CN102218738A

CN102218738A - 机器人的工具向量的导出方法及校正方法

Info

Publication number: CN102218738A
Application number: CN2011100094147A
Authority: CN
Inventors: 飞田正俊
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2011-10-19
Also published as: JP2011224672A

Abstract

本发明提供一种简便地在短时间内且高精度地导出机器人的工具参数(T_x，T_y，T_z，α，β，γ)，尤其是导出工具参数中的平移分量(T_x，T_y，T_z)即“工具向量”的方法。本发明的机器人的工具向量的导出方法是将决定安装在机器人(2)的臂前端上的工具(6)的前端位置的工具向量导出的方法，其中，以使机器人(2)的工具(6)前端位于空间上的规定点附近的方式相对于机器人(2)取三种以上的姿势，计测各姿势中的工具(6)前端的位置偏移量作为实际位置偏移量，基于计测出的实际位置偏移量而算出工具向量(T)。

Description

机器人的工具向量的导出方法及校正方法

技术领域

本发明涉及安装在焊接机器人等的前端的工具，涉及简便且在短时间内能够高精度地导出、校正工具向量的技术。

背景技术

例如，在对工件自动进行焊接的焊接机器人中，在焊接机器人的前端部分(手腕部)安装有具备焊炬等的焊接工具。

在该焊接工具的前端部设定工具坐标系，该工具坐标系通过使用变换矩阵能够从凸缘坐标系进行坐标变换，该变换矩阵使用了工具参数(工具参数与工具向量的差别在后面进行叙述)。凸缘坐标系是设定在焊接机器人的前端部形成的凸缘部上的坐标系，该凸缘坐标系能够根据焊接机器人的各轴的数据利用控制装置进行计算。

从以上情况可知，为了在控制装置中正确地把握工具前端的位置而需要预先正确地导出坐标变换中不可或缺的工具参数。工具参数的导出作业在更换焊接机器人的工具后进行，但也可以在工具与作业工件等碰撞时等产生工具参数的变更时等进行。

作为与工具参数的导出、校正相关的技术，例如有专利文献1公开的技术。

专利文献1公开有一种机器人的工具参数导出方法，对决定安装在机器人的臂前端的工具的位置姿势的工具参数进行导出，其特征在于，基于在空间上的一点至少以三个不同的姿势定位上述工具时的各定位数据而运算上述工具的安装部的坐标系，求出至少两根从使用工具参数表现上述安装部的坐标系的任意两个观察到的包含工具位置候补的直线，基于上述直线相互的交点和安装部的坐标系而导出上述工具参数。

专利文献1：日本专利第2774939号公报

通过使用专利文献1公开的技术，虽然能够大致正确地导出工具参数，但实际上需要改良。

即，在专利文献1公开的技术中，在焊接机器人的前端部安装针状的尖的夹具(专用夹具1)，另一方面，同样地准备前端成为针状的夹具(专用夹具2)，进行使机器人的姿势发生各种变化并使专用夹具1的针尖与专用夹具2的针尖一致的定位示教，根据其结果，进行工具参数的推定。

根据该技术，虽然工具参数的导出计算成为简单的式子，但是由于需要进行经由操作员进行的“针尖对合”的定位，因此难以根据熟练度或基于目视的方向等进行正确的定位。由于校正后的结果的验证也通过目视进行，因此难以定量地把握。换言之，操作者的熟练度或技能等会影响工具的定位精度或工具最前端的导出精度。

因而，为了提高工具参数的导出精度，需要增加计测点数而使误差平均化，但计测点数的增加会导致操作员的作业时间的增加。

发明内容

因此，本发明鉴于上述问题点，其目的在于提供一种与操作者的熟练度或技能等无关，更简便地在短时间内且高精度地导出机器人的工具参数(T_x，T_y，T_z，α，β，γ)，尤其是导出工具参数中的平移分量(T_x，T_y，T_z)即“工具向量”的方法。

为了实现上述目的，在本发明中采用以下的技术方案。

本发明的机器人的工具参数的导出方法是将决定安装在机器人的臂前端上的工具的前端位置的工具向量导出的方法，其特征在于，以使所述机器人的工具前端位于空间上的规定点附近的方式相对于所述机器人取三种以上的姿势，计测各姿势中的工具前端的位置偏移量作为实际位置偏移量，基于计测出的实际位置偏移量而算出工具向量。

此外，所谓工具向量是指在将机器人的工具坐标系和凸缘坐标系建立联系的参数即工具参数(T_x，T_y，T_z，α，β，γ)中，仅取出平移分量(T_x，T_y，T_z)的向量。

优选，在算出所述工具向量时，以使计算得到的工具前端的位置偏移量与计测得到的工具前端的实际位置偏移量一致的方式算出所述工具向量。

具体来说，如后述的式(7)中表现所示，优选求出使用工具向量算出的工具的前端位置的“计算上的位置偏移量(P_in-P_i1)”与根据工具的前端位置的计测值得到的“实际位置偏移量(A_n-A₁)”一致的工具向量。

在工具向量的导出中，设置能够计测所述工具前端的实际位置偏移量的计测器，关于通过所述计测器设定的计测坐标系，优选，在使该计测坐标系的原点与所述计测器的原点位置一致并使计测坐标系的坐标轴与设定在机器人上的机器人坐标系的轴向一致的基础上，计测各姿势中的工具前端的实际位置偏移量。

另外，本发明的机器人的工具参数的校正方法的特征在于，使用上述的工具向量的导出方法，求出工具向量，基于求出的工具向量，修正已经设定在所述机器人上的工具向量。

发明效果

使用本发明的技术时，能够与操作者的熟练度或技能等无关地，更简便地在短时间内且高精度地导出机器人的工具向量。

附图说明

图1是本发明的实施方式的机器人***的整体结构图。

图2是示出工具坐标系与凸缘坐标系的关系的概念图。

图3是示出计测实际位置偏移量的方法的概念图。

图4是示出工具向量的导出顺序的流程图。

图5是示出本发明的另一实施方式的图。

符号说明：

1机器人***

2焊接机器人

3示教悬垂物

4控制装置

5计算机

6焊接工具

7凸缘面

10计测器

11度盘式指示器

12计测用探测器

13球体部

14平面接触件

15相机

具体实施方式

基于附图说明本发明的实施方式。此外，在以下的说明中，对同一部件附加同一符号。它们的名称及功能也相同。因此，不重复进行它们的详细说明。

首先，说明本实施方式的机器人***1的整体结构。

如图1所示，机器人***1包括焊接机器人2、具备示教悬垂物3的控制装置4、计算机5(个人计算机)。焊接机器人2是垂直多关节型的六轴的工业用机器人，在其前端设有由焊炬等构成的焊接工具6(也有简称为工具6的情况)。该焊接机器人2也可以搭载于使其自身移动的滑动件(未图示)。

控制装置4根据预先示教的程序控制焊接机器人2。示教程序有使用与控制装置4连接的示教悬垂物3作成的情况或使用利用了计算机5的离线示教***作成的情况。在任何情况下，示教程序都在实际的动作之前预先作成。通过计算机5作成的程序经由磁性地存储数据的介质等向控制装置4交接或通过数据通信向控制装置4传送。

计算机5即离线示教***具备能够进行图形显示的显示器作为显示装置，且具备键盘或鼠标作为输入装置。而且，为了取入工件的CAD信息而设有磁存储装置或通信装置。

然而，本发明涉及用于正确地导出准确把握工具前端的位置所需的工具参数(尤其是工具向量)的方法。

如图2所示，该工具参数是指将焊接工具6的前端部(焊接点)的位置坐标即工具坐标系从设定在焊接机器人2的前端部形成的凸缘部上的坐标系即凸缘坐标系进行坐标变换的参数，该凸缘坐标系能够根据焊接机器人2的各轴的数据利用控制装置4进行计算。即，通过使用工具参数，能够利用控制装置4算出工具前端的位置坐标。

然而，在机器人的工具参数中有(T_x，T_y，T_z，α，β，γ)的平移三个分量和旋转三个分量，本发明公开了导出工具参数中的平移分量(T_x，T_y，T_z)即“工具向量”的方法。该方法使用后述的计测器10计测工具前端的位置的偏移量，在控制装置4或计算机5内，基于计测到的偏移量而算出工具向量。

以下，详细说明本发明的机器人的工具向量的导出方法。

首先，说明本发明中使用的计测器10。

如图1、图3所示，计测器10具有三台距离位移计即度盘式指示器11，为了准确地捕捉工具前端的三维变化量而将各度盘式指示器11沿分别正交方向配备。关于由该计测器10构成的计测坐标，以其原点位置作为计测器10的原点，并且使计测坐标的坐标轴的轴向与设定在机器人上的机器人坐标系的轴向一致。

另一方面，关于安装在机器人的前端即凸缘面7上的焊接工具6，在焊接工具6的前端安装计测用探测器12。该计测用探测器12的前端部具有由钢球等构成的球体部13，以使该球体部13的中心成为焊接工具6的前端(要计测的工具前端)的位置的方式进行定位。为了能够可靠地读出球体部13的位置的变化量，而所述度盘式指示器11的前端由平面上的板等构成并成为平面接触件14。即使焊接机器人2取为各种姿势，由于计测用探测器12的球体部13与平面接触件14进行点接触，因此计测器10也能够可靠地检测球体部13的位置的变化量。

然而，如上所述，只要将计测器10(3台度盘式指示器11)的各计测方向配置成与机器人坐标系的轴向一致，各度盘式指示器11的计测值就会成为对应的机器人坐标系中的计测值，但此种配置通常难以实现。此时，优选按照以下的顺序设定(修正)计测坐标系。

即，

(i)在计测器10的原点附近定位机器人前端，利用计测器10计测该位置。此时的计测值为M1(M1_x，M1_y，M1_z)。

(ii)在保持(i)的姿势的状态下使机器人在机器人坐标系中仅沿X轴方向动作，利用计测器10计测此时的位置。此时的计测值为M2(M2_x，M2_y，M2_z)。

(iii)使机器人返回(i)的位置，在保持(i)的姿势的状态下使机器人在机器人坐标系中仅沿Y轴方向动作，利用计测器10计测此时的位置，计测值为M3(M3_x，M3_y，M3_z)。

(iv)按照以下的顺序导出将计测值变换成与机器人坐标轴一致的计测坐标系的矩阵^roboG_mes。

[数1]

U = \frac{M 2 - M 1}{| M 2 - M 1 |} = (Ux, Uy, Uz)

W = \frac{U \times (M 3 - M 1)}{| U \times (M 3 - M 1) |} = (Wx, Wy, Wz)

V＝W×U＝(Vx，Vy，Vz)

G_{robo}^{mes} = (\begin{matrix} Ux & Vx & Wx & 0 \\ Uy & Vy & Wy & 0 \\ Uz & Vz & Wz & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix})

G_{mes}^{robo} = {(G_{robo}^{mes})}^{- 1} = (\begin{matrix} Ux & Uy & Uz & 0 \\ Vx & Vy & Vz & 0 \\ Wx & Wy & Wz & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix})

此外，[数1]中的U是从计测器10观察到的机器人的X轴方向，V是从计测器10观察到的机器人的Y轴方向，W是从计测器10观察到的机器人的Z轴向，^mesG_robo表示从计测器10观察到的机器人坐标系(原点为计测坐标)，是将计测坐标系向机器人坐标系变换的变换矩阵。

通过使用该^mesG_robo，能够(假想地)实现计测器10的各计测方向与机器人坐标系的轴向一致的配置。在本实施方式中，使用该^mesG_robo。

另一方面，详细情况在后面叙述，在工具向量的导出中，计测各姿势中的工具前端的位置的偏移量即“实际位置偏移量”，根据计测到的“实际位置偏移量”算出工具向量，因此计测器10中的计测值的差量(变化量)很重要，而原点的位移量最终相抵而不需要。因而，由^mesG_robo的逆矩阵定义的^roboG_mes以计测器10的原点位置为基准通过机器人正交坐标轴进行表现，因此充分，无需准确地推定来自机器人坐标系的计测坐标原点的位置向量。

此外，为了将计测器10的各度盘式指示器11的计测值M(M_x，M_y，M_z)变换为计测坐标系中的计测值A(A_x，A_y，A_z)，而进行以下的变换即可。

[数2]

A = (\begin{matrix} Ax \\ Ay \\ Az \\ 1 \end{matrix}) = G_{mes}^{robo} \cdot M = (\begin{matrix} Ux & Uy & Uz & 0 \\ Vx & Vy & Vz & 0 \\ Wx & Wy & Wz & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}) \cdot (\begin{matrix} Mx \\ My \\ Mz \\ 1 \end{matrix})

只要未特别说明，本实施方式中的计测值就是进行了该变换的(轴向与机器人正交坐标轴一致的)计测坐标系中的值。

总结以上情况，通过进行[数2]表示的变换，而计测器10的计测值成为与机器人正交坐标轴一致的计测坐标系中的值，即使计测器10的各计测方向与机器人坐标系的轴向不一致的情况下，也能够可靠地得到正确的计测值。

以下叙述基于如此得到的正确的计测值而导出工具向量的方法。

使用了计测器10的工具向量的导出方法相对于焊接机器人6取得焊接机器人6的工具前端位于空间上的规定点附近的3个以上的姿势，计测各姿势中的工具前端的位置偏移量即实际位置偏移量，并基于计测到的实际位置偏移量而算出工具向量。

换言之，将工具6至少以不同的三个姿势定位在空间上的一点附近，计测此时的位置偏移量(计测器10的变化量)，基于计测到的位置偏移量(实际位置偏移量)来运算工具6的前端位置，以使工具6的计算上的位置偏移量与实际位置偏移量一致的方式导出工具向量。

具体来说，如图4的S1所示，首先，操作员通过示教悬垂物3将计测用探测器12的球体部13设定在计测器10的计测范围的规定位置P。该规定位置P优选为计测器10的原点附近。

然后，如S2所示，对计测器10的计测值A₁(A_1x，A_1y，A_1z)进行计测，并计测机器人的各轴值。基于得到的机器人的各轴值，求出规定位置P的机器人坐标系中的位置P₁(P_1x，P_1y，P_1z)，凸缘坐标系中的位置F₁(l_1x，l_1y，l_1z，m_1x，m_1y，m_1z，n_1x，n_1y，n_1z，o_1x，o_1y，o_1z)。

对从凸缘面7观察到的工具前端进行定义的工具向量为T(T_x，T_y，T_z)时，所述A₁(A_1x，A_1y，A_1z)、P₁(P_1x，P_1y，P_1z)、F₁(l_1x，l_1y，l_1z，m_1x，m_1y，m_1z，n_1x，n_1y，n_1z，o_1x，o_1y，o_1z)的关系能够由式(1)表示。

[数3]

F_{1} \cdot T = (\begin{matrix} l_{1 x} & m_{1 x} & n_{1 x} & o_{1 x} \\ l_{1 y} & m_{1 y} & n_{1 y} & o_{1 y} \\ l_{1 z} & m_{1 z} & n_{1 z} & o_{1 z} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}) \cdot (\begin{matrix} T_{x} \\ T_{y} \\ T_{z} \\ 1 \end{matrix}) = (\begin{matrix} P_{1 x} \\ P_{1 y} \\ P_{1 z} \\ 1 \end{matrix}) = P_{1} - - - (1)

接下来，如S4那样，使工具6的姿势变化，以与S1中采用的姿势不同的姿势定位在计测器10的计测范围的规定位置P。

此时(第k个)机器人坐标中的位置为P_k，机器人的凸缘坐标系为F_k时，得到式(2)。此外，在计测器10的坐标系中计测到的第k个值为A_k(A_kx，A_ky，A_kz)时，由于A_k的计测坐标系与P_k的机器人坐标系的轴向一致，因此如式(3)所示，变化量一致。

此外，采用的姿势优选为3个姿势以上，因此如S3所示，在未达到3个姿势时，再采用其他的姿势。

[数4]

F_k·T＝P_k(2)

P_k-P₁＝A_k-A₁(3)

在此，进行了n次计测(采用了n个姿势)时，总结式(1)、式(2)，成为

[数5]

(\begin{matrix} F_{1} \\ F_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ F_{n} \end{matrix}) \cdot T = (\begin{matrix} P_{1} \\ P_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{n} \end{matrix}) - - - (4) .

另外，根据式(3)与式(4)的关系，式(5)成立。

[数6]

(\begin{matrix} F_{1} - F_{1} \\ F_{2} - F_{1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ F_{n} - F_{1} \end{matrix}) \cdot T = (\begin{matrix} P_{1} - P_{1} \\ P_{2} - P_{1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{n} - P_{1} \end{matrix}) = \begin{matrix} (\begin{matrix} A_{1} - A_{1} \\ A_{2} - A_{1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ A_{n} - A_{1} \end{matrix}) - - - (5) \end{matrix}

在此，工具向量的初期值为T₀(T_0x，T_0y，T_0z)，收敛计算第i个导出的工具向量为T_i(T_ix，T_iy，T_iz)时，式(4)、式(5)如下所示。

[数7]

(\begin{matrix} F_{1} \\ F_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ F_{n} \end{matrix}) \cdot T_{i} = (\begin{matrix} P_{i 1} \\ P_{i 2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{in} \end{matrix}) - - - (6)

(\begin{matrix} F_{1} - F_{1} \\ F_{2} - F_{1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ F_{n} - F_{1} \end{matrix}) \cdot T_{i} = (\begin{matrix} P_{i 1} - P_{i 1} \\ P_{i 2} - P_{i 1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{in} - P_{i 1} \end{matrix}) = \begin{matrix} (\begin{matrix} A_{1} - A_{1} \\ A_{2} - A_{1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ A_{n} - A_{1} \end{matrix}) - - - (7) \end{matrix}

求出使根据式(7)的工具向量T运算出的前端位置P的各差量成为计测值的差量的工具向量T即可。换言之，求出使使用工具向量算出的工具6的前端位置的“计算上的位置偏移量(P_in-P_i1)”与根据工具6的前端位置的计测值得到的“实际位置偏移量(A_n-A₁)”一致的工具向量T即可。

为此，如S5所示，能够以使ΔA成为0的方式，通过进行使用了最小二乘法的收敛计算来求解以下的方程式，从而求出工具向量T。

[数8]

(\begin{matrix} F_{1} - F_{1} \\ F_{2} - F_{1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ F_{n} - F_{1} \end{matrix}) \cdot Δ T_{i} = (\begin{matrix} A_{1} - A_{1} \\ A_{2} - A_{1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ A_{n} - A_{1} \end{matrix}) - (\begin{matrix} P_{i 1} - P_{i 1} \\ P_{i 2} - P_{i 1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{in} - P_{i 1} \end{matrix}) = (\begin{matrix} Δ A_{i 1} \\ Δ A_{i 2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ Δ A_{in} \end{matrix}) - - - (8)

通过以上的方法，不需要将焊接机器人2的前端多次设定在计测器10的计测范围内的定位而通过简单的操作就能够导出工具向量T(T_x，T_y，T_z)。

其中，为上述的方法时，由于以第一个计测值为基准(位置偏移量的算出的基准)，因此不可否认由于误差的存在状况而有在得到的工具向量中产生误差的情况。因此，通过对依次使用了从第一个到第n个基准的式(9)进行求解，而能够极力消除计测误差。

[数9]

(\begin{matrix} [\begin{matrix} F_{1} - F_{1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ F_{n} - F_{1} \end{matrix}] \\ [\begin{matrix} F_{1} - F_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ F_{n} - F_{2} \end{matrix}] \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ [\begin{matrix} F_{1} - F_{n} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ F_{n} - F_{n} \end{matrix}] \end{matrix}) (Δ T_{i}) = (\begin{matrix} [\begin{matrix} A_{1} - A_{1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ A_{n} - A_{1} \end{matrix}] \\ [\begin{matrix} A_{1} - A_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ A_{n} - A_{2} \end{matrix}] \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ [\begin{matrix} A_{1} - A_{n} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ A_{n} - A_{n} \end{matrix}] \end{matrix}) (\begin{matrix} [\begin{matrix} P_{i 1} - P_{i 1} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{in} - P_{i 1} \end{matrix}] \\ [\begin{matrix} P_{i 1} - P_{i 2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{in} - P_{i 2} \end{matrix}] \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ [\begin{matrix} P_{i 1} - P_{in} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{in} - P_{in} \end{matrix}] \end{matrix}) - - - (9)

通过采用以上所述的焊接机器人的工具向量的导出方法，能够更简便地在短时间内且高精度地导出机器人的工具向量，从而能够对机器人焊接中的焊接精度或焊接品质的提高作出贡献。

此外，应该考虑到本次公开的实施方式全部的点是例示而并未受限制。本发明的范围不是由上述的说明而是由权利要求书的范围所示，包含与权利要求书的范围相等的意思及范围内的全部变更。

例如，在本实施方式中，聚焦于焊接机器人2的更换了工具6后，说明了工具6更换后的工具向量的导出作业，但在工具6与作业工件等碰撞时等发生工具向量的变更时的“工具向量的校正作业”中能够使用同样的手法。

另外，在本实施方式中，示出了使用在计测器10上沿机器人的正交坐标轴方向配置的3台的度盘式指示器11的例子，但并不局限于此。作为计测器10，只要能够高精度地计测安装在工具前端的计测用探测器12的前端位置即可。例如，能够采用使用了图5所示的相机15的三维图像计测装置作为计测器10。还能够采用激光位移仪、静电容量型的距离计等。

另外，在本实施方式中例示了焊接机器人作为机器人，但在组装机器人等的作业用机器人中也能够采用本技术。

Claims

1.一种机器人的工具向量的导出方法，将决定安装在机器人的臂前端上的工具的前端位置的工具向量导出，其特征在于，

以使所述机器人的工具前端位于空间上的规定点附近的方式相对于所述机器人取三种以上的姿势，计测各姿势中的工具前端的位置偏移量作为实际位置偏移量，基于计测出的实际位置偏移量而算出工具向量。

2.根据权利要求1所述的机器人的工具向量的导出方法，其特征在于，

在算出所述工具向量时，以使计算得到的工具前端的位置偏移量与计测得到的工具前端的实际位置偏移量一致的方式算出所述工具向量。

3.根据权利要求1或2所述的机器人的工具向量的导出方法，其特征在于，

设置能够计测所述工具前端的实际位置偏移量的计测器，

关于通过所述计测器设定的计测坐标系，在使该计测坐标系的原点与所述计测器的原点位置一致并使计测坐标系的坐标轴与设定在机器人上的机器人坐标系的轴向一致的基础上，

计测各姿势中的工具前端的实际位置偏移量。

4.一种机器人的工具向量的校正方法，其特征在于，

使用权利要求1～3中任一项所述的工具向量的导出方法，求出工具向量，基于求出的工具向量，修正已经设定在所述机器人上的工具向量。