CN105643369B - 机床以及具备机器人的协作*** - Google Patents

机床以及具备机器人的协作*** Download PDF

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Abstract

本发明提供能够以简易的结构且精度良好地取得用于进行从对机器人规定的机器人坐标系向对机床规定的机械坐标系的坐标变换的坐标变换手段的协作***。根据三个校正用标记在使机械坐标系平行移动后的基体坐标系中的坐标值，定义假定的坐标系，而求出从假定的坐标系向基体坐标系的坐标变换矩阵。使用摄像机拍摄三个校正用标记，取得校正用标记在机器人坐标系中的位置。根据机器人坐标系中的三个坐标值，求出从机器人坐标系向假定的坐标系的坐标变换矩阵，并且使用上述两个坐标变换矩阵来求出从机器人坐标系向基体坐标系的坐标变换矩阵。

Description

机床以及具备机器人的协作***
技术领域
本发明涉及机器人相对于机床进行作业的协作***。
背景技术
在机器人相对于机床进行作业的情况下，除加工对象的处理以外，能够进行工具的更换、切屑的清扫、机床的内部检查等。此处，若机器人的作业仅是加工对象的处理，则一般是，利用机器人的工具前端点(Tool Center Point)的位置(坐标值)，取得加工对象的表面上的多个(通常3点或者4点)教学点，求出从机器人坐标系向加工对象的坐标系(机械坐标系)的坐标变换矩阵。
例如，在日本特开昭59-177607号公报中记载了如下自动编程方法：连接机床和机器人，使用对机器人设定的坐标系与对机床设定的坐标系之间的变换式，而根据机床的程序自动地生成机器人程序。
在日本特开平05-212652号公报中记载了一种精密加工机，该精密加工机具备：第一运算单元，其具备加工区域和测量区域，并且以测定数据为基础计算坐标变换矩阵；第二运算单元，其使用求出的坐标变换矩阵来进行测定数据的变换；判定单元，其对计算出的形状数据的形状精度进行判定；修正单元，其进行NC数据的自动修正；以及加工执行单元，其根据修正后的NC数据再次进行加工。
在日本特开平05-324034号公报中记载了如下机器人的控制方法：从进行机床的NC控制的上位计算机向控制机器人的机器人控制器发送动作控制数据，来进行机床的工件、工具的装卸移动。
在日本特开2008-152733号公报中记载了如下离线编程装置：基于包括对机床给予的工件加工程序的、特定对象物的位置的指令，来求出处理作业执行时的机床上的对象物的位置以及姿势，并相对于该对象物的位置以及姿势，在预先设定的相对位置关系下，求出处理作业执行时的机器人的位置以及姿势，由此生成作业程序。
在日本特表平11-509928号公报中记载了如下装置以及方法：使用安装于机器人的手指尖的探测器，取得相对于机器人坐标系的物体的坐标值，来生成该物体的三维模型。并且在日本特表平11-509928号公报中也记载了如下技术：在机器人的手指尖安装摄像机，变更摄像机的位置而拍摄物体，并根据由此得到的多个图像取得物体的坐标值，从而生成该物体的三维模型。
在日本特开2009-279677号公报中记载了如下机器人控制装置：不需要进行摄像机等测量装置的校准，将机器人和作业对象移动至所希望的相对位置关系，而实现了自动地进行教学位置的修正。
以往，对于机器人坐标系与机械坐标系之间的坐标变换，主要以加工对象的处理为目的而被使用。例如，在日本特开昭59-177607号公报中记载了利用机器人而容易地生成机床的加工对象的处理程序的方法，并且在日本特开平05-324034号公报中记载了如下方法：通过使用上位计算机，而能够容易地对机器人进行指示，以便实施机器人所进行的机床的加工对象的处理、工具的装卸。但是，在日本特开昭59-177607号公报以及日本特开平05-324034号公报中，均使用坐标变换，但并未提及坐标变换手段的具体的取得方法。
日本特开平05-212652号公报所记载的技术中，使用测量出的加工对象的表面与理想曲面之间的差、以及从对测量装置设定的坐标系向定义于机床的规定位置的坐标系进行的坐标变换，来修正机床的加工量。但是，并未说明从与测量装置对应地设定的坐标系向定义于机床的规定位置的坐标系的坐标变换手段的具体的取得方法。
在日本特开2008-152733号公报中，为了取得机床和机器人的通用坐标系，在机器人的手指尖安装位置检测器，在机床的工作台安装检测用的目标物，固定机器人的手指尖位置，并以三个位置检测目标物。具体而言，第一，决定目标物的基准位置，并在该位置检测目标物。第二，使工作台沿基准轴方向移动，并检测目标物。第三，使目标物返回基准位置而使之沿不同的基准轴方向移动，并检测目标物。基于从像这样得到的三个测量值求出的坐标变换矩阵、和离线模拟装置中的模拟结果，来进行机器人的校准。但是，在该方法中，需要预先准备用于在离线模拟装置中使用的高精度的三维CAD模型。并且，存在离线模拟装置中的计算中包含实际机器人与实际机床的配置误差这一问题。
并且在日本特开平05-324034号公报或者日本特开2008-152733号公报所记载的方法中，除机器人和机床以外，还需要上位计算机或者离线模拟装置，从而也存在设备费用变高这一问题。
另外，机器人相对于机床进行的作业在包括加工对象的处理以外的作业的情况下，机器人不仅需要能够到达或者接近加工对象，还需要能够到达或者接近机床的其它部位。在这样的情况下，机器人的配置位置会较大地受到限制。
这样，在机器人相对于机床进行的作业包括加工对象的处理以外的各种作业、且欲使这些作业自动化的情况下，机器人仅保持有在加工对象附近的作业用的坐标系信息的话则不充分。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种机器人和机床的协作***，即，能够以简单的结构且精度良好地取得坐标变换矩阵等坐标变换手段，该坐标变换矩阵等坐标变换手段用于进行从对机器人规定的机器人坐标系向定义于机床的规定位置的机械坐标系的坐标变换。
为了实现上述目的，本申请发明提供一种协作***，具有机床和相对于上述机床进行作业的机器人，其特征在于，具备：摄像机，其安装于上述机器人的可动部；至少一个校正用标记，其设于上述机床；第一标记坐标取得部，其取得上述校正用标记在对上述机床定义的机械坐标系中的第一坐标值；第二标记坐标取得部，其通过用上述摄像机拍摄上述校正用标记，来取得上述校正用标记在对上述机器人设定的机器人坐标系中的第二坐标值；以及坐标变换部，其基于上述校正用标记的上述第一坐标值以及上述第二坐标值的多个组，来求出从上述机器人坐标系向上述机械坐标系的坐标变换手段。
在优选的实施方式中，上述校正用标记安装于上述机床的可动部，上述第一标记坐标取得部分别在上述机床的可动部的多个位置中，多个取得上述校正用标记在上述机械坐标系中的第一坐标值，上述第二标记坐标取得部分别在上述机床的可动部的多个位置中，通过用上述摄像机拍摄上述校正用标记，来取得多个上述校正用标记在对上述机器人设定的机器人坐标系中的第二坐标值。
在优选的实施方式中，上述机器人控制装置自动地控制上述机器人，以使上述摄像机与上述校正用标记的相对位置关系成为能够用上述摄像机测量上述校正用标记的位置的关系。
通过参照附图对以下的优选的实施方式进行说明，本发明的上述或者其它的目的、特征以及优点会变得更加清楚。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的协作***的简要结构的图。
图2是表示在图1的协作***中设定有各坐标系的状态的图。
图3是表示第一实施方式的处理的一个例子的流程图。
图4是表示在第一实施方式中正在用测量用探测器测量第二校正用标记的位置的状态的图。
图5是表示在第一实施方式中正在用摄像机测量第二校正用标记的位置的状态的图。
图6是表示在第一实施方式中正在用摄像机测量第一校正用标记的位置的状态的图。
图7是说明在第一实施方式中用于求出第一校正用标记与工具前端点之间的差量(偏置)的处理的图。
图8是表示在第一实施方式中正在用摄像机测量第二校正用标记的位置的状态的图。
图9是说明在第一实施方式中用于求出从机器人坐标系向机械坐标系的坐标变换矩阵的处理的图。
图10是表示本发明的第二实施方式的协作***的简要结构的图。
图11是表示在图10的协作***中设定有各坐标系的状态的图。
图12是说明在第二实施方式中用于求出从机器人坐标系向机械坐标系的坐标变换矩阵的处理的图。
图13是表示本发明的第三实施方式的协作***的简要结构的图。
图14是说明在第三实施方式中用于求出从机器人坐标系向机械坐标系的坐标变换矩阵的处理的图。
图15是表示本发明的第四实施方式的协作***的简要结构的图。
图16是表示在图15的协作***中设定有各坐标系的状态的图。
图17是表示第四实施方式的处理的一个例子的流程图。
图18是说明在第四实施方式中用于求出从机器人坐标系向机械坐标系的坐标变换矩阵的处理的图。
图19是表示本发明的第五实施方式的协作***的简要结构的图。
图20是表示在图19的协作***中设定有各坐标系的状态的图。
图21a是第五实施方式中所使用的带校正用标记的夹具的主视图。
图21b是第五实施方式中所使用的带校正用标记的夹具的侧视图。
图22是表示在第五实施方式中正在用摄像机测量校正用标记的位置的状态的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行说明。此外，在本申请说明书中，“坐标变换手段”这一用语，除包括用于进行后述的坐标变换的变换矩阵、旋转矩阵之外，还包括用于规定该矩阵的矢量、标量，另外还包括用于进行与使用了该矩阵的坐标变换实质上同等的运算处理的计算式等。并且，“校正用标记”这一用语，是指能够由安装于机器人的摄像机检测的、配置或形成于机床的规定位置的标记、刻印等打印物或者形状物，通过用该摄像机拍摄校正用标记，能够得到机器人坐标系中的该校正用标记的位置(测量值)。并且在后述的实施方式中，本申请发明中的第一标记坐标取得部的功能由机床的控制装置来担负，第二标记坐标取得部以及坐标变换部的功能由机器人控制装置来担负，但并不限定于此。
图1是表示本发明的第一实施方式的协作***的简要结构的图。协作***10具备由NC控制装置等控制装置11控制的机床12、进行机床12的加工对象物的处理等相对于机床12的作业的机器人14、以及用于进行机器人14的动作控制的机器人控制装置16，且具有将后述的机械坐标系设定为机器人控制装置16的功能。机器人14例如是六轴多关节机器人，具有臂18、安装于臂18的前端的手20等机器人可动部，在该机器人可动部(优选为手20的前端)安装有摄像机22。并且，机床12的控制装置11也可以与机床12的箱体分别设置，也可以与该箱体一体构成，也可以与机器人控制装置16一体构成。
另一方面，机床12具有：构成为把持工具且能够绕(图示例子中大致铅垂方向的)中心轴线旋转、并且能够沿该中心轴线方向移动的主轴24；以及构成为能够在相对于主轴24、至少在相对于主轴24的中心轴线方向垂直的平面内移动的可动部(此处，是构成为能够载置机床12的加工对象物(工件)等的工作台)26。并且，在主轴24，能够代替工具而安装(例如接触式的)测量用探测器28，在测量用探测器28的附近的主轴24的部位设置第一校正用标记30。另外，在工作台26上设置第二校正用标记32。
在第一实施方式中，设定了以下的定义或者条件(a1)～(a6)。
(a1)如图2所示，用{M}表示对机床12定义的坐标系(机械坐标系)，并用{R}表示对机器人14定义的坐标系(机器人坐标系)。
(a2)机械坐标系{M}以及机器人坐标系{R}均是具有相互正交的三个轴(x、y、z)的正交坐标系，但也可以使用极坐标。并且，在图2所示的机械坐标系{M}中，X轴是与纸面垂直的方向，Y轴是左右方向，Z轴是上下方向，另一方面，在机器人坐标系{R}中，X轴是左右方向，Y轴是与纸面垂直的方向，Z轴是上下方向。
(a3)机械坐标系{M}的原点固定于工作台26，该原点的位置(x、y、z)在从机器人14侧观察工作台26时的工作台26的左内的角落(参照图9)成为(x、y)＝(0、0)，另外在安装于主轴24的工具(未图示)的前端点(工具前端点)处于工具更换位置时成为z＝0。其中，机械坐标系{M}的原点位置、各基本轴的方向并不限定于此。
(a4)机械坐标系{M}、机器人坐标系{R}以及对摄像机22定义的摄像机坐标系分别结束校正。并且，机器人坐标系{R}与摄像机坐标系之间的位置关系(坐标变换手段)是已知的。
(a5)如图2所示，为方便计算，对机床12的规定位置(例如工作台26)定义坐标系(机械基体坐标系)，并用{B}表示。图2中举例表示的机械基体坐标系(以下，也简称作基体坐标系){B}以主轴24的中心轴线与工作台26的表面(上表面)交叉的点作为原点，基体坐标系{B}的各基本轴(x、y、z)的方向与机械坐标系{M}一致。也就是说，基体坐标系{B}相当于使机械坐标系{M}平行移动后的坐标系。
(a6)测量用探测器28以及第一校正用标记30能够同时使用。
接下来，在协作***10中，参照图1～图10，说明在上述的定义或者条件下、取得用于进行从机器人坐标系{R}向基体坐标系{B}的坐标变换的坐标变换矩阵T的顺序。
首先，如图1所示，将机床12以及机器人14配置于预先决定的位置，(图3的步骤S11)。将第一校正用标记30以及第二校正用标记32分别安装于主轴24以及工作台26(机床12的可动部)(图3的步骤S12)。
接下来，如图4所示，使用安装于机床12的主轴24的测量用探测器28(具体而言，使测量用探测器28以及工作台26中的至少一方移动而使探测器28抵接于第二校正用标记32)，对安装于工作台26的第二校正用标记32的位置进行测量。通过该测量，得到第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的位置MPMA1(第一坐标值)。
接下来，如图5所示，使主轴24向上方移动，使用设于机器人14的摄像机22(具体而言，以使第二校正用标记32进入摄像机22的视场内、且该标记的位置能够以足够的精度测量的方式控制机器人14)，而拍摄第二校正用标记32。通过该处理，得到第二校正用标记32在机器人坐标系{R}中的位置RPMA1(第二坐标值)。
接下来，使用机器人14测量从机器人坐标系{R}向基体坐标系{B}的坐标变换矩阵T在未知的条件下从工具前端点的位置至第一校正用标记30的中心位置的、以机械坐标系{M}为基准的偏置MPOFF1＝(PxOFF1、PyOFF1、PzOFF1)(参照图2)中的x、y成分。以下，对其详细内容进行说明。
如图6所示，首先使主轴24向任意的位置移动，用摄像机22拍摄第一校正用标记30，并测定(取得)在机器人坐标系{R}中的第一位置RPu1。接下来，使主轴24向其它的任意位置移动，用摄像机22拍摄第一校正用标记30，并测定(取得)在机器人坐标系{R}中的第二位置RPu2。根据第一位置RPu1以及第二位置RPu2，得到在机器人坐标系{R}中在这些位置通过的直线(的式子)(此处为Z″轴)。
接下来，如图7所示，在机器人坐标系{R}中，计算与通过第一位置RPu1以及第二位置RPu2的直线(Z″轴)垂直地交叉、并且包括第二校正用标记32在机器人坐标系{R}中的位置RPMA1的平面S1，将该平面S1与通过第一位置RPu1以及第二位置RPu2的直线交叉的点设为RPd1。使摄像机22向能够拍摄该点RPd1的(优选为点RPd1位于摄像机22的视场的中心)位置移动。
接下来，使工作台26移动，以使点RPd1与第二校正用标记32的中心位置重叠。其中，由于在当前时刻，未得到坐标变换矩阵T，所以无法唯一地决定工作台26的移动方向。因此，由于第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的位置MPMA1与在机器人坐标系{R}中的点RPd1之间的距离非常短，所以若以位置MPMA1的x、y坐标为起点，使工作台26移动微小距离而用摄像机22拍摄第二校正用标记32，则在机器人坐标系{R}中，能够检测第二校正用标记32的中心是否接近点RPd1。基于这样的想法，通过使工作台26向任意的方向移动，并用摄像机22测量第二校正用标记32的测量位置的变化，由此能够适当地修正测量位置的变化量和工作台26的移动方向，而能够以使摄像机22所进行的第二校正用标记32的测量位置与点RPd1一致的方式使工作台26移动。
如图7所示，将摄像机22所进行的第二校正用标记32的测量位置与点RPd1一致时的、机械坐标系{M}中的工具前端点的位置设为MPT1。通过求出该位置MPT1与第二校正用标记32的位置MPMA1的差，来得到上述的偏置MPOFF1的x、y成分(PxOFF1、PyOFF1)。
接下来，如图8所示，在机床12中，使可动部(此处为工作台26)向任意的位置移动(图3的步骤S13)。其中，第二校正用标记32的中心不与主轴24的中心轴线重叠。使用此时的第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的坐标值MPMA1，来将第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的位置变换为在基体坐标系{B}中的坐标值，并将变换后的坐标值设为BPM2。使用适当的手段向机器人控制装置16发送坐标值BPM2。
而且，以使安装于工作台26的第二校正用标记32与安装于机器人14的手指尖的摄像机22之间的距离变得适当、并且能够以足够的精度测量第二校正用标记32的位置的方式，使用机器人控制装置16来使机器人14动作。而且用摄像机22拍摄第二校正用标记32，而得到第二校正用标记32在机器人坐标系{R}中的位置(测量值)RPM2(图3的步骤S14)。
此处，将通过第一校正用标记30在机器人坐标系{R}中的第一位置RPu1和第二位置RPu2的直线(参照图7)定义为假定的Z″轴，求出与Z″轴垂直地交叉并且包括点RPM2的平面S2，当将该平面S2与Z″轴的交点设为原点时，将从该原点朝向RPu1的方向设为Z轴的正向。
接下来，如图9所示，决定将从平面S2的原点朝向第二校正用标记32的位置RPM2的方向设为正向的假定的X′轴，并对由该X′轴、在平面S2上延长且与X′轴正交的Y′轴、以及与X′轴及Y′轴双方正交的Z′轴构成的假定的坐标系{B′}进行定义，由此能够得到从机器人坐标系{R}向坐标系{B′}的坐标变换矩阵T′。此外，坐标系{B′}的定义方法并不限定于此。
另外，求出相当于第二校正用标记32在基体坐标系{B}中的位置BPM2的x、y成分与上述的偏置量MPOFF1的x、y成分(PxOFF1、PyOFF1)的差的位置矢量，并且求出以使该位置矢量与基体坐标系{B}的X轴的正向直线重叠的方式使之旋转角度θ的旋转变换矩阵BR。
此处，如图9所示，为了使假定的坐标系{B′}的Z′轴、与通过第一校正用标记30的第一位置RPu1和第二位置RPu2的直线(Z″轴)处于平行关系，而预先求出坐标变换矩阵T′以及根据旋转变换矩阵BR而得到的坐标变换矩阵T″，并将使用坐标变换矩阵T″而从机器人坐标系{R}变换后的坐标系设为{B″}。该坐标系{B″}的x-y平面与基体坐标系{B}的平面相互重叠，坐标系{B″}与基体坐标系{B}处于相互平行移动后的位置关系，另外其平行移动量由BPM2的x、y成分表示。因此，通过使用BPM2，来得到用于从坐标系{B″}向基体坐标系{B}平行移动的坐标变换矩阵T″′。
综上所述，能够求出坐标变换矩阵T″(坐标变换矩阵T′以及旋转变换矩阵BR)，并且能够根据坐标变换矩阵T″′而求出从机器人坐标系{R}向基体坐标系{B}的坐标变换矩阵T(图3的步骤S15)。由于基体坐标系{B}与机械坐标系{M}处于相互平行移动后的关系，所以若求出坐标变换矩阵T，则也能够容易地求出从机器人坐标系{R}向机械坐标系{M}的坐标变换矩阵。
在第一实施方式中，通过使用安装于主轴24的第一校正用标记30在机器人坐标系{R}中的任意两个位置的测量值、相对于主轴24的中心轴(Z轴)直至该两个位置的中任一个位置的点为止的x、y成分的偏置量、以及工作台26上的第二校正用标记32在机器人坐标系{R}以及基体坐标系{B}各个中的一个测量值，能够得到坐标变换矩阵T。这样，由于测量工作台26上的任意一个位置足以，所以能够扩大机器人14的能够配置区域。另外，由于安装于主轴24的第一校正用标记30固定于主轴24足以，所以能够提高设计的自由度。
接下来，参照图10～图12对本申请发明的第二实施方式进行说明。
在第二实施方式中，如图10所示，作为协作***的结构，除第一校正用标记30能够与在第一实施方式中已说明的测量用探测器28更换这一点之外，可以与第一实施方式相同，从而对于实质上同等的构成要素赋予与第一实施方式相同的符号，并省略详细的说明。
在第二实施方式中，设定了以下的定义或者条件(b1)～(b6)。此外，(b1)～(b5)与第一实施方式的(a1)～(a5)实质上相同。
(b1)如图11所示，用{M}表示对机床12定义的坐标系(机械坐标系)，并用{R}表示对机器人14定义的坐标系(机器人坐标系)。
(b2)机械坐标系{M}以及机器人坐标系{R}均是具有相互正交的三个轴(x、y、z)的正交坐标系，但也可以使用极坐标。并且，在图11所示的机械坐标系{M}中，X轴是与纸面垂直的方向，Y轴是左右方向，Z轴是上下方向，另一方面，在机器人坐标系{R}中，X轴是左右方向，Y轴是与纸面垂直的方向，Z轴是上下方向。
(b3)机械坐标系{M}的原点固定于工作台26，该原点的位置(x，y，z)在从机器人14侧观察工作台26时的工作台26的左内的角落(参照图12)成为(x、y)＝(0、0)，另外在安装于主轴24的工具(未图示)的前端点(工具前端点)处于工具更换位置时成为z＝0。其中，机械坐标系{M}的原点位置、各基本轴的方向并不限定于此。
(b4)机械坐标系{M}、机器人坐标系{R}以及对摄像机22定义的摄像机坐标系分别结束校正。并且，机器人坐标系{R}与摄像机坐标系之间的位置关系(坐标变换手段)是已知的。
(b5)如图11所示，为方便计算，在机床12的规定位置(例如工作台26)定义坐标系(机械基体坐标系)，并用{B}表示。图11中举例表示的机械基体坐标系(以下，也简称作基体坐标系){B}以主轴24的中心轴线与工作台26的表面(上表面)交叉的点作为原点，基体坐标系{B}的各基本轴(x、y、z)的方向与机械坐标系{M}一致。也就是说，基体坐标系{B}相当于使机械坐标系{M}平行移动后的坐标系。
(b6)第一校正用标记30能够以与工具相同的形态安装于主轴24，其中心点位于主轴的轴线上。
(b7)第一校正用标记30能够与测量用探测器更换。
接下来，在第二实施方式的协作***10中，参照图10～图12，说明在上述的定义或者条件下、取得用于进行从机器人坐标系{R}向基体坐标系{B}的坐标变换的坐标变换矩阵T的顺序。
首先，与第一实施方式相同，在机床12的主轴24安装测量用探测器，对安装于工作台26的第二校正用标记32的位置进行测量。通过该测量，得到第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的位置MPMA1。之后，将测量用探测器更换为第一校正用标记30。
与图6类似，使主轴24向任意的位置移动，使用设于机器人14的摄像机22(具体而言，以使第一校正用标记30进入摄像机22的视场内、且该标记的位置能够以足够的精度测量的方式控制机器人14)，而拍摄第一校正用标记30，从而测定(取得)在机器人坐标系{R}中的第一位置RPu1。接下来，使主轴24向其它的任意的位置移动，用摄像机22拍摄第一校正用标记30，从而测定(取得)在机器人坐标系{R}中的第二位置RPu2。
接下来，与图8类似，使工作台26向任意的位置移动。其中，第二校正用标记32的中心不与主轴24的中心轴线重叠。使用此时的第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的坐标值MPMA1，来求出第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的位置，并将其变换为在基体坐标系{B}中的坐标值，将变换后的坐标值设为BPM2。使用适当的手段向机器人控制装置16发送坐标值BPM2。
接下来，以使安装于工作台26的第二校正用标记32与安装于机器人14的手指尖的摄像机22之间的距离变得适当、并且能够以足够的精度测量第二校正用标记32的位置的方式，使用机器人控制装置16来使机器人14动作。而且用摄像机22拍摄第二校正用标记32，而得到第二校正用标记32在机器人坐标系{R}中的位置(测量值)RPM2。
将通过上述的第一校正用标记30的第一位置RPu1和第二位置RPu2的直线设为Z轴，求出与Z轴垂直地交叉并且包括点RPM2的平面S，当将该平面S与Z轴的交点设为原点时，将从该原点朝向RPu1的方向设为Z轴的正向。
接下来，如图12所示，决定将从平面S的原点朝向第二校正用标记32的位置RPM2的方向设为正向的假定的X′轴，并对由该X′轴、在平面S上延伸且与X′轴正交的Y′轴、以及与X′轴及Y′轴双方正交的Z′轴构成的假定的坐标系{B′}进行定义，由此能够得到从机器人坐标系{R}向坐标系{B′}的坐标变换矩阵T′。此外，坐标系{B′}的定义的方法并不限定于此。
另外，根据第二校正用标记32在基体坐标系{B}中的位置BPM2的x、y成分，来求出以使该位置与基体坐标系{B}的X轴的正向直线重叠的方式使之旋转角度θ的旋转变换矩阵BR。
此处，如图12所示，由于假定的坐标系{B′}的Z′轴与基体坐标系{B}的Z轴处于平行关系，所以根据坐标变换矩阵T′以及旋转变换矩阵BR，能够求出从机器人坐标系{R}向基体坐标系{B}的坐标变换矩阵T。
在第二实施方式中，通过使用安装于主轴24的第一校正用标记30在机器人坐标系{R}中的任意的两个位置的测量值、以及工作台26上的第二校正用标记32在机器人坐标系{R}以及基体坐标系{B}各个中的一个测量值，能够得到坐标变换矩阵T。这样，由于测量工作台26上的任意一个位置足以，所以能够扩大机器人14的能够配置区域。并且，在第二实施方式中，不需要如第一实施方式那样考虑偏置量，但第一校正用标记30需要具备能够作为工具而安装于主轴24的构造。
接下来，参照图13以及图14对本申请发明的第三实施方式进行说明。
在第三实施方式中，如图13所示，作为协作***的结构，除不使用第一或者第二实施方式中的第一校正用标记这一点之外，可以与第一实施方式相同，从而对于实质上同等的构成要素赋予与第一实施方式相同的符号，并省略详细的说明。
在第三实施方式中，设定了以下的定义或者条件(c1)～(c5)。此外，(c1)～(c5)与第一实施方式的(a1)～(a5)实质上相同。
(c1)如图14所示，用{M}表示对机床12定义的坐标系(机械坐标系)，并用{R}表示对机器人14定义的坐标系(机器人坐标系)。
(c2)机械坐标系{M}以及机器人坐标系{R}均是具有相互正交的三个轴(x、y、z)的正交坐标系，但也可以使用极坐标。并且，在图14所示的机械坐标系{M}中，X轴是上下方向，Y轴是左右方向，Z轴是与纸面垂直的方向，另一方面，在机器人坐标系{R}中，X轴是左右方向，Y轴是上下方向，Z轴是与纸面垂直的方向。
(c3)机械坐标系{M}的原点固定于工作台26，该原点的位置(x、y、z)在从机器人14侧观察工作台26时的工作台26的左内的角落(参照图14)成为(x、y)＝(0、0)，另外，在安装于主轴24的工具(未图示)的前端点(工具前端点)处于工具更换位置时成为z＝0。其中，机械坐标系{M}的原点位置、各基本轴的方向并不限定于此。
(c4)机械坐标系{M}、机器人坐标系{R}以及对摄像机22定义的摄像机坐标系分别结束校正。并且，机器人坐标系{R}与摄像机坐标系之间的位置关系(坐标变换手段)是已知的。
(c5)如图14所示，为方便计算，在机床12的规定位置(例如工作台26)定义坐标系(机械基体坐标系)，并用{B}表示。图14中举例表示的机械基体坐标系(以下，也简称作基体坐标系){B}以主轴24的中心轴线与工作台26的表面(上表面)交叉的点作为原点，基体坐标系{B}的各基本轴(x、y、z)的方向与机械坐标系{M}一致。也就是说，基体坐标系{B}相当于使机械坐标系{M}平行移动后的坐标系。
接下来，在第三实施方式的协作***10中，说明在上述的定义或者条件下、取得用于进行从机器人坐标系{R}向基体坐标系{B}的坐标变换的坐标变换矩阵T的顺序。
首先，使用安装于机床12的主轴24的测量用探测器28，与第一实施方式相同地对安装于工作台26的第二校正用标记32的位置进行测量。通过该测量，得到第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的位置MPMA1。
接下来，使工作台26向任意的位置移动。其中，第二校正用标记32的中心不与主轴24的中心轴线重叠。使用此时的第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的坐标值MPMA1，来求出第二校正用标记32在机械坐标系{M}中的位置，并将其变换为在基体坐标系{B}中的坐标值，将变换后的坐标值设为BPM1。使用适当的手段向机器人控制装置16发送坐标值BPM1。
接下来，以使安装于工作台26的第二校正用标记32与安装于机器人14的手指尖的摄像机22之间的距离变得适当、并且能够以足够的精度测量第二校正用标记32的位置的方式，使用机器人控制装置16来使机器人14动作。而且用摄像机22拍摄第二校正用标记32，而得到第二校正用标记32在机器人坐标系{R}中的位置(测量值)RPM1。
通过以上的操作，得到一组第二校正用标记32在机器人坐标系{R}以及基体坐标系{B}中的各个位置、即位置的组(BPM1、RPM1)。如图14所示，改变工作台26的位置而另外进行两次得到该位置的组的操作，另外取得两组第二校正用标记32的位置的组((BPM2、RPM2)、(BPM3、RPM3))。
根据像这样得到的第二校正用标记32在机器人坐标系{R}中的三个坐标(RPM1、RPM2、RPM3)，能够规定一个平面。与该平面垂直的轴与基体坐标系{B}的Z轴平行，将在基体坐标系{B}中的三个坐标(BPM1、BPM2、BPM3)中的一个(所朝向的方向)设为Z轴的正向。
接下来，如图14所示，将上述平面上的任意一点(此处为RPM1)设为原点，决定将从RPM1朝向RPM2的方向设为正向的假定的X′轴，并对由该X′轴、在由机器人坐标系{R}中的三个坐标规定的平面上延伸且与X′轴正交的Y′轴、以及与X′轴及Y′轴双方正交的Z′轴构成的假定的坐标系{B′}进行定义，来求出用于进行从机器人坐标系{R}向坐标系{B′}的坐标变换的坐标变换矩阵T′。基体坐标系{B}的Z轴与假定的坐标系{B′}的Z′轴平行，其正向也一致。此外，坐标系{B′}的定义的方法并不限定于此。
接下来，求出从BPM1至BPM2的差(矢量)，并求出用于使该矢量与基体坐标系{B}中表示X轴的正向的直线一致的、绕Z轴的旋转变换矩阵BR′。根据坐标变换矩阵T′以及旋转变换矩阵BR′，来得到用于从机器人坐标系{R}向假定的坐标系{B″}进行坐标变换的坐标变换矩阵T″。
假定的坐标系{B″}和基体坐标系{B}处于相互平行移动后的位置关系，能够根据由BPM1表示的坐标值求出其平行移动的方向以及距离。因此，根据BPM1以及坐标变换矩阵T″，能够求出从机器人坐标系{R}向基体坐标系{B}的坐标变换矩阵T。
在第三实施方式中，通过使用工作台26上的第二校正用标记32在机器人坐标系{R}以及基体坐标系{B}各个中的三个测量值(位置的组)，能够得到坐标变换矩阵T。并且，在第三实施方式中，由于不需要安装于主轴24的第一校正用标记，所以不需要使摄像机22接近主轴24来进行测量，从而能够进一步扩大机器人14的能够配置区域。
接下来，参照图15～图18对本申请发明的第四实施方式进行说明。如图15所示，第四实施方式的协作***40具备加工中心等机床42、进行机床42的加工对象物的处理等相对于机床42的作业的机器人44、以及控制机器人44的动作的机器人控制装置，且具有将后述的机械坐标系设定为机器人控制装置的功能。机器人控制装置与机床42(或者其控制装置)连接，但对此未图示。
机器人44例如是六轴多关节机器人，具有臂46、安装于臂46的前端的手48等机器人可动部，在该机器人可动部(优选为手48的前端)安装有摄像机50。并且，机器人44在设于机床42的内部的台架轴52安装，并且能够沿台架轴52移动。
机床42具有：构成为把持工具且(图示例子中铅垂轴线方向)能够旋转的主轴54；以及构成为能够载置机床42的加工对象物(工件)等的工作台56。并且，至少三个校正用标记设置在机床42的内部的相互不同的规定位置(优选为固定位置)。图示例子中，将机床42的内部分割为包括主轴54的加工区域、和包括机器人44进行作业的作业台58的机器人作业区域，在防止来自加工区域的切削油、切屑等的飞散的间隔件60的不同的两个位置(图示例子中间隔件60的上表面和侧面)分别形成有第一校正用标记62以及第二校正用标记64，并且在作业台58上形成第三校正用标记66。
在第四实施方式中，设定了以下的定义或者条件(d1)～(d6)。此外，(d1)～(d5)与第一实施方式的(a1)～(a5)实质上相同。
(d1)如图16所示，用{M}表示对机床42定义的坐标系(机械坐标系)，并用{R}表示对机器人44定义的坐标系(机器人坐标系)。
(d2)机械坐标系{M}以及机器人坐标系{R}均是具有相互正交的三个轴(x、y、z)的正交坐标系，但也可以使用极坐标。并且，在图16所示的机械坐标系{M}中，X轴是左右方向，Y轴是与纸面垂直的方向，Z轴是上下方向，另一方面，在机器人坐标系{R}中，X轴是左右方向，Y轴是与纸面垂直的方向，Z轴是上下方向。
(d3)机械坐标系{M}的原点固定于工作台56，该原点的位置(x、y、z)在从机器人44侧观察工作台56时的工作台56的左内的角落成为(x、y)＝(0、0)，另外，在安装于主轴54的工具(未图示)的前端点(工具前端点)处于工具更换位置时成为z＝0。
(d4)机械坐标系{M}、机器人坐标系{R}以及对摄像机50定义的摄像机坐标系分别结束校正。并且，机器人坐标系{R}与摄像机坐标系之间的位置关系(坐标变换手段)是已知的
(d5)如图16所示，为方便计算，在机床42的规定位置(例如工作台56)定义坐标系(机械基体坐标系)，并用{B}表示。图16中举例表示的机械基体坐标系(以下，也简称作基体坐标系){B}以主轴54的中心轴线与工作台56的表面(上表面)交叉的点作为原点，基体坐标系{B}的各基本轴(x、y、z)的方向与机械坐标系{M}一致。也就是说，基体坐标系{B}相当于使机械坐标系{M}平行移动后的坐标系。
(d6)设于机床42的内部的三个校正用标记在基体坐标系{B}中的位置(坐标值)全部已知。此时，从基体坐标系{B}的原点向第一～第三校正用标记的坐标矢量分别由BPM1、BPM2、以及BPM3表示。
接下来，在协作***40中，参照图15～图18，说明在上述的定义或者条件下、取得用于进行从机器人坐标系{R}向基体坐标系{B}的坐标变换的坐标变换矩阵T的顺序。
首先，如图15所示，将机床42以及机器人44配置于预先决定的位置(图17的步骤S21)，在机床42的规定位置(此处为间隔件60以及作业台58)形成第一～第三校正用标记62、64以及66(图17的步骤S22)。
此处，由于基体坐标系{B}中的三个校正用标记的坐标值BPM1、BPM2、以及BPM3全部已知，所以使用这些坐标值来定义假定的坐标系{B′}，而求出从坐标系{B′}向基体坐标系{B}的坐标变换矩阵TB。此处，如图16所示，定义由BPM1、BPM2、以及BPM3这三点规定的平面，将第一校正用标记62的位置BPM1设为原点，将在该平面上延伸并且与从原点朝向BPM3的方向相反的方向设为假定的X′轴，将在该平面上延伸并且与X′轴正交的方向设为假定的Z′轴，并将与X′轴及Z′轴双方正交的方向设为假定的Y′轴，由此能够定义坐标系{B′}。此外，坐标系{B′}的定义的方法并不限定于此，例如也能够定义以BPM2或者BPM3为原点的假定的坐标系。
接下来，如图18所示，使用设于机器人44的摄像机50(具体而言，以使第一校正用标记62进入摄像机50的视场内的方式控制机器人44)，拍摄第一校正用标记62。通过该处理，得到第一校正用标记62在机器人坐标系{R}中的位置RPM1。同样，使用摄像机50拍摄第二校正用标记64，而取得第二校正用标记64在机器人坐标系{R}中的位置RPM2。另外同样地，使用摄像机50拍摄第三校正用标记66，而取得第三校正用标记66在机器人坐标系{R}中的位置RPM3(图17的步骤S23)。
通过使用由摄像机50得到的三个校正用标记在机器人坐标系{R}中的三个坐标值(RPM1、RPM2、RPM3)，来求出从机器人坐标系{R}向假定的坐标系{B′}的坐标变换矩阵TR。另外，使用该坐标变换矩阵TR和上述的坐标变换矩阵TB，来求出从机器人坐标系{R}向基体坐标系{B}的坐标变换矩阵T(图17的步骤S24)。即，T＝TR(TB)-1(其中，(TB)-1是指TB的逆矩阵)。
在第四实施方式中，通过将至少三个校正用标记设为在定义于机床的规定位置的坐标系中的位置已知，能够仅使用机器人的摄像机来测量上述校正用标记，就能够得到机器人和机床共用的坐标系。因此，不需要根据校正用标记的位置而使机器人接近机床的主轴、工作台，从而例如能够使机器人仅在由间隔件分隔了的机器人作业区域内进行动作等，而能够与其作业内容对应地适当地设定机器人的动作范围，也能够扩大机器人的能够配置区域。
接下来，参照图19～图22对本申请发明的第五实施方式进行说明。如图19所示，第五实施方式的协作***70具备机床(图示例子中为NC车床)72、以及与机床72连接并且进行机床72的加工对象物的处理等相对于机床72的作业的机器人74，且具有将后述的机械坐标系设定为机器人控制装置的功能。机器人74例如是六轴多关节机器人，具有臂76、安装于臂76的前端的手78等机器人可动部，在该机器人可动部(优选为手78的前端)安装有摄像机80。机器人控制装置与NC车床72连接，但对此未图示。
另一方面，机床72具备：床身82；配置在床身82上的主轴座84；具有把持工具的卡盘86并且以(图示例子中沿水平轴线方向)旋转的方式设于主轴座84的主轴88；配置在床身82上的尾座90；构成为能够相对于床身82移动的横向滑板92；以及设于横向滑板92的刀架转塔94。并且，在第五实施方式中，机器人74配置在主轴座84上，测量用探测器96以与工具相同的形态(通常为以能够装卸的方式)安装于刀架转塔94。此外，能够在卡盘86安装具备至少三个校正用标记的带标记的夹具98。
在第五实施方式中，设定了以下的定义或者条件(e1)～(e5)。
(e1)如图20所示，用{M}表示对NC车床72定义的坐标系(机械坐标系)，并用{R}表示对机器人74定义的坐标系(机器人坐标系)。
(e2)机械坐标系{M}的原点固定在主轴88的中心轴线上，并且，机械坐标系{M}的朝向以JIS B6310为基准，图20中上方相当于其X轴的正向。
(e3)机械坐标系{M}、机器人坐标系{R}以及对摄像机80定义的摄像机坐标系分别结束校正。并且，机器人坐标系{R}与摄像机坐标系之间的位置关系(坐标变换手段)是已知的。
(e4)如图21a以及21b所示，带标记的夹具98的主体呈大致圆筒形状，在其侧面的相同圆周上的不同角度位置形成有第一～第三校正用标记100、102以及104。三个标记的角度位置关系能够任意决定，但在图示例子中，成为相互分离120度的等间隔配置。
(e5)带标记的夹具98的三个标记100、102以及104的相对位置关系通过预先的测量等而已知。
接下来，在第五实施方式的协作***70中，说明在上述的定义或者条件下、取得用于进行从机器人坐标系{R}向机械坐标系{M}的坐标变换的坐标变换矩阵T的顺序。
首先，如图20所示，将带标记的夹具98安装于NC车床72的卡盘86，以低速进给主轴88，直至夹具98的一个校正用标记(此处为第一校正用标记100)的中心与工具(测量用探测器96)前端抵接。之后，使用安装于刀架转塔94的测量用探测器96，对第一校正用标记100在机械坐标系{M}的Z-X平面上的位置(坐标值)进行测量。此处，由于第一～第三校正用标记的相对位置关系是已知的，所以通过测量第一校正用标记100的位置，能够使用其相对位置关系来求出第二校正用标记102以及第三校正用标记104的位置(坐标值)。
根据在机械坐标系{M}中得到的三个(校正用标记的)坐标值来定义坐标系{M′}，并求出从机械坐标系{M}向坐标系{M′}的坐标变换矩阵TM。此外，对于坐标系{M′}的定义的方法，可以与第三或者第四实施方式中的假定的坐标系{B′}的定义相同，从而省略详细的说明。
接下来，如图22所示，使刀架转塔94(横向滑板92)从主轴88退避，以使第一校正用标记100与安装于机器人74的手指尖的摄像机80之间的距离变得适当、并且能够以足够的精度测量第一校正用标记100的位置的方式，使机器人74动作。而且用摄像机80拍摄第一校正用标记100，而得到第一校正用标记100在机器人坐标系{R}中的位置(测量值)。同样，也使用摄像机80对第二校正用标记102以及第三校正用标记104在机器人坐标系{R}中的位置进行测量。
此处，只要带校正用标记的夹具98的三个校正用标记处于主轴88的中心轴线的相同圆周上，能够以任意的角度间隔安装，但安装于机器人74的摄像机80优选配置在能够容易进行各标记的测量那样的角度位置。
根据在机器人坐标系{R}中得到的三个(校正用标记的)坐标值，求出从机器人坐标系{R}向坐标系{M′}的坐标变换矩阵TR。
使用像这样得到的坐标变换矩阵TM以及TR，能够求出从机器人坐标系{R}向机械坐标系{M}的坐标变换矩阵T。即，T＝TR(TM)-1(其中，(TM)-1是指TM的逆矩阵)。
在第五实施方式中，通过使用带校正用标记的夹具，来取得在机械坐标系{M}中的三点坐标值、和与其对应的机器人坐标系中的三点坐标值，由此能够得到从机器人向机床(NC车床)的坐标变换矩阵。也就是说，由于机器人并不是仅取得加工对象的坐标系，所以除加工对象的处理以外，也能够使机器人进行NC车床的检查以及诊断、切屑的清扫等作业。
此外，在NC车床72是车削加工中心的情况下，由于车削加工中心具有主轴分度(C轴进给)功能，所以在带校正用标记的夹具98仅设置一个校正用标记足以。具体而言，对于一个校正用标记而言，在进行了测量用探测器96的(机械坐标系{M}中的)测量、和使用了摄像机80的(机器人坐标系{R}中的)测量之后，进行第一次的C轴进给。根据此时的进给量，来求出该校正用标记在机械坐标系{M}中的位置，并且进行使用了摄像机80的测量。另外，进行第二次的C轴进给，并根据此时的进给量，来求出该校正用标记在机械坐标系{M}中的位置，并且进行使用了摄像机80的测量。综上所述，对于校正用标记而言，由于得到三组机械坐标系{M}中的坐标值和机器人坐标系{R}中的坐标值，所以能够求出坐标变换矩阵T。
在上述的各实施方式中，机器人控制装置能够自动地控制机器人，以使摄像机与校正用标记的相对位置关系成为能够用摄像机测量校正用标记的位置的关系。具体而言，当以使校正用标记与机器人的摄像机的相对距离变得适当的方式控制机器人时，在使机器人动作前(即处于初始位置时)用摄像机拍摄校正用标记，利用得到的拍摄信息，而能够进行使机器人自动地接近校正用标记这样的控制。此外，这能够应用上述的日本特开2009-279677号公报所记载的技术。这样的话，能够自动地进行测量校正用标记在机器人坐标系中的位置的一系列的动作，从而作业者的负担减少。
根据本发明，由于能够以简易的结构且精度良好地得到从设定于机器人的机器人坐标系向定义于机床的规定位置的机械坐标系的坐标变换手段，所以能够容易地作成相对于机床进行包括加工对象的处理的各种作业的机器人程序。并且，能够扩大机器人的能够配置范围，也能够缩小在离线模拟装置中无法考虑的非线形的模型化误差。
并且，根据本发明，由于能够在机器人和机床中得到共用坐标系，所以当分别在机器人和机床中保有三维CAD模型信息时，在机器人作业时得到与机床相关的信息，而能够确认干涉的有无等。此时，由于机床的加工对象物等的定位的状态对于机器人是已知的，所以在进行机床的作业时，产生不需要必须使机器人退避至安全位置的情况，此时，由于也能够不等待机器人的移动结束就进行机床的作业，所以能够改善协作***整体的作业效率。并且，由于在机器人中也能够利用机床的三维CAD模型信息，所以当机床产生异常时，也能够用安装于机器人的摄像机自动地检查机床。

Claims (3)

1.一种协作***，具有机床和相对于上述机床进行作业的机器人，其特征在于，具备：
摄像机，其安装于上述机器人的可动部；
至少一个校正用标记，其设于上述机床的可动部；
第一标记坐标取得部，其使用设于上述机床的测量用探测器，取得上述校正用标记在对上述机床定义的机械坐标系中的第一坐标值；
第二标记坐标取得部，其通过用上述摄像机拍摄上述校正用标记，来取得上述校正用标记在对上述机器人设定的机器人坐标系中的第二坐标值；以及
坐标变换部，其基于上述校正用标记的上述第一坐标值以及上述第二坐标值的多个组，来求出从上述机器人坐标系向上述机械坐标系的坐标变换手段。
2.根据权利要求1所述的协作***，其特征在于，
上述第一标记坐标取得部分别在上述机床的可动部的多个位置中，取得多个上述校正用标记在上述机械坐标系中的第一坐标值，
上述第二标记坐标取得部分别在上述机床的可动部的多个位置中，通过用上述摄像机拍摄上述校正用标记，来取得多个上述校正用标记在对上述机器人设定的机器人坐标系中的第二坐标值。
3.根据权利要求1或2所述的协作***，其特征在于，
自动地控制上述机器人，以使上述摄像机与上述校正用标记的相对位置关系成为能够用上述摄像机测量上述校正用标记的位置的关系。
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