置をそれぞれ始点とし、前記ターゲット検出部によって検出される前記ターゲットの位置が予め定められる位置になり、かつ前記距離が予め定められる距離になるように、前記ロボットを並進移動させたときに、並進移動した後の前記ロボットの位置をそれぞれ終点として記憶する終点位置記憶部と、
前記終点位置記憶部によって記憶された前記終点の位置に基づいて、前記機構モデルのパラメータを算出するパラメータ算出部と、
を備える、校正装置。
【請求項２】
前記パラメータ算出部は、非線形関数の最適化法に従って前記パラメータを算出するように構成される、請求項１に記載の校正装置。
【請求項３】
前記ターゲット検出部は、前記ターゲットの長さ情報を含む幾何学的特徴に基づいて、前記距離を算出するように構成される、請求項１または２に記載の校正装置。
【請求項４】
前記ターゲット検出部は、前記ターゲットから発生される光に基づいて、前記ターゲットの位置および前記距離を検出するように構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の校正装置。
【請求項５】
前記ターゲット検出部は、前記撮像装置によって取得される２次元画像に基づいて、前記ターゲットの位置および前記距離を検出するように構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の校正装置。
【請求項６】
ロボットの手先において、該手先に最も近い関節に対して予め定められる位置に固定されていて、前記ロボットによって位置および姿勢を変更可能なターゲットと、前記ロボットの周囲に設置された撮像装置と、を利用して、前記ロボットの手首部を表す機構モデルのパラメータを校正する校正方法であって、
前記ターゲットが、前記撮像装置の視野に含まれるような位置に配置されているときの前記ロボットの位置を初期位置とし、前記ターゲットの位置を変更することなく前記ターゲットの姿勢を変化させたときに得られる前記ロボットの複数の位置をそれぞれ複数の予備位置として生成し、
前記撮像装置によって取得される画像上における前記ターゲットの像に基づいて、前記画像上における前記ターゲットの位置、および前記ターゲットと前記撮像装置との間の距離に関する情報を取得し、
前記複数の予備位置をそれぞれ始点とし、検出された前記ターゲットの位置が予め定められる位置になり、かつ前記距離が予め定められる距離になるように、前記ロボットを並進移動させたときに、並進移動した後の前記ロボットの位置をそれぞれ終点として記憶し、
記憶された前記終点の位置に基づいて、前記機構モデルのパラメータを算出すること、
を含む、校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機構パラメータを校正する校正装置および校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットにおいては、ティーチングプレイバックによるプログラミングが広く採用されている。この方法によれば、プログラムによって教示される教示位置までロボットが繰返し移動する。
【０００３】
ロボット制御装置は、ロボットを数学的に表現した機構モデルを利用して数値計算を行い、プログラムの教示位置をロボットの座標系における指令位置に変換する。機構モデルは、実際のロボットの機構に対して幾分の誤差を含んでいるのが一般的であり、ロボットの手先が到達する位置は、指令位置には完全には一致しない。すなわち、実際の手先の到達位置と指令位置との間の誤差が小さければ、位置決め精度が高くなる。
【０００４】
機構モデルに含まれるパラメータ（以下、「機構パラメータ」と称することがある。）は、ロボットの構成部品の加工誤差または組立誤差を含んでおり、個々のロボットごとに異なる固有の値である。そのため、ロボットの構成部品が交換されたときには、機構パラメータを調整しないと、ロボットの位置決め精度が低下する虞がある。
【０００５】
モータの交換前に構成部品に目印を付与しておき、モータ交換後に目印が合致するように構成部品の位置を調整する方法（以下、「目印基準法」と称することがある。）が公知である。
【０００６】
また、特許文献１には、ロボットの機体に凹凸部を形成するとともに、計測装置によって凹凸部の位置を検出することによって軸の原点を決定する方法が開示されている。特許文献２には、ロボットに取付けられた受光素子およびレーザ光発射部を利用して原点を校正する方法が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、ロボットの姿勢を変化させた後のロボットの先端位置の３次元位置を測定することによって、機構パラメータを校正する方法が開示されている。特許文献４には、ロボットの手先に取付けられたワイヤの長さが、ロボットの姿勢に応じて変化することを利用して、機構パラメータを校正する方法が開示されている。特許文献５には、ロボットの姿勢を変化させた後のターゲットの位置と、受光デバイスとターゲットとの間の距離に応じてロボットを移動させ、その結果から機構パラメータを校正する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５４−１６２５６５号公報
【特許文献２】特開平１−０８７１８２号公報
【特許文献３】特開２００１−０１８１８２号公報
【特許文献４】特開２００１−１０５３５７号公報
【特許文献５】特開２００８−０１２６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
１つの軸を駆動するために使用されるモータまたは減速機の交換は、前述した目印基準法などの公知の方法を用いて比較的簡単に機構パラメータを校正できる。しかしながら、手首部をまとめて交換する場合では、手首部のリンク長などの機構パラメータを調整しないと、交換後の位置決め精度が低下する虞がある。
【００１０】
そのため、広い作業空間を確保できる場所にロボットを移動させ、ロボット全体の機構パラメータを校正する必要がある。特許文献５に記載された発明では、ロボットの手先に取付けられるカメラまたはターゲットの位置が未知であるので、手首軸の原点誤差を計算できず、手首部の機構パラメータを校正できない。
【００１１】
したがって、より簡便な態様で手首部の機構パラメータを校正できる校正装置および校正方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の１番目の発明によれば、ロボットの手先において、該手先に最も近い関節に対して予め定められる位置に固定されていて、前記ロボットによって位置および姿勢を変更可能なターゲットと、前記ロボットの周囲に設置された撮像装置と、を利用して、前記ロボットの手首部を表す機構モデルのパラメータを校正する校正装置であって、前記ターゲットが、前記撮像装置の視野に含まれるような位置に配置されているときの前記ロボットの位置を初期位置とし、前記ターゲットの位置を変更することなく前記ターゲットの姿勢を変化させたときに得られる前記ロボットの複数の位置をそれぞれ複数の予備位置として生成する予備位置生成部と、前記撮像装置によって取得される画像上における前記ターゲットの像に基づいて、前記画像上における前記ターゲットの位置、および前記ターゲットと前記撮像装置との間の距離に関する情報を取得するターゲット検出部と、前記複数の予備位置をそれぞれ始点とし、前記ターゲット検出部によって検出される前記ターゲットの位置が予め定められる位置になり、かつ前記距離が予め定められる距離になるように、前記ロボットを並進移動させたときに、並進移動した後の前記ロボットの位置をそれぞれ終点として記憶する終点位置記憶部と、前記終点位置記憶部によって記憶された前記終点の位置に基づいて、前記機構モデルのパラメータを算出するパラメータ算出部と、
を備える、校正装置が提供される。
本願の２番目の発明によれば、１番目の発明に係る校正装置において、前記パラメータ算出部は、非線形関数の最適化法に従って前記パラメータを算出するように構成される。
本願の３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明に係る校正装置において、前記ターゲット検出部は、前記ターゲットの長さ情報を含む幾何学的特徴に基づいて、前記距離を算出するように構成される。
本願の４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明に係る校正装置において、前記ターゲット検出部は、前記ターゲットから発生される光に基づいて、前記ターゲットの位置および前記距離を検出するように構成される。
本願の５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明に係る校正装置において、前記ターゲット検出部は、前記撮像装置によって取得される２次元画像に基づいて、前記ターゲットの位置および前記距離を検出するように構成される。
本願の６番目の発明によれば、ロボットの手先において、該手先に最も近い関節に対して予め定められる位置に固定されていて、前記ロボットによって位置および姿勢を変更可能なターゲットと、前記ロボットの周囲に設置された撮像装置と、を利用して、前記ロボットの手首部を表す機構モデルのパラメータを校正する校正方法であって、前記ターゲットが、前記撮像装置の視野に含まれるような位置に配置されているときの前記ロボットの位置を初期位置とし、前記ターゲットの位置を変更することなく前記ターゲットの姿勢を変化させたときに得られる前記ロボットの複数の位置をそれぞれ複数の予備位置として生成し、前記撮像装置によって取得される画像上における前記ターゲットの像に基づいて、前記画像上における前記ターゲットの位置、および前記ターゲットと前記撮像装置との間の距離に関する情報を取得し、前記複数の予備位置をそれぞれ始点とし、検出された前記ターゲットの位置が予め定められる位置になり、かつ前記距離が予め定められる距離になるように、前記ロボットを並進移動させたときに、並進移動した後の前記ロボットの位置をそれぞれ終点として記憶し、記憶された前記終点の位置に基づいて、前記機構モデルのパラメータを算出すること、を含む、校正方法が提供される。
【００１３】
これらおよび他の本発明の目的、特徴および利点は、添付図面に示される本発明の例示的な実施形態に係る詳細な説明を参照することによって、より明らかになるであろう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る校正装置および校正方法によれば、ロボットの手先に固定されたターゲット手首部を撮像装置で撮像して得られる画像上における情報に基づいて機構パラメータを算出できるので、簡便な態様で機構パラメータを校正できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態に係るロボットシステムの構成例を示す図である。
【図２】ロボット制御装置の機能ブロック図である。
【図３】ターゲットが取付けられた手首部を示す拡大図である。
【図４】撮像装置側から見たターゲットを示す拡大図である。
【図５】一実施形態に係る校正装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】ビジュアルフィードバックを利用した処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるために寸法が適宜変更されている。また、同一または対応する構成要素には、同一の参照符号が使用される。
【００１７】
図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る校正装置について説明する。図１は、ロボット１と、ロボット１を制御するロボット制御装置２と、撮像装置４と、を備えたロボットシステム１０を示している。
【００１８】
ロボット１は、ベース１１、旋回胴１２、下腕１３、上腕１４および手首部１５を備えた６軸垂直多関節ロボットである。ロボット１は、関節軸Ｊ１〜Ｊ６を有しており、関節軸Ｊ１〜Ｊ６をモータ（図示せず）で駆動することによって、手首部１５に取付けられたエンドエフェクタを所望の姿勢で所望の位置に位置決めできるように構成される。このようなロボット１の構成および機構は周知であるので、本明細書では詳細には説明しない。
【００１９】
ロボット１は、有線または無線の公知の通信手段を介してロボット制御装置２に接続されている。ロボット制御装置２は、互いにバスで接続された不揮発性記憶装置２１、揮発性記憶装置２２、演算処理装置２３を備えている。
【００２０】
不揮発性記憶装置２１には、ロボット１を制御するための制御プログラム、およびロボット１の機構パラメータの校正を行うための計算プログラムなどが格納されている。
【００２１】
揮発性記憶装置２２は、不揮発性記憶装置２１から読出された計算プログラムなどを一時記憶するために使用される。
【００２２】
演算処理装置２３は、ロボット制御装置２のＣＰＵであり、揮発性記憶装置２２に記憶されたプログラムに従って種々の演算を実行する。
【００２３】
ロボット制御装置２は、外部装置、例えば入力装置および表示装置に接続されるインタフェイス（図示せず）を備えている。
【００２４】
ロボット１の手首部１５には、撮像装置４の撮像対象となるターゲット５がエンドエフェクタとして取付けられている。ターゲット５は、ロボット１が動作するのに連動してその位置および姿勢が変化するように手首部１５に固定されている。
【００２５】
ターゲット５は、幾何学的特徴として複数の円形の模様が表面に付与された板状の部材である。それら円は、格子状に配列されており、予め定められる距離だけ中心の位置が互いに離間している。ターゲット５は、ロボット１の手先に最も近い関節Ｊ６に対して予め定められる位置に取付けられている。すなわち、関節Ｊ６に対するターゲット５の位置、ひいては各々の円の中心の位置は、予め分かっている。
【００２６】
ターゲット５に付与される幾何学的特徴は、前述した円形の模様に限定されない。幾何学的特徴は、特定の代表点を観念しうる他の図形、例えば多角形であってもよいし、三次元図形であってもよい。或いは、発光ダイオードなどの発光体によって、幾何学的特徴がターゲット５に付与されてもよい。幾何学的特徴の配列は、格子状の配列に限定されず、一定の規則性を有する他の配列、例えば千鳥状の配列であってもよい。
【００２７】
図３は、ターゲット５が取付けられた手首部１５を拡大して示す拡大図である。図４は、撮像装置４の側から見たターゲット５を示す拡大図である。
【００２８】
図４に示されるように、ターゲット５には、幾何学的特徴として、等間隔に配列された９個の円５１からなる模様が付与されている。幾何学的特徴の代表点は、適宜設定されるものの、本実施形態においては、９個の円５１のうち、中央に配置された代表円５２の中心５２１に設定される。
【００２９】
代表円５２の中心５２１は、手首部１５に対して設定されるメカニカルインタフェイス座標系ΣｆのＸＺ平面上に配置されている。メカニカルインタフェイス座標系Σｆは、関節Ｊ６の回転軸線と、ターゲット５が取付けられた手首部１５の取付面との交点を原点とし、回転Ｊ６の回転軸線に対して平行であって、取付面から離れる方向をＺ軸の正方向とし、取付面に対して平行に延びていて、回転Ｊ６の関節軸が０度を指す方向をＸ軸の正方向とするように設定される座標系である。しかしながら、代表円５２の中心５２１の位置は、前述した例に限定されないことに留意されたい。
【００３０】
撮像装置４は、対象物を撮像することにより、二次元画像を受光面で検出する機能を有する。撮像装置４は、例えば、予め定められる焦点距離を有するレンズを備えたＣＣＤカメラである。
【００３１】
ロボット制御装置２は、ロボット１の機構パラメータを校正する校正装置としての機能を有する。以下、ロボット制御装置２の校正装置としての機能について説明する。
【００３２】
図２は、ロボット制御装置２の機能ブロック図である。図２に示されるように、ロボット制御装置２は、軸制御部３１と、表示部３２と、操作部３３と、予備位置生成部３４と、ターゲット検出部３５と、終点位置記憶部３６と、パラメータ算出部３７と、を備えている。
【００３３】
軸制御部３１は、ロボット１の関節軸Ｊ１〜Ｊ６を制御する指令を生成する。表示部３２は、ロボット制御装置２に接続された表示装置を介してロボット１に関する情報を表示する。操作部３３は、オペレータによって操作される入力デバイスに接続されていて、操作の内容に応じたデータ生成、編集などの処理を実行する。
【００３４】
予備位置生成部３４は、ターゲット５が、撮像装置４の視野に含まれるような位置に配置されているときのロボット１の位置を初期位置とし、ターゲット５の位置を変更することなくターゲット５の姿勢を変化させたときに得られるロボット１の複数の位置をそれぞれ複数の予備位置として生成する。
【００３５】
ターゲット検出部３５は、撮像装置４によって取得される画像上におけるターゲット５の像に基づいて、当該画像上におけるターゲット５の位置、およびターゲット５と撮像装置４との間の距離に関する情報を取得する。
【００３６】
一実施形態において、ターゲット検出部３５は、ターゲット５の長さ情報を含む幾何学的特徴に基づいて、ターゲット５と撮像装置４との間の距離を算出するように構成されてもよい。また、一実施形態において、ターゲット検出部３５は、撮像装置４によって取得される２次元画像に基づいて、ターゲット５の位置およびターゲット５と撮像装置４との間の距離を検出するように構成されてもよい。
【００３７】
また、ターゲット５の幾何学的特徴が発光体によって付与される実施形態の場合、ターゲット検出部３５は、ターゲット５から発生される光に基づいて、ターゲット５の位置およびターゲット５と撮像装置４との間の距離を検出するように構成されてもよい。
【００３８】
終点位置記憶部３６は、予備位置生成部３４によって生成された複数の予備位置をそれぞれ始点とし、ターゲット検出部３５によって検出されるターゲット５の位置および距離が、予め定められる位置および距離にそれぞれ近づくように、ロボット１を並進移動させたときに、並進移動した後のロボット１の位置をそれぞれ終点として記憶する。
【００３９】
パラメータ算出部３７は、終点位置記憶部３６によって記憶された前記終点の位置に基づいて、手首部１５の機構モデルのパラメータを算出する。一実施形態において、パラメータ算出部３７は、非線形関数の最適化法に従って、手首部１５の機構パラメータを算出するように構成されてもよい。
【００４０】
図５を参照して、ロボット制御装置２によって実行される処理の流れについて説明する。
【００４１】
ステップＳ５０１において、ロボット１の手首部１５の機構パラメータを仮校正する。例えば、手首部１５の関節の原点位置について、目視で原点位置近傍まで移動させ、移動後の位置を仮の原点に設定するとともに、仮の原点を不揮発性記憶装置２１に記憶する。リンク長を表すパラメータ値など、手首部１５の交換前後で変化の程度が小さい機構パラメータについては、交換前と同じ値を仮のパラメータ値として使用してもよい。
【００４２】
ステップＳ５０２において、撮像装置４によってターゲット５の幾何学的特徴を撮像できるように、ロボット１を動作させて、ターゲット５と撮像装置４との間の位置関係を調整する。撮像装置４に対するターゲット５の位置は、特定の位置である必要はなく、ターゲット５が撮像装置４の視野の範囲内に入っていればよい。周辺装置によって作業空間が制限される場合であっても、作業空間内の適切な位置が任意に選択される。そのため、周辺装置またはロボット１の設置位置を移動させる必要はない。
【００４３】
ステップＳ５０３において、ビジュアルフィードバックに従ってロボット１を動作させる。ステップＳ５０３の詳細な処理について、図６を参照して説明する。
【００４４】
ステップＳ６０１において、手首部１５に取付けられたターゲット５の幾何学的特徴（図４参照）を撮像装置４によって撮像する。
【００４５】
ステップＳ６０２において、ターゲット検出部３５が、ターゲット５を撮像して得られた画像上における幾何学的特徴の代表点（例えば、図４に示される代表円５２の中心５２１）の位置を取得する。代表点の位置は、画像上における所定位置に対する相対的位置として取得される。一実施形態において、ステップＳ６０２で取得される代表点の位置は、受光面の中心点に対する位置であってもよい。画像上における位置関係は、互いの間の距離が、二次元平面として表される画像の縦方向および横方向それぞれにおける「画素」の何個分に相当するかに応じて算出される。
【００４６】
ステップＳ６０３において、ターゲット検出部３５が、撮像装置４とターゲット５の代表点との間の距離を取得する。ターゲット５の幾何学的特徴を撮像して得られる画像上では、撮像装置４とターゲット５とが正対する関係にない場合、幾何学的特徴を構成する円は、楕円として表される。このことを考慮して、画像上における代表円５２の中心５２１の位置と、代表円５２に隣接する円５１の中心の位置との間の距離が検出される。画像処理の方法は、種々の公知技術を適用できるので、本明細書では詳細な説明を省略する。
【００４７】
画像上における楕円の中心間距離と、予め定められる画素の一辺の長さと、予め定められる実際の円５１と代表円５２との間の中心間距離と、撮像装置４のレンズの焦点距離と、に基づいて、ターゲット５と撮像装置４との間の距離が計算される。公知のピンホールカメラモデルに従った計算方法を適用できるので、本明細書では詳細な説明を省略する。
【００４８】
ステップＳ６０４において、ステップＳ６０２で計算された相対的位置関係、およびステップＳ６０３で計算された距離が、予め定められる目標位置および目標距離になるように、ロボット１の動作量を計算する。目標位置および目標距離としては、不揮発性記憶装置２１に記憶された値を使用できる。具体的には、算出された位置および距離と、目標位置および目標距離との差に応じて、それらの差が所定値以下になるように、ロボット１の動作量を計算する。
【００４９】
ステップＳ６０５において、ステップＳ６０４で計算された動作量に応じてロボット１を動作させる。
【００５０】
図６を参照して説明したビジュアルフィードバックを利用したロボットの動作制御は公知であり、例えば特許文献５に記載された方法を適用できる。
【００５１】
ビジュアルフィードバックを利用してロボットを動作させれば、撮像装置４を用いたターゲット５の計測は非接触の態様で実行される。したがって、ターゲット５の摩耗等が生じないので、計算結果の精度が時間とともに低下する虞がない。
【００５２】
また、動作後のロボットの位置は、演算処理装置２３によって自動的に計算されるので、ロボットの終点位置を精度よく取得できる。さらに、ロボットの動作中に作業者がロボットに近づく必要がないので、作業者の安全が確保されるとともに、作業者の負担が減る。
【００５３】
図５に戻り、ステップＳ５０４において、動作後のロボット１の位置を初期位置として不揮発性記憶装置２１に記憶する。
【００５４】
ステップＳ５０５において、予備位置生成部３４が、複数の予備位置を算出し、不揮発性記憶装置２１に記憶する。複数の予備位置は、ロボット１の初期位置に対応する幾何学的特徴の代表点の位置を変更することなくターゲット５の姿勢のみを変更することによってそれぞれ得られる。
【００５５】
ステップＳ５０６において、計数値ｉに「１」が入力される。
【００５６】
ステップＳ５０７において、ロボット１をｉ番目の予備位置まで動作させる。前述したように、予備位置までの動作においては、初期位置の状態から代表点の位置が変更されない。したがって、ロボット１が動作する範囲は小さくなるので、作業領域が制限された場合であっても、ステップＳ５０７の処理を安全に実行できる。
【００５７】
ステップＳ５０８において、ステップＳ５０３と同様に、ビジュアルフィードバックに従ってロボット１を動作させる。
【００５８】
ステップＳ５０９において、終点位置記憶部３６が、動作後のロボット１の位置を不揮発性記憶装置２１に終点位置として記憶する。
【００５９】
ステップＳ５１０において、計数値ｉと予備位置の数ｎとを比較する。「ｉ＝ｎ」が成立しないと判定された場合は、ステップＳ５１１に進み、計数値ｉに「ｉ＋１」が入力され、ステップＳ５０７に戻る。
【００６０】
他方、ステップＳ５１０において、「ｉ＝ｎ」が成立すると判定された場合は、ステップＳ５１２に進む。ステップＳ５１２では、パラメータ算出部３７が、ｎ個の終点位置に基づいて、手首部１５の機構パラメータを計算し、校正処理を終了する。
【００６１】
次に、ロボット１の機構パラメータを計算する方法について説明する。本実施形態によれば、複数の姿勢における機構パラメータの誤差を算出し、誤差が小さくなるように機構パラメータを校正する。
【００６２】
次の３つの誤差が、機構パラメータ誤差として考慮される。第１の誤差は、手首部１５の回転軸の原点位置およびリンク長などを含むｎｐ個の機構パラメータＰk,0［Ｐk,0,1，Ｐk,0,2，，．．．，Ｐk,0,np］である。機構パラメータＰk,0は、手首部１５の機構パラメータに加えて、ロボット１の他の機構パラメータを含んでいてもよい。
【００６３】
第２の誤差は、メカニカルインタフェース座標系Σｆにおける代表点の位置ＰS＝［ＸS，ＺS］の誤差である。前述したように、メカニカルインタフェース座標系Σｆは、ロボット１の手先に設けられるターゲット５の取付部に固定された座標系である。第２の誤差では、Ｙ軸成分のＹSを考慮していない。手先に最も近い関節Ｊ６の回転軸の回転方向は、ＰSのＹ軸成分ＹSに応じて変化するので、ΔＹs＝０としなければ、回転軸の原点を一意に特定できないからである。
【００６４】
第３の誤差は、ベース座標系Σｂにおける代表点の位置Ｐm＝［Ｘm，Ｙm，Ｚm］の誤差である。ベース座標系Σｂは、ロボット１のベース１１に固定された座標系である。
【００６５】
第１の誤差、第２の誤差および第３の誤差を機構パラメータ誤差ＰID＝［ΔＰk,0，ΔＰS，ΔＰm］とする。
【００６６】
理想状態、すなわちＰIDのすべての成分がゼロである場合は、記憶されたロボット１のｉ番目の終点位置およびメカニカルインタフェイス座標系Σｆにおける代表点の位置ＰSを用いて算出されるベース座標系Σｂにおける代表点の位置Ｐiと、ロボット１の初期位置およびメカニカルインタフェイス座標系Σｆにおける代表点の位置ＰSを用いて算出されるベース座標系Σｂにおける代表点の位置Ｐmとが完全に一致するはずである。しかしながら、通常は、機構パラメータ誤差ＰIDに起因して、代表点の位置ＰiとＰmとの間には、次の式（１）で表わされる位置誤差ｅiが生じる。
【００６７】
【数１】
2017077609.tif 000003
【００６８】
幾何学的関係から分かるように、ＰiはＰIDの関数である。したがって、ｅiもＰIDの関数である。
【００６９】
本実施例では、ニュートン・ラプソン法を用いて、ｎｓ個の計測位置姿勢におけるベース座標系Σｂにおける代表点の位置Ｐiと、初期位置におけるベース座標系Σｂにおける代表点の位置Ｐmとの誤差Ｅ＝［ｅ1，ｅ2，...，ｅns］が最小になるようなＰIDを求める。この計算では、先ず次の式（２）のようにｅiのｊ番目の同定パラメータＰID,Jに対する微分値ｇi,jを求める。
【００７０】
【数２】
2017077609.tif 000004
【００７１】
ここでｅ'i,jは、ＰID,jに微小誤差量ΔＰID,jを加えたときの、ロボット１のｉ番目の終点位置でのベース座標系Σｂにおける代表点の位置Ｐ'iと、初期位置でのベース座標系Σｂにおける代表点の位置Ｐmとの誤差である。
【００７２】
ＰIDがｎｅ個のパラメータを含んでいるとすれば、式（２）を用いて求められたｇi,jは、行列［Ｇ］で表される（式（３）参照）。
【００７３】
【数３】
2017077609.tif 000005
【００７４】
この行列［Ｇ］を用いることによって、誤差関係は、以下の線形の式（４）で表される。
【００７５】
【数４】
2017077609.tif 000006
【００７６】
したがってＰIDは、次の式（５）から求めるられる。
【００７７】
【数５】
2017077609.tif 000007
【００７８】
ただし、［Ｇ］+は［Ｇ］の擬似逆行列であり、以下の式（６）から求められる。
【００７９】
【数６】
2017077609.tif 000008
【００８０】
以上から、機構パラメータＰk,1は、次の式（７）から求められる。
【００８１】
【数７】
2017077609.tif 000009
【００８２】
ＰIDとＰiとの間の関係には非線形性が存在しているため、式（７）から求められたＰk,1は依然として誤差を含んでいる。そこで、ニュートン・ラプソン法に従って、Ｐk,1をＰk,0の代わりに使用して、ＰIDのすべての成分が十分に小さくなるまで、式（１）から式（７）の計算を繰返し行う。実際には、ＰIDの各成分が所定の閾値以下になるまで上記計算を繰返す。校正に使用される他の計算方法としては、遺伝的アルゴリズム、ニューラルネットワーク等の非線形問題の最適化法があるが、いずれも周知の方法であるので、本明細書では詳細な説明を省略する。
【００８３】
ロボット１の手首部１５の機構パラメータを構成する前述した工程のうち、作業者が実行する必要があるのは、ステップＳ５０１およびＳ５０２のみであり、ステップＳ５０３以降の工程は、自動化可能である。また、校正を実行するために、ロボット１を別の場所へ移動させる必要もない。そのため、作業者にかかる負担を軽減できる。
【００８４】
本実施形態に係る校正装置および校正方法によれば、次のような効果が得られる。
【００８５】
（１）周囲環境によりロボット１の動作範囲が制限される場合であっても、手首部１５の機構パラメータを校正できる。
【００８６】
（２）手首部１５の機構パラメータの校正が計算により自動的に行われる。したがって、作業者の熟練度にかかわらず、迅速かつ確実に機構パラメータを校正できる。作業者にかかる負担も軽減される。
【００８７】
（３）機構パラメータを校正するために、ロボット１に目印などを予め付与する必要がない。したがって、本実施形態に係る校正装置および構成方法は、任意のタイプのロボットに適用できる。
【００８８】
（４）校正を実行する際に、作業者がロボット１の近くで作業する必要がなくなるので、作業者の安全を確保できる。
【００８９】
（５）非接触の方法で機構パラメータを校正できるので、部品の摩耗に起因する計測精度の低下を防止できる。
【００９０】
（６）手首部１５全体の機構パラメータを校正できる。したがって、手首部１５を交換したときにロボット１の位置決め精度が低下するのを防止できる。
【００９１】
手首部１５の機構パラメータを校正する際に要求されるロボット１の動作領域の大きさについて、本実施形態に係る校正装置と比較例に係る校正装置とを比較する。
【００９２】
動作領域の大きさを表す指標として、メカニカルインタフェイス座標系Σｆの原点が水平方向に対して動作する範囲（面積）を使用する。換言すれば、ロボット１の上方から見て、メカニカルインタフェイスΣｆの原点が移動する範囲の面積に基づいて、動作領域の大きさを評価する。
【００９３】
比較例に係るロボットシステムにおいては、特許文献５に記載されているように、撮像装置がロボットの手先に固定されており、ターゲットがロボットの周囲に設置されている。例えば、撮像装置は、メカニカルインタフェイス座標系Σｆにおいて、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（２５０，０，１０）の位置に配置されるとともに、ターゲットは、ベース座標系Σｂにおいて、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１８００，０，１３００）の位置に設置されている。
【００９４】
さらに、ターゲットと撮像装置とが約４００ｍｍ離間して正対するとともに、撮像装置の光軸がターゲットの代表点を通るように撮像装置が位置決めされる。そして、撮像装置の光軸が、ベース座標系ΣｂのＸ軸およびＹ軸の回りにそれぞれ±３０度、Ｚ軸の回りに±４５度傾けて合計８箇所の計測位置姿勢を設定する。その場合、校正処理を行う際に、手先が水平方向に対して移動する範囲の大きさは、半径が約４３２ｍｍである円の面積に等しくなる。
【００９５】
他方、本実施形態に係るロボットシステムでは、撮像装置４がロボット１の周囲に設置されており、ターゲット５がロボット１の手首部１５に固定されている。ターゲットの代表点がメカニカルインタフェイス座標系Σｆにおいて、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（２５０，０，１０）の位置に配置されるものとする。そして、ターゲット５と撮像装置４とが約４００ｍｍ離間して正対するとともに、撮像装置の光軸が、ベース座標系ΣｂのＸ軸およびＹ軸の回りにそれぞれ±３０度、Ｚ軸の回りに±４５度傾けて合計８箇所の予備位置を設定する。その場合、校正処理を行う際に、手先が水平方向に対して移動する範囲の大きさは、半径が約２２１ｍｍである円の面積に等しくなる。
【００９６】
このように、本実施形態によれば、同じ条件で機構パラメータの校正を行っても、比較例の場合に比べて動作範囲の大きさが約７４％削減される。したがって、本実施形態によれば、作業スペースが制限された環境下でも手首部の機構パラメータを校正できるようになる。
【００９７】
関節軸が全て回転軸である機構を有するロボットを使用する場合について説明したものの、関節軸として直動軸を備えたロボットの場合にも、軸角度を軸位置と読替えれば、同様の説明が当てはまる。
【００９８】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、当業者であれば、他の実施形態によっても本発明の意図する作用効果を実現できることを認識するであろう。特に、本発明の範囲を逸脱することなく、前述した実施形態の構成要素を削除または置換することができるし、或いは公知の手段をさらに付加することができる。また、本明細書において明示的または暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。
【符号の説明】
【００９９】
１    ロボット
１０    ロボットシステム
１５    手首部
２    ロボット制御装置
３１    軸制御部
３２    表示部
３３    操作部
３４    予備位置生成部
３５    ターゲット検出部
３６    終点位置記憶部
３７    パラメータ算出部
【図１】
2017077609.tif 000010
【図２】
2017077609.tif 000011
【図３】
2017077609.tif 000012
【図４】
2017077609.tif 000013
【図５】
2017077609.tif 000014
【図６】
2017077609.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月17日(2017.2.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本願の１番目の発明によれば、ロボットの手先において、該手先に最も近い関節に対して予め定められる位置に固定されていて、前記ロボットによって位置および姿勢を変更可能なターゲットと、前記ロボットの周囲に設置された撮像装置と、を利用して、前記ロボットの手先に最も近い関節を含めた、手先の姿勢を変更するのに寄与する関節のみの機構モデルのパラメータを校正する校正装置であって、前記ターゲットが、前記撮像装置の視野に含まれるような位置に配置されているときの前記ロボットの位置を初期位置とし、前記ターゲットの位置の代表点を変更することなく前記ターゲットの姿勢を変化させたときに得られる前記ロボットの複数の位置をそれぞれ複数の予備位置として生成する予備位置生成部と、前記撮像装置によって取得される画像上における前記ターゲットの像に基づいて、前記画像上における前記ターゲットの位置、および前記ターゲットと前記撮像装置との間の距離に関する情報を取得するターゲット検出部と、前記複数の予備位置をそれぞれ始点とし、前記ターゲット検出部によって検出される前記ターゲットの位置が予め定められる位置になり、かつ前記距離が予め定められる距離になるように、前記ロボットを並進移動させたときに、並進移動した後の前記ロボットの位置をそれぞれ終点として記憶する終点位置記憶部と、前記終点位置記憶部によって記憶された前記終点の位置から算出される代表点の位置と前記初期位置から算出される代表点の位置との差である位置誤差が小さくなるように、前記機構モデルのパラメータを算出するパラメータ算出部と、
を備える、校正装置が提供される。
本願の２番目の発明によれば、１番目の発明に係る校正装置において、前記パラメータ算出部は、非線形関数の最適化法に従って前記パラメータを算出するように構成される。
本願の３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明に係る校正装置において、前記ターゲット検出部は、前記ターゲットの長さ情報を含む幾何学的特徴に基づいて、前記距離を算出するように構成される。
本願の４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明に係る校正装置において、前記ターゲット検出部は、前記ターゲットから発生される光に基づいて、前記ターゲットの位置および前記距離を検出するように構成される。
本願の５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明に係る校正装置において、前記ターゲット検出部は、前記撮像装置によって取得される２次元画像に基づいて、前記ターゲットの位置および前記距離を検出するように構成される。
本願の６番目の発明によれば、ロボットの手先において、該手先に最も近い関節に対して予め定められる位置に固定されていて、前記ロボットによって位置および姿勢を変更可能なターゲットと、前記ロボットの周囲に設置された撮像装置と、を利用して、前記ロボットの手先に最も近い関節を含めた、手先の姿勢を変更するのに寄与する関節のみの機構モデルのパラメータを校正する校正方法であって、前記ターゲットが、前記撮像装置の視野に含まれるような位置に配置されているときの前記ロボットの位置を初期位置とし、前記ターゲットの位置の代表点を変更することなく前記ターゲットの姿勢を変化させたときに得られる前記ロボットの複数の位置をそれぞれ複数の予備位置として生成し、前記撮像装置によって取得される画像上における前記ターゲットの像に基づいて、前記画像上における前記ターゲットの位置、および前記ターゲットと前記撮像装置との間の距離に関する情報を取得し、前記複数の予備位置をそれぞれ始点とし、検出された前記ターゲットの位置が予め定められる位置になり、かつ前記距離が予め定められる距離になるように、前記ロボットを並進移動させたときに、並進移動した後の前記ロボットの位置をそれぞれ終点として記憶し、記憶された前記終点の位置から算出される代表点の位置と前記初期位置から算出される代表点の位置との差である位置誤差が小さくなるように、前記機構モデルのパラメータを算出すること、を含む、校正方法が提供される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの手先において、該手先に最も近い関節に対して予め定められる位置に固定されていて、前記ロボットによって位置および姿勢を変更可能なターゲットと、前記ロボットの周囲に設置された撮像装置と、を利用して、前記ロボットの手先に最も近い関節を含めた、手先の姿勢を変更するのに寄与する関節のみの機構モデルのパラメータを校正する校正装置であって、
前記ターゲットが、前記撮像装置の視野に含まれるような位置に配置されているときの前記ロボットの位置を初期位置とし、前記ターゲットの位置の代表点を変更することなく前記ターゲットの姿勢を変化させたときに得られる前記ロボットの複数の位置をそれぞれ複数の予備位置として生成する予備位置生成部と、
前記撮像装置によって取得される画像上における前記ターゲットの像に基づいて、前記画像上における前記ターゲットの位置、および前記ターゲットと前記撮像装置との間の距離に関する情報を取得するターゲット検出部と、
前記複数の予備位置をそれぞれ始点とし、前記ターゲット検出部によって検出される前記ターゲットの位置が予め定められる位置になり、かつ前記距離が予め定められる距離になるように、前記ロボットを並進移動させたときに、並進移動した後の前記ロボットの位置をそれぞれ終点として記憶する終点位置記憶部と、
前記終点位置記憶部によって記憶された前記終点の位置から算出される代表点の位置と前記初期位置から算出される代表点の位置との差である位置誤差が小さくなるように、前記機構モデルのパラメータを算出するパラメータ算出部と、
を備える、校正装置。
【請求項２】
前記パラメータ算出部は、非線形関数の最適化法に従って前記パラメータを算出するように構成される、請求項１に記載の校正装置。
【請求項３】
前記ターゲット検出部は、前記ターゲットの長さ情報を含む幾何学的特徴に基づいて、前記距離を算出するように構成される、請求項１または２に記載の校正装置。
【請求項４】
前記ターゲット検出部は、前記ターゲットから発生される光に基づいて、前記ターゲットの位置および前記距離を検出するように構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の校正装置。
【請求項５】
前記ターゲット検出部は、前記撮像装置によって取得される２次元画像に基づいて、前記ターゲットの位置および前記距離を検出するように構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の校正装置。
【請求項６】
ロボットの手先において、該手先に最も近い関節に対して予め定められる位置に固定されていて、前記ロボットによって位置および姿勢を変更可能なターゲットと、前記ロボットの周囲に設置された撮像装置と、を利用して、前記ロボットの手先に最も近い関節を含めた、手先の姿勢を変更するのに寄与する関節のみの機構モデルのパラメータを校正する校正方法であって、
前記ターゲットが、前記撮像装置の視野に含まれるような位置に配置されているときの前記ロボットの位置を初期位置とし、前記ターゲットの位置の代表点を変更することなく前記ターゲットの姿勢を変化させたときに得られる前記ロボットの複数の位置をそれぞれ複数の予備位置として生成し、
前記撮像装置によって取得される画像上における前記ターゲットの像に基づいて、前記画像上における前記ターゲットの位置、および前記ターゲットと前記撮像装置との間の距離に関する情報を取得し、
前記複数の予備位置をそれぞれ始点とし、検出された前記ターゲットの位置が予め定められる位置になり、かつ前記距離が予め定められる距離になるように、前記ロボットを並進移動させたときに、並進移動した後の前記ロボットの位置をそれぞれ終点として記憶し、
記憶された前記終点の位置から算出される代表点の位置と前記初期位置から算出される代表点の位置との差である位置誤差が小さくなるように、前記機構モデルのパラメータを算出すること、
を含む、校正方法。