(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる第３の回転軸と、手首部を揺動させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首の先端部を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、を備えたロボットに対し、
姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記手首部先端に結合された自在継手の回動中心点の変位に基づいて前記第２の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーション方法において、
前記第１と第３の回転軸とが平行になるような前記第２の回転軸の角度を前記第２の回転軸の原点としたとき、
前記第１の姿勢は、前記原点から前記第２の回転軸を所定角度回転させた姿勢であり、
前記第２の姿勢は、前記第１の姿勢から、前記第３の回転軸を１８０度回転させ、前記第２の回転軸を前記原点から前記所定角度逆に回転させた姿勢であることを特徴とするロボットのキャリブレーション方法。
【請求項２】
第２のアーム部を旋回させる、鉛直な第６の回転軸と、前記第２のアーム部を前後方向に回転させる、第５の回転軸と、前記第２のアーム部先端に設けられて第１のアーム部を上下方向に回転させる、前記第５の回転軸に対して平行な第４の回転軸と、前記第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる、前記第４の回転軸に対して垂直な第３の回転軸と、前記第１のアーム部先端に設けられて手首部を回転させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首部の先端を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、を備えたロボットに対し、
前記ロボットの手首部先端に結合された自在継手の回動中心点を動かさないように姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記回動中心点の変位に基づいて前記第３の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーション方法において、
前記第２回転軸が水平になるような前記第３の回転軸の角度を前記第３の回転軸の原点としたとき、
前記第１の姿勢は、前記原点から、前記第１のアーム部を前記第３の回転軸回りに９０度回転させ、前記手首部を前記第２の回転軸回りに第１所定角度回転させ、前記第１の回転軸を水平とした姿勢であり、
前記第２の姿勢は、前記第１の姿勢から、前記第１のアーム部および前記手首部を前記第６の回転軸回りに第２所定角度旋回させ、前記第１のアーム部を前記原点から前記第３の回転軸回りに９０度逆に回転させた姿勢であり、
前記第１と第２の姿勢における前記手首部が、前後方向のＸ軸、左右方向のＹ軸、および上下方向のＺ軸で構成されるロボット座標系におけるＸＺ平面に関して、それぞれ鏡像の関係となることを特徴とするロボットのキャリブレーション方法。
【請求項３】
第２のアーム部を旋回させる、鉛直な第６の回転軸と、前記第２のアーム部を前後方向に回転させる、第５の回転軸と、前記第２のアーム部先端に設けられて第１のアーム部を上下方向に回転させる、前記第５の回転軸に対して平行な第４の回転軸と、前記第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる、前記第４の回転軸に対して垂直な第３の回転軸と、前記第１のアーム部先端に設けられて手首部を回転させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首部の先端を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、を備えたロボットに対し、
前記ロボットの手首部先端に結合された自在継手の回動中心点を動かさないように姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記回動中心点の変位に基づいて前記第４の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーション方法において、
前記第３の回転軸が水平になるような前記第４の回転軸の角度を前記第４の回転軸の原点としたとき、
前記第１の姿勢は、前記原点から、前記第１のアーム部を前記第４の回転軸回りに第３所定角度回転させ、前記手首部を前記第２の回転軸回りに第４所定角度回転させた姿勢であり、
前記第２の姿勢は、前記第１のアーム部を前記原点から前記第４の回転軸回りに前記第３所定角度逆に回転させ、前記第１のアーム部を前記第３の回転軸回りに１８０度回転させた姿勢であり、
前記第１と第２の姿勢における前記手首部および前記第１のアーム部が、それぞれ前記第４の回転軸を含む水平面に関して鏡像の関係となることを特徴とするロボットのキャリブレーション方法。
【請求項４】
第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる第３の回転軸と、手首部を揺動させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首の先端部を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、から少なくとも構成されたロボットと、前記ロボットの手首部先端に結合される自在継手と、前記自在継手の回動中心点の変位を検出する変位検出手段と、を備え、前記ロボットの姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させた結果生じた前記回動中心点の変位に基づいて、前記第２の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーションシステムにおいて、
前記第１と第３の回転軸とが平行になるような前記第２の回転軸の角度を前記第２の回転軸の原点としたとき、
前記第１の姿勢は、前記原点から前記第２の回転軸を所定角度回転させた姿勢であり、
前記第２の姿勢は、前記第１の姿勢から、前記第３の回転軸を１８０度回転させ、前記第２の回転軸を前記原点から前記所定角度逆に回転させた姿勢であることを特徴とするロボットのキャリブレーションシステム。
【請求項５】
第２のアーム部を旋回させる、鉛直な第６の回転軸と、前記第２のアーム部を前後方向に回転させる、第５の回転軸と、前記第２のアーム部先端に設けられて第１のアーム部を上下方向に回転させる、前記第５の回転軸に対して平行な第４の回転軸と、前記第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる、前記第４の回転軸に対して垂直な第３の回転軸と、前記第１のアーム部先端に設けられて手首部を回転させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首部の先端を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、から少なくとも構成されたロボットと、
前記ロボットの手首部先端に結合される自在継手と、
前記自在継手の回動中心点の変位を検出する変位検出手段と、を備え、
前記回動中心点を動かさないように前記ロボットの姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記回動中心点の変位に基づいて、前記第３の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーションシステムにおいて、
前記第２回転軸が水平になるような前記第３の回転軸の角度を前記第３の回転軸の原点としたとき、
前記第１の姿勢は、前記原点から、前記第１のアーム部を前記第３の回転軸回りに９０度回転させ、前記手首部を前記第２の回転軸回りに第１所定角度回転させ、前記第１の回転軸を水平とした姿勢であり、
前記第２の姿勢は、前記第１の姿勢から、前記第１のアーム部および前記手首部を前記第６の回転軸回りに第２所定角度旋回させ、前記第１のアーム部を前記原点から前記第３の回転軸回りに９０度逆に回転させた姿勢であり、
前記第１と第２の姿勢における前記手首部が、前後方向のＸ軸、左右方向のＹ軸、および上下方向のＺ軸で構成されるロボット座標系におけるＸＺ平面に関して、それぞれ鏡像の関係となることを特徴とするロボットのキャリブレーションシステム。
【請求項６】
第２のアーム部を旋回させる、鉛直な第６の回転軸と、前記第２のアーム部を前後方向に回転させる、第５の回転軸と、前記第２のアーム部先端に設けられて第１のアーム部を上下方向に回転させる、前記第５の回転軸に対して平行な第４の回転軸と、前記第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる、前記第４の回転軸に対して垂直な第３の回転軸と、前記第１のアーム部先端に設けられて手首部を回転させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首部の先端を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、から少なくとも構成されるロボットと、
前記ロボットの手首部先端に結合される自在継手と、
前記自在継手の回動中心点の変位を検出する変位検出手段と、を備え、
前記回動中心点を動かさないように前記ロボットの姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記回動中心点の変位に基づいて、前記第４の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーションシステムにおいて、
前記第３の回転軸が水平になるような前記第４の回転軸の角度を前記第４の回転軸の原点としたとき、
前記第１の姿勢は、前記原点から、前記第１のアーム部を前記第４の回転軸回りに第３所定角度回転させ、前記手首部を前記第２の回転軸回りに第４所定角度回転させた姿勢であり、
前記第２の姿勢は、前記第１のアーム部を前記原点から前記第４の回転軸回りに前記第３所定角度逆に回転させ、前記第１のアーム部を前記第３の回転軸回りに１８０度回転させた姿勢であり、
前記第１と第２の姿勢における前記手首部および前記第１のアーム部が、それぞれ前記第４の軸を含む水平面に関して鏡像の関係となることを特徴とするロボットのキャリブレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
［技術分野］
本発明は、ロボットのキャリブレーション装置および方法に関し、特にロボットの制御点の位置を一定に保って、ロボットの姿勢だけを変化させるような指令をロボットに与えた際に生じる制御点の位置ずれ量を測定することによって、ロボットのキャリブレーションを行なう装置および方法に関する。
［背景技術］
一般にロボット、特に多関節型ロボットでは、制御装置内部に持っているロボットパラメータすなわち、原点姿勢におけるリンク間角度、リンク間のねじれ角、リンク間の距離、リンク長さなどの、ロボットアームの幾何学的構成を記述する数値と、実際のロボットの数値との間に誤差があるので、前記制御装置が認識する前記ロボットの位置および姿勢と、前記ロボットの実際の位置および姿勢の間に誤差が生じる。前記制御装置が認識する前記ロボットの位置および姿勢を前記ロボットの実際の位置および姿勢と比較し、前記制御装置の持つロボットパラメータに補正を加えて、この誤差を修正することをロボットのキャリブレーションという。
このロボットのキャリブレーションの第１の従来技術の例として、日本特開平６−２７４２１３号公報に示された方法がある。これは次のような方法である。
ロボットの周囲に固定した複数の基準点を設け、この基準点ごとにロボットの手首部に取り付けたツールの先端の点がこの基準点に一致するような、複数の異なる姿勢を教示して、この教示点を登録する。これを繰り返して（基準点数×姿勢数）個の教示点を登録する。これら教示点のデータを用いて補正量を算出する。
しかし、この第１の従来技術では、操作者がツールの先端を確認しながら教示ボックスのキーを操作し、ロボットの微小位置決めを行なう必要があるため、操作が非常に煩雑であり、時間を要するという欠点があった。
この欠点を解消する第２の従来技術の例が、日本特開平５−２６１６８２号公報で提案されている。これは次のような方法である。
６軸の動作自由度を持ち、各自由度ごとに変位検出機能を持つキャリブレーション装置を、ロボットからの相対位置関係が既知であるか、または正確に測定出来るような場所に取り付け、前記キャリブレーション装置の先端部と前記ロボットの手首先端部を機械的に結合させ、前記キャリブレーション装置の変位検出手段から得られる位置データ、姿勢データからロボットの位置データ、姿勢データを逆算し、ロボットのキャリブレーションを行なう方法である。
ところが、この第２の従来技術でも、次の様な問題があった。
（１）前記キャリブレーション装置は６自由度の変位検出機能を要するので、複雑で高価になる。
（２）また前記キャリブレーション装置とロボットとの間の相対的位置と姿勢を正確に計測するのが困難である。
［発明の開示］
そこで本発明は、複雑な操作を伴わない、自動化が容易なキャリブレーション方法およびシステムを提供することを目的とする。
上記の問題を解決するために、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる第３の回転軸と、手首部を揺動させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首の先端部を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、を備えたロボットに対し、姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記手首部先端に結合された自在継手の回動中心点の変位に基づいて前記第２の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーション方法において、前記第１と第３の回転軸とが平行になるような前記第２の回転軸の角度を前記第２の回転軸の原点としたとき、前記第１の姿勢は、前記原点から前記第２の回転軸を所定角度回転させた姿勢であり、前記第２の姿勢は前記第１の姿勢から、前記第３の回転軸を１８０度回転させ、前記第２の回転軸を前記原点から前記所定角度逆に回転させた姿勢であることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、第２のアーム部を旋回させる、鉛直な第６の回転軸と、前記第２のアーム部を前後方向に回転させる、第５の回転軸と、前記第２のアーム部先端に設けられて第１のアーム部を上下方向に回転させる、前記第５の回転軸に対して平行な第４の回転軸と、前記第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる、前記第４の回転軸に対して垂直な第３の回転軸と、前記第１のアーム部先端に設けられて手首部を回転させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首部の先端を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、を備えたロボットに対し、前記ロボットの手首部先端に結合された自在継手の回動中心点を動かさないように姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記回動中心点の変位に基づいて前記第３の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーション方法において、前記第２回転軸が水平になるような前記第３の回転軸の角度を前記第３の回転軸の原点としたとき、前記第１の姿勢は、前記原点から、前記第１のアーム部を前記第３の回転軸回りに９０度回転させ、前記手首部を前記第２の回転軸回りに第１所定角度回転させ、前記第１の回転軸を水平とした姿勢であり、前記第２の姿勢は、前記第１の姿勢から、前記第１のアーム部および前記手首部を前記第６の回転軸回りに第２所定角度旋回させ、前記第１のアーム部を前記原点から前記第３の回転軸回りに９０度逆に回転させた姿勢であり、前記第１と第２の姿勢における前記手首部が、前後方向のＸ軸、左右方向のＹ軸、および上下方向のＺ軸で構成されるロボット座標系におけるＸＺ平面に関して、それぞれ鏡像の関係となることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、第２のアーム部を旋回させる、鉛直な第６の回転軸と、前記第２のアーム部を前後方向に回転させる、第５の回転軸と、前記第２のアーム部先端に設けられて第１のアーム部を上下方向に回転させる、前記第５の回転軸に対して平行な第４の回転軸と、前記第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる、前記第４の回転軸に対して垂直な第３の回転軸と、前記第１のアーム部先端に設けられて手首部を回転させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首部の先端を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、を備えたロボットに対し、前記ロボットの手首部先端に結合された自在継手の回動中心点を動かさないように姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記回動中心点の変化に基づいて前記第４の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーション方法において、前記第３の回転軸が水平になるような前記第４の回転軸の角度を前記第４の回転軸の原点としたとき、前記第１の姿勢は、前記原点から、前記第１のアーム部を前記第４の回転軸回りに第３所定角度回転させ、前記手首部を前記第２の回転軸回りに第４所定角度回転させた姿勢であり、前記第２の姿勢は、前記第１のアーム部を前記原点から前記第４の回転軸回りに前記第３所定角度逆に回転させ、前記第１のアーム部を前記第３の回転軸回りに１８０度回転させた姿勢であり、前記第１と第２の姿勢における前記手首部および前記第１のアーム部が、それぞれ前記第４の回転軸を含む水平面に関して鏡像の関係となることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる第３の回転軸と、手首部を揺動させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首の先端部を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、から少なくとも構成されたロボットと、前記ロボットの手首部先端に結合される自在継手と、前記自在継手の回動中心点の変位を検出する変位検出手段と、を備え、前記ロボットの姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させた結果生じた前記回動中心点の変位に基づいて、前記第２の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーションシステムにおいて、前記第１と第３の回転軸とが平行になるような前記第２の回転軸の角度を前記第２の回転軸の原点としたとき、前記第１の姿勢は、前記原点から前記第２の回転軸を所定角度回転させた姿勢であり、前記第２の姿勢は、前記第１の姿勢から、前記第３の回転軸を１８０度回転させ、前記第２の回転軸を前記原点から前記所定角度逆に回転させた姿勢であることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、第２のアーム部を旋回させる、鉛直な第６の回転軸と、前記第２のアーム部を前後方向に回転させる、第５の回転軸と、前記第２のアーム部先端に設けられて第１のアーム部を上下方向に回転させる、前記第５の回転軸に対して平行な第４の回転軸と、前記第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる、前記第４の回転軸に対して垂直な第３の回転軸と、前記第１のアーム部先端に設けられて手首部を回転させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首部の先端を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、から少なくとも構成されたロボットと、前記ロボットの手首部先端に結合される自在継手と、前記自在継手の回動中心点の変位を検出する変位検出手段と、を備え、前記回動中心点を動かさないように前記ロボットの姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記回動中心点の変位に基づいて、前記第３の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーションシステムにおいて、前記第２回転軸が水平になるような前記第３の回転軸の角度を前記第３の回転軸の原点としたとき、前記第１の姿勢は、前記原点から、前記第１のアーム部を前記第３の回転軸回りに９０度回転させ、前記手首部を前記第２の回転軸回りに第１所定角度回転させ、前記第１の回転軸を水平とした姿勢であり、前記第２の姿勢は、前記第１の姿勢から、前記第１のアーム部および前記手首部を前記第６の回転軸回りに第２所定角度旋回させ、前記第１のアーム部を前記原点から前記第３の回転軸回りに９０度逆に回転させた姿勢であり、前記第１と第２の姿勢における前記手首部が、前後方向のＸ軸、左右方向のＹ軸、および上下方向のＺ軸で構成されるロボット座標系におけるＸＺ平面に関して、それぞれ鏡像の関係となることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、第２のアーム部を旋回させる、鉛直な第６の回転軸と、前記第２のアーム部を前後方向に回転させる、第５の回転軸と、前記第２のアーム部先端に設けられて第１のアーム部を上下方向に回転させる、前記第５の回転軸に対して平行な第４の回転軸と、前記第１のアーム部を長手方向の軸周りに回転させる、前記第４の回転軸に対して垂直な第３の回転軸と、前記第１のアーム部先端に設けられて手首部を回転させる、前記第３の回転軸に対して垂直な第２の回転軸と、前記手首部の先端を回転させる、前記第２の回転軸に対して垂直な第１の回転軸と、から少なくとも構成されるロボットと、前記ロボットの手首部先端に結合される自在継手と、前記自在継手の回動中心点の変位を検出する変位検出手段と、を備え、前記回動中心点を動かさないように前記ロボットの姿勢を第１の姿勢から第２の姿勢へと変化させる指令を与え、この結果生じた前記回動中心点の変位に基づいて、前記第４の回転軸の原点位置を補正するロボットのキャリブレーションシステムにおいて、前記第３の回転軸が水平になるような前記第４の回転軸の角度を前記第４の回転軸の原点としたとき、前記第１の姿勢は、前記原点から、前記第１のアーム部を前記第４の回転軸回りに第３所定角度回転させ、前記手首部を前記第２の回転軸回りに第４所定角度回転させた姿勢であり、前記第２の姿勢は、前記第１のアーム部を前記原点から前記第４の回転軸回りに前記第３所定角度逆に回転させ、前記第１のアーム部を前記第３の回転軸回りに１８０度回転させた姿勢であり、前記第１と第２の姿勢における前記手首部および前記第１のアーム部が、それぞれ前記第４の軸を含む水平面に関して鏡像の関係となることを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の実施例を示す構成図であり、図２は本発明の実施例におけるキャリブレーション装置の正面図であり、図３は本発明の実施例におけるキャリブレーション装置の側面図であり、図４は本発明の別の実施例における自在継手の正断面図である。図５は本発明の実施例におけるキャリブレーション方法の第１の説明図であり、図６は本発明の実施例におけるキャリブレーション方法の第２の説明図であり、図７は本発明の実施例におけるキャリブレーション方法の第３の説明図である。
［発明を実施するための最良の形態］
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例を示す構成図である。
図１において、１はロボットであり、キャリブレーションする対象である。１１はロボット１のベースであり、１２は旋回ヘッドである。旋回ヘッド１２はベース１１に垂直軸Ｓ回りに旋回自在に取り付けられている。１３は下腕であり、旋回ヘッド１２に水平軸Ｌ回りに揺動自在に取付けられている。水平軸Ｌは、図の紙面を表から裏へ貫く軸である。１４ａは上腕の固定部であり、下腕１３に水平軸Ｕ回りに揺動自在に取付けられている。水平軸Ｕは、図の紙面を表から裏へ貫く軸である。１４ｂは上腕の回転部であり、上腕の固定部１４ａに回転軸Ｒ回りに回転自在に取付けられている。回転軸Ｒは上腕の回転部１４ｂの長さ方向にのびる軸であり、水平軸Ｕに直交する。１５は手首部であり、上腕の回転部１４ｂに揺動軸Ｂまわりに揺動自在に取付けられている。揺動軸Ｂは図の紙面を表から裏へ貫く軸であり、回転軸Ｒに直交する。１６は手首先端部であり、手首部１５に回転軸Ｔまわりに回転自在に取り付けられている。回転軸Ｔは、回転軸Ｂに直交する。
２はキャリブレーション装置である。ロボット１とキャリブレーション装置２は共に設置場所に固定されている。この時ロボット１の座標系１ａとキャリブレーション装置２の座標系２ａの方向が一致するようにロボット１とキャリブレーション装置２の向きを合わせている。ただし、座標系１ａと座標系２ａの原点は異なってもよい。
キャリブレーション装置２は自在継手２５を備え、ロボット１の手首先端部１６とキャリブレーション装置２は自在継手２５を介して機械的に結合されている。
３は演算手段であり、信号線４を介してキャリブレーション装置２と電気的に結合している。演算手段３は、例えばパーソナルコンピュータに所要のプログラムを搭載したものである。
５はロボット１の制御装置であり、信号線６を介して演算手段３と電気的に結合している。また前記制御装置５は給電ケーブル７を介して、ロボット１と電気的に結合している。
次にキャリブレーション装置２の詳細な構造を説明する。
図２は、キャリブレーション装置２の正面図であり、図３は前記キャリブレーション装置２の側面図である。
図において、２１は固定台であり、固定台２１には第１の直動案内レール２１１と第１の変位検出手段２１２が設けられている。第１の直動案内レール２１１はキャリブレーション装置２の前後方向（以下Ｘ軸とする）を向いている。
２２は第１の摺動台であり、前記第１の直動案内レール２１１に摺動自在に保持されている。すなわち第１の摺動台２２はＸ軸方向の移動自由度を持つ。また、第１の摺動台２２の移動は、前記第１の変位検出手段２１２によって精密に計測される。また第１の摺動台２２には第２の直動案内レール２２１と第２の変位検出手段２２２が設けられている。第２の直動案内レール２２１はキャリブレーション装置２の左右方向（以下Ｙ軸とする）を向いている。
２３は第２の摺動台であり、前記第２の直動案内レール２２１に摺動自在に保持されている。すなわち第２の摺動台２３はＹ軸方向の移動自由度を持つ。また、第２の摺動台２３の移動は、前記第２の変位検出手段２２２によって精密に計測される。さらに、第２の摺動台２３には第３の直動案内レール２３１と第３の変位検出手段２３２が設けられている。第３の直動案内レール２３１はキャリブレーション装置２の上下方向（以下Ｚ軸とする）を向いている。
２４は第３の摺動台であり、前記第３の直動案内レール２３１に摺動自在に保持されている。すなわち第３の摺動台２４はＺ軸方向の移動自由度を持つ。また、第３の摺動台２４の移動は、前記第３の変位検出手段２３２によって精密に計測される。
このようにして、第３の摺動台２４は固定台２１に対して、直交３軸すなわちＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向に自由に動き、その移動量は第１、第２および第３の変位検出手段２１２、２２２、２３２によって、各軸ごとに独立して精密に計測される。
また第１、第２および第３の変位検出手段２１２、２２２、２３２は距離の変化の精密な測定ができ、その測定結果を演算装置３が処理できるような形の信号で出力できるものであればよい。このような変位検出手段には、たとえばレーザー光を用いるもの、電磁気的手段によるものなどがある。
２５は自在継手であり、その一端は第３の摺動台２４に固定され、他端（自由端）は直交３軸回りに自由に回動する。２５１は基準点であり、自在継手の３つの回動軸の交点である。つまり基準点２５１は、自在継手２５の自由端をどのように回動させても位置が変わらない中心点である。
２６は治具であり、その一端は自在継手２５の自由端にボルト２５２で締結され、他端はロボット１の手首先端部１６に結合出来る構造を持つ。治具２６はボルト２５２の着脱によって自在継手２５と容易に結合、および分離できる。
なお、自在継手２５は一般的に知られた構造の自在継手であるが、次の様に構成してもよい。
図４は本発明の別の実施例を示す自在継手の断面図である。
図において、２５は自在継手であり、凹部２５３と球部２５４とからなる。凹部２５３は中央部に精密に加工された円錐台形の穴を設け、その底部に磁石２５５を組み込んだ金物であり、図示しないキャリブレーション装置の摺動台に固定されている。球部２５４は磁性金属からなる精密な球体２５６と継手部２５７とから構成さる。球体２５６は凹部２５３の穴を塞ぐように置かれ、磁石２５５の磁力によって保持される。継手部２５７は図示しないキャリブレーション装置の治具に連結される。
球部２５４は磁石２５５によって凹部２５３の円錐台形の穴に保持されているから、比較的小さな外力に対しては球体２５６の中心を一定の位置に保って、３軸方向に自由に回動する。すなわち一般的な自在継手と同様の挙動をする。
球部２５４に磁石２５５による磁力よりも大きな外力を加えると、球部２５４と凹部２５３の結合が解かれる。このためロボットとキャリブレーション装置の機械的な結合と分離が容易になる。
次に、本発明のキャリブレーション装置によるキャリブレーション方法の第１の実施例を説明する。ここでは、６軸の垂直多関節ロボットについて、原点姿勢におけるリンク角度を補正の対象とする場合すなわち原点誤差ベクトルΔΘを求める場合を取り上げるが、他のパラメータについて補正を行なう場合も原理と手順は同一である。
（１）キャリブレーション装置２をロボット１の動作範囲内の任意の場所に固定する。この時キャリブレーション装置２の座標系２ａがロボット１の座標系１ａと一致するような向きに、キャリブレーション装置２の姿勢を調整する。
（２）ボルト２５２を外し、治具２６と自在継手２５との結合を解いて、治具２６をロボット１の手首先端部１６に結合する。
（３）ロボット１を教示操作によって、姿勢を変化させ、ロボット１の手首先端部１６に結合された治具２６を自在継手２５の位置に持っていき、治具２６と自在継手２５を再び結合する。このようにして、ロボット１とキャリブレーション装置２が結合する。
（４）変位検出手段２１２、２２２、２３２によって得られるキャリブレーション装置の座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）を、演算手段３に記憶させる。
（５）自在継手２５の３つの回動軸の交点、すなわち基準点２５１を動かさないでロボット１の姿勢だけを変化させるような指令をロボット１に与えてロボット１の姿勢を変える。ロボット１の手首先端部１６と基準点２５１との位置関係は、治具２６と自在継手２５の機械的寸法を計測することによって、予め十分精度良く決定できるので、この値を使えば、前記の指令は容易である。
（６）この時、変位検出手段２１２、２２２、２３２によって得られるキャリブレーション装置の座標値（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）を、演算手段３に記憶させる。
次に、以上の作業で得られた座標値を用いてロボットパラメータの補正値を決定する計算手順を説明する。
ロボット１の制御装置５の内部の制御演算に使用しているロボットパラメータが実際のロボット１のロボットパラメータと一致していれば、（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と（Ｘ２，Ｙ２、Ｚ２）は同じ値を示すはずであるが、ロボットパラメータの誤差によって、本来動かない基準点２５１が動くので差を生じる。
ロボット１の座標系による基準点２５１の偏差ΔＸ，ΔＹ，ΔＺは次の式で表せる。
ΔＸ＝Ｘ２−Ｘ１
ΔＹ＝Ｙ２−Ｙ１                                            （１）
ΔＺ＝Ｚ２−Ｚ１
いま、ロボットパラメータに誤差がない場合のキャリブレーション装置２の示す座標値を（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）と仮定して、１回目の計測による座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）の差と原点誤差ベクトルΔΘの間には、６軸ロボットの場合、一般に次の関係が成り立つ。
0004072628.tif 000002
上式の左辺の（３，６）行列はヤコビアン行列と呼ばれ、ロボットの直交座標（ｘ，ｙ，ｚ）とリンク間角度（θ１，θ２，θ３，θ４，θ５，θ６）の微小変位の関係を表すもので、冗長自由度のない一般の産業用ロボットでは一意に導出できる。この行列をＪ１と置くと上式は次の様になる。
0004072628.tif 000003
同様にして、ロボット１の姿勢を変えて計測したキャリブレーション装置２の座標値（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）についても、以下の式が成り立つ。
0004072628.tif 000004
式（４）から式（３）を減じて、次式が得られる。
（Ｊ２−Ｊ１）ΔΘ＝（Ｘ２−Ｘ１，Ｙ２−Ｙ１，Ｚ２−Ｚ１）T
＝（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）T                                  （５）
従って原点誤差ベクトルΔΘは次式で得られる。
ΔΘ＝（Ｊ２−Ｊ１）-1（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）T                （６）
このようにして、キャリブレーション装置２で測定された座標値から、原点姿勢におけるリンク角度の補正量が決定される。
また、ロボット１の姿勢によっては、同一基準点に対する計測だけでは、式（３）、式（４）の要素となる各方程式が独立にならない場合があるが、その場合は、キャリブレーション装置２の動作の範囲で基準点２５１の位置を変えて同様の多姿勢の測定を行なって独立な関係式を導出できる。
以上の計算を演算手段３の内部で行い、原点誤差ベクトルΔΘの計算結果を制御装置５に信号線６を介して送り、ロボット１の原点姿勢におけるリンク間角度を補正して、キャリブレーションを完了する。
さらに、解の信頼性を上げるために、同一基準点での姿勢を多数取って、測定を繰り返したり、あるいは、基準点を移動させて、測定と演算を繰り返すなどして、複数の解を求めて平均化処理してもよい。
次に、本発明のキャリブレーション装置によるキャリブレーション方法の第２の実施例を説明する。
（１）ロボット１をキャリブレーション装置２に結合して、キャリブレーション装置２の座標値を計測する（１回目の計測）。
（２）基準点２５１が動かないようにして、ロボット１の姿勢を変える指令を与えてロボットを動かし、その時のキャリブレーション装置２の座標値を計測する（２回目の計測）。
（３）１回目の計測の座標値と２回目の座標値の差の分だけ、基準点２５１を動かす指令をロボット１に与えて動かす。
（４）キャリブレーション装置２の座標値を計測して、その測定値と１回目の測定値の差分だけ基準点２５１を動かす指令をロボット１にあたえて動かす。この操作をキャリブレーション装置２の測定値と１回目の測定値の差が所定の水準になるまで繰り返す。
以上の手順で、同一の基準点に対して別の姿勢を取らせた時の、ロボットの各軸のリンク間角度が得られる。この操作を、複数の基準点の複数の姿勢について実施して、リンク間角度のデータを集め、日本特開平６−２７４２１３号公報に示した方法により補正量を算出する。
次に、本発明のキャリブレーション装置によるキャリブレーション方法の第３の実施例を説明する。この第３の実施例においては、揺動軸Ｂから、回転軸Ｒ、水平軸Ｕ、水平軸Ｌの順にロボットの各軸を一つずつ個別にキャリブレーションする方法を示す。回転軸Ｔ及び垂直軸Ｓは、原点を任意に決定できるので説明を省略する。
図５は揺動軸Ｂのキャリブレーションの方法を示す説明図である。ここで、回転軸Ｔが回転軸Ｒと平行になるような揺動軸Ｂの角度を揺動軸Ｂの原点とし、手首部１５を揺動軸Ｂまわりに、前記原点から９０°だけ回転させた姿勢を開始姿勢とし、手首先端部１６を治具２６を介して、図示しないキャリブレーション装置に連結している。次にロボット１に、基準点２５１を動かさずに、上腕の回転部１４ｂを回転軸Ｒまわりに１８０°だけ回転させ、手首部１５を、揺動軸Ｂまわりに逆に９０°まで、つまり開始姿勢での指令が＋９０°ならば、−９０°まで回転するように指令して、終了姿勢をとらせる。この時、開始姿勢における基準点２５１と終了姿勢における基準点２５１’の差、つまり基準点２５１の変位は、揺動軸Ｂの原点が正しければ０であるはずである。また、上腕部の回転部１４ｂの回転軸Ｒまわりの回転は、開始姿勢を基準に１８０°の回転であるから、回転軸Ｒの原点の位置は基準点２５１の変位には関係しない。キャリブレーション装置２で得られた基準点２５１のＸ軸方向の変位ΔＸと、揺動軸Ｂの原点誤差ΔＢの関係は次式のように表せる。
ΔＸ＝２ｌBｓｉｎ（ΔＢ）                                  （７）
したがって、ΔＢは次式から得られる。
ΔＢ＝ｓｉｎ-1｛ΔＸ／（２ｌB）｝                          （８）
ここで、ｌBは揺動軸Ｂから、基準点２５１までの距離であり、事前に計測された既知の値である。
図６は回転軸Ｒのキャリブレーションの方法を示す説明図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。ここで、揺動軸Ｂが水平になるような、回転軸Ｒの角度を回転軸Ｒの原点とし、上腕の回転部１４ｂをＲ軸回りに９０°だけ回転させ、手首部１５をＢ軸回りに所定角度回転させ、治具２６をＹ軸に平行にした姿勢を開始姿勢とし、手首先端部１６を治具２６を介して、図示しないキャリブレーション装置に連結している。次にロボット１に、基準点２５１を動かさずに、図示しない旋回ヘッドを旋回させ、水平軸Ｌ、水平軸Ｕはそのまま動かさず、上腕の回転部１４ｂを、回転軸Ｒまわりに逆に９０°まで、つまり開始姿勢での指令が＋９０°ならば、−９０°まで回転するように指令して、終了姿勢をとらせる。前記終了姿勢は、前記開始姿勢に対して、ロボット座標のＸＺ平面を基準とする鏡像の関係になる。この時、開始姿勢における基準点２５１と終了姿勢における基準点２５１’の差、つまり基準点２５１の変位は、回転軸Ｒの原点が正しければ０であるはずである。キャリブレーション装置２で得られた基準点２５１のＺ軸方向の変位ΔＺと、回転軸Ｒの原点誤差ΔＲの関係は次式のように表せる。
ΔＺ＝２ｌBｓｉｎ（ΔＲ）                                  （９）
したがって、ΔＢは次式から得られる。
ΔＲ＝ｓｉｎ-1｛ΔＺ／（２ｌB）｝                        （１０）
ここで、垂直軸Ｓの原点の位置は基準点２５１の変位には関係しない。
図７は水平軸Ｕのキャリブレーションの方法を示す説明図である。ここで、回転軸Ｒが水平になるような、水平軸Ｕの角度を水平軸Ｕの原点とし、上腕の固定部１４ａを水平軸Ｕまわりに前記原点からθUだけ回転させ、手首部１５をＢ軸回りにθBだけ回転させた姿勢を開始姿勢とし、手首先端部１６を治具２６を介して、図示しないキャリブレーション装置に連結している。次にロボット１に、上腕の固定部１４ａを水平軸Ｕまわりに前記原点から−θUだけ回転させ、上腕の回転部１４ｂを回転軸Ｒまわりに１８０°だけ回転させ、垂直軸Ｓ、水平軸Ｌ、揺動軸Ｂはそのまま動かないように指令して、終了姿勢をとらせる。前記終了姿勢の、上腕の固定部１４より先端側の部分の姿勢は、水平軸Ｕを含む水平面を基準に、前記開始姿勢と鏡像の関係になるから、開始姿勢における基準点２５１と終了姿勢における基準点２５１’の差、つまり基準点２５１の変位のＸ軸方向の成分は、水平軸Ｕの原点が正しければ０であるはずである。キャリブレーション装置２で得られた基準点２５１のＸ軸方向の変位ΔＸと、水平軸Ｕの原点誤差ΔＵの関係は次式のように表せる。
ΔＸ＝２｛ｌU＋ｌBｃｏｓ（θB）｝（ｃｏｓ（ΔＵ）−１）ｃｏｓ（θU）
（１１）
したがって、ΔＵは次式から得られる。
△Ｕ＝ｃｏｓ-1（１＋ΔＸ／α）                            （１２）
ただし、ｌUは水平軸Ｕから、揺動軸Ｂまでの距離であり、事前に計測された既知の値であり、α＝２｛ｌU＋ｌBｃｏｓ（θB）｝ｃｏｓ（θU）である。
ある軸に対して、上記のキャリブレーションを行い、その結果に従って、前記軸の原点を修正し、再びキャリブレーションをする。これを、原点の誤差が所定水準より小さくなるまで繰り返せば、キャリブレーションの精度はさらに向上する。
また、演算手段に、このキャリブレーションの手順をロボット１の動作プログラムの選択機能を含めて、プログラムすれば、ロボット１とキャリブレーション装置２の結合、分離以外の作業を無人化、自動化できることは言うまでもない。以上述べたように、本発明によれば、次のような効果がある。
（１）キャリブレーション装置の測定の対象が３自由度だけなので、キャリブレーション装置の構造が比較的簡単であり、安価である。
（２）ロボットとキャリブレーション装置の間の位置関係を計測する必要がないので、キャリブレーション装置の設置が容易である。
（３）ロボットとキャリブレーション装置の結合および解除以外の作業を自動化するのが容易である。
（４）キャリブレーション操作において、ロボットが動作する範囲が小さいので、キャリブレーション装置の動作ストロークが小さくて済む。したがって、キャリブレーション装置はコンパクトで携帯性に優れる。そのため、例えば稼働中のロボットがワーク等にぶつかって原点がずれた場合にも、キャリブレーション装置を現場に持ち込んで、ロボットを現場に据えつけたまま、キャリブレーションを実行できる。
［産業上の利用可能性］
本発明は、多関節ロボットのキャリブレーション装置および方法に適用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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