CN109531604A - 进行校准的机器人控制装置、测量***以及校准方法 - Google Patents

进行校准的机器人控制装置、测量***以及校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种进行校准的机器人控制装置、测量***以及校准方法，能够恰当地生成用于提高机器人的定位精度的测量区域。在机器人的可动范围内规定第1以及第2测量区域，并在各个测量区域中进行机器人的机构参数的校准，存储各个校准结果来作为第1校准结果以及第2校准结果。在两个校准结果之间的差超过预先决定的阈值时，在第1测量区域与第2测量区域之间规定第3测量区域，并在第3测量区域中进一步进行机构参数的校准，存储其结果来作为第3校准结果。

Description

进行校准的机器人控制装置、测量***以及校准方法
技术领域
本发明涉及进行机器人的校准的机器人控制装置、测量***以及校准方法。
背景技术
作为用于提高机器人的定位精度的1个手段，已知进行机构参数的校准(校正)，该机构参数在用于决定机器人的各驱动轴的位移与该机器人的前端的位置及姿势之间的关系的关系式中使用。
另外，众所周知具有以下的技术：在进行校准时使用安装在机器人的照相机的技术(例如参照日本特开2008-012604号公报、日本特开2014-151427号公报)、使用包含千分表、反射镜以及测角器的测定器的技术(例如参照日本特开2002-273676号公报)、或者使用前端为球形的探头的技术(例如参照日本特开2009-125857号公报)。
从成本、劳力的观点出发，现有的校准并非针对机器人的全部可动范围进行校准，而是在特定的测量区域中进行校准。因此，虽然在进行了校准的测量区域内能够提高机器人的定位精度，但是在远离该测量区域的区域中，由于机器人臂的弹性变形、在机器人的各轴设置的齿轮的齿隙等的影响，有时定位精度会降低。
发明内容
本公开的一方式是控制机器人的机器人控制装置，其具备：规定部，其在所述机器人的可动部的可动范围内，规定包括第1测量区域以及与该第1测量区域不同的第2测量区域的至少2个测量区域；校准执行部，其使所述机器人的所述可动部在所述第1测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，并且使所述机器人的所述可动部在所述第2测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准；以及存储部，其存储通过在所述第1测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第1校准结果，并存储通过在所述第2测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第2校准结果，根据存储在所述存储部中的所述第1校准结果与所述第2校准结果，所述规定部在所述第1测量区域与所述第2测量区域之间规定第3测量区域，所述校准执行部使所述机器人的所述可动部在所述第3测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，所述存储部存储通过在所述第3测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第3校准结果。
本公开的另一方式是一种测量***，其具有：目标；受光设备，其能够拍摄所述目标；机器人，其具有安装了所述目标或所述受光设备的可动部；以及机器人控制装置，其控制所述机器人，所述测量***还具备：规定部，其在所述机器人的可动部的可动范围内，规定包括第1测量区域以及与该第1测量区域不同的第2测量区域的至少2个测量区域；校准执行部，其使所述机器人的所述可动部在所述第1测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，并且使所述机器人的所述可动部在所述第2测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准；以及存储部，其存储通过在所述第1测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第1校准结果，并存储通过在所述第2测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第2校准结果，根据存储在所述存储部中的所述第1校准结果与所述第2校准结果，所述规定部在所述第1测量区域与所述第2测量区域之间规定第3测量区域，所述校准执行部使所述机器人的所述可动部在所述第3测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，所述存储部存储通过在所述第3测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第3校准结果。
本公开的另一方式是使用了测量***的机器人的校准方法，所述测量***具有：目标；受光设备，其能够拍摄所述目标；机器人，其具有安装了所述目标或所述受光设备的可动部；以及机器人控制装置，其控制所述机器人，所述校准方法包含以下步骤：在所述机器人的所述可动部的可动范围内，规定包括第1测量区域以及与该第1测量区域不同的第2测量区域的至少2个测量区域；使所述机器人的所述可动部在所述第1测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，并且使所述机器人的所述可动部在所述第2测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准；以及存储通过在所述第1测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第1校准结果，并存储通过在所述第2测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第2校准结果；根据所述第1校准结果与所述第2校准结果，在所述第1测量区域与所述第2测量区域之间规定第3测量区域，使所述机器人的所述可动部在所述第3测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，存储通过在所述第3测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第3校准结果。
附图说明
根据与附图相关联的以下实施方式的说明，本发明的目的、特征以及优点变得更清楚。在这些图中：
图1表示第1实施方式的测量***的概要结构。
图2表示第2实施方式的测量***的概要结构。
图3表示机器人控制装置的块结构。
图4表示图像处理装置的块结构。
图5是表示测量***中的校准方法的一个例子的流程图。
图6表示测量区域的设定例子。
图7说明进行校准时的照相机与目标的位置关系的一个例子。
具体实施方式
图1表示第1实施方式的测量***的概要结构。机器人1可以是多关节机器人等公知的机器人，与控制机器人1的机器人控制装置5连接，具有机械臂(可动部)1a以及基座1b。在机械臂1a的前端部即工具安装面32安装有照相机4。在机器人1中设定固定在机器人的基座1b的机器人坐标系Σb以及固定在工具安装面32的机械接口坐标系Σf。机器人控制装置5能够随时知道机械接口坐标系Σf的原点的位置以及姿势(当前位置)。另外，具备了公知的手动操作键的示教操作盘18与机器人控制装置5连接，作业者通过操作该手动操作键，能够操作机器人1。
照相机4例如是CCD照相机，是具有以下功能的公知的受光设备：通过拍摄来在受光面(CCD阵列面上)检测二维图像。照相机4与具备由LCD、CRT等构成的监视器3的图像处理装置2连接。在本实施方式中，照相机4对在使用机器人坐标系Σb表示的空间内固定的视觉目标6上的标记7进行拍摄。
作为第2实施方式，如图2所示，还能够将目标6固定在工具安装面32即机械接口坐标系Σf，并将照相机4固定在使用机器人坐标系Σb表示的空间内。如此，受光设备以及目标的设置自由度高，此外能够自动并且高精度地修正两者的相对位置关系，因此不需要进行与受光设备、目标的设置有关的精度管理。通过图2的结构进行的测量方法与图1相同，因此针对第1实施方式进行以后的说明。
图3是表示机器人控制装置5的结构的框图。机器人控制装置5具有主CPU11，此外，由RAM、ROM、非易失性存储器等构成的存储器12、示教操作盘用接口13、通信接口14、伺服控制部15以及外部装置用输入输出接口16经由总线17与主CPU11连接。此外，在第1实施方式中，主CPU11承担本公开的规定部、校准执行部以及参数应用部的功能，存储器12承担存储部的功能，但是也能够使机器人控制装置5以外的其他的装置(例如与机器人控制装置5连接的个人计算机)来承担这些结构要素中的至少一部分。
与示教操作盘用接口13连接的示教操作盘18例如是具有显示器18a的便携式操作盘，作业者通过示教操作盘18的手动操作，除了机器人的动作程序的生成、修正、登记或各种参数的设定以外，还能够执行示教的动作程序的再生运转(执行)、点动进给(Jog feed)等。支持机器人以及机器人控制装置的基本功能的***程序被存储在存储器12的ROM中。另外，根据应用进行示教的机器人的动作程序以及相关的设定数据被存储在存储器12的非易失性存储器中。另外，用于后述的各个处理(与求出机构参数相关的机器人移动以及为此进行的与图像处理装置的通信等的处理)的程序、参数等数据也被存储在存储器12的非易失性存储器中。
存储器12的RAM被用作临时存储主CPU11进行的各种运算处理中的数据的存储区域。伺服控制部15具备伺服控制器#1～#n(n是机器人的总轴数，在这里设为n＝6)，接受通过机器人控制用的运算处理(轨道计划生成和基于此的插补、逆变换等)而生成的移动指令，将转矩指令与从附属于各轴的编码器或脉冲编码器(省略图示)取得的反馈信号一起输出给伺服放大器A1～An。各伺服放大器A1～An根据各扭矩指令向各轴的伺服电动机供给电流来驱动这些伺服电动机。通信接口14与图像处理装置2(参照图1)连接，经由该通信接口14，与机器人控制装置之间进行后述的与测量相关的指令、测量结果数据等的交换。
图4是表示图像处理装置2的结构的框图。图像处理装置2具有由微型处理器构成的CPU20，此外，ROM21、图像处理处理器22、照相机接口23、监视器接口24、输入输出设备(I/O)25、帧存储器(图像存储器)26、非易失性存储器27、RAM28以及通信接口29经由总线30与CPU20连接。
作为拍摄单元的照相机(在这里是CCD照相机)与照相机接口23连接。在经由照相机接口23发送了拍摄指令时，通过在照相机中设定的电子快门功能来执行拍摄，将影像信号经由照相机接口23以灰度信号的形式存储在帧存储器26中。将CRT、LCD等显示器作为监视器(参照图1)与监视器接口24连接，根据需要来显示照相机拍摄中的图像、存储在帧存储器26中的过去的图像、接受了图像处理处理器22的处理后的图像等。
如图1所示，照相机4拍摄在使用机器人坐标系Σb表示的空间内固定的目标6上的标记7。使用图像处理处理器22来解析存储在帧存储器26中的标记7的影像信号，求出其二维位置以及大小等。此外，用于该处理的程序、参数等存储在非易失性存储器27中。另外，RAM28用于临时存储CPU20执行的各种处理所需的数据。通信接口29经由上述的机器人控制装置侧的通信接口14与机器人控制装置连接。
接着，一边参照图5的流程图一边说明第1实施方式的测量处理(校准)的步骤。首先如图6所示，在机器人1的可动部(机械臂1a)的可动范围内规定多个测量区域(在这里是第1测量区域36以及第2测量区域38)(步骤S1)。接着，在多个测量区域的各个测量区域中进行机构参数的校准(步骤S2)。
在接下来的步骤S3中，将校准的结果存储在存储部。在这里，存储通过在第1测量区域36中的校准而得到的机构参数来作为第1校准结果，存储通过在第2测量区域38中的校准而得到的机构参数来作为第2校准结果。
对于在各测量区域中的机构参数的校准，如图7所示，通过使用照相机4从不同的方向拍摄(识别)目标6(标记7)来进行校准，对于该处理，能够应用日本特开2008-012604号公报中记载的技术等公知技术，因此省略详细的说明。另外，所谓测量区域是指在进行校准时，为了使用照相机4从多个方向进行拍摄，机器人1的可动部(机械臂1a)移动的范围(扫描空间)或者与其近似的范围(参照图7)。此外，针对各测量区域配置上述目标6(标记7)。
在此，所谓机构参数是指在用于决定以下的相关关系的关系式中使用的参数，该相关关系是在机器人控制时使用的机器人的各驱动轴的位移(输入)与机器人的前端位置(输出)之间的相互关系。该参数的代表例为机器人的连杆长度、各驱动轴的原点位置。另外，还列举了根据轴的旋转方向而产生的齿隙、连杆的弹性变形、减速机的弹性变形量等。另外在本公开中，并没有特别限定要确定计算的机构参数的种类，只要是能够公式化并且互不从属的机构参数即可，作为一个例子，列举相当于机器人的各轴的旋转角度的基准(0度位置)的编码器计数值。设置在各轴的编码器的计数值能够变换为该轴的旋转角度，因此通过上述校准，能够求出相当于各轴的0度位置的编码器的计数值。
接下来在步骤S4中，在临近的测量区域之间将存储在存储部中的通过在各测量区域中的校准而得到的机构参数(校准结果)进行比较。在此，临近的测量区域是指没有其他的距离2个测量区域的中间位置最近的测量区域的2个测量区域。此外，将测量区域的代表位置设为在为了校准而测量(拍摄)目标6时，照相机4的多个位置和姿势中的一个(基本姿势)下的机器人1的工具前端点的位置。在这里，将第1测量区域36中的第1校准结果与第2测量区域38中的第2校准结果进行比较。
在接下来的步骤S5中，判定是否存在比较出的机构参数的差超过预先决定的阈值的临近测量区域。例如，当机构参数是上述编码器计数值时，当通过在第1测量区域36中的校准而得到的相当于机器人的某个轴的0度位置的编码器计数值为10，且通过在第2测量区域38中的校准而得到的相当于机器人的相同轴的0度位置的编码器计数值为13，并且上述阈值为2时，判断为机构参数的差超过了该阈值。在这样的情况下，能够判断为在两个测量区域之间，针对相同的轴相当于0度位置的角度超过了预定的容许值(例如0.5度)从而不同。
在步骤S5中，当存在机构参数的差超过阈值的临近测量区域时，前进至步骤S6，并在机构参数的差最大的临近测量区域之间规定新的测量区域。在这里，在第1测量区域36与第2测量区域38之间规定新的(第3)测量区域40，并返回至步骤S2。在步骤S2中，在新的测量区域40内，与第1以及第2测量区域同样地进行机构参数的校准，在步骤S3中，将通过在第3测量区域40中的校准而得到的机构参数作为第3校准结果存储在存储部。在步骤S4中，针对第1测量区域36与第3测量区域40，并且还针对第2测量区域38与第3测量区域40，将机构参数进行比较，并在步骤S5中判断机构参数的差是否超过阈值。例如，当第1校准结果与第3校准结果之间的差超过阈值，并大于第2校准结果与第3校准结果之间的差时，在步骤S6中在第1测量区域36与第3测量区域40之间进一步规定(第4)测量区域，并返回至步骤S2。
如此，直到在临近测量区域之间机构参数的差不再超过阈值为止重复以下的动作：在机构参数的差超过阈值的临近测量区域之间规定新的测量区域，进行校准以及存储其结果。
另一方面，在步骤S5中，当不存在机构参数的差超过阈值的临近测量区域时，在执行另外(离线)准备的动作程序时，针对在该动作程序中包含的各示教点，应用通过在距离该示教点最近的测量区域中的校准而得到的机构参数来计算机器人的位置(以及姿势)(步骤S7)。
此外，关于本公开中的第3测量区域那样的多个(第1以及第2)测量区域“之间”的测量区域，例如能够规定为以各测量区域的代表位置的中间位置为代表位置的测量区域。
在本公开中，能够进行以下处理：在彼此不同的2个测量区域中分别进行校准，仅在与各个校准结果相对应的机构参数之间存在超过预定阈值的差的情况下，在这些测量区域之间设定新的测量区域，来在该新的测量区域中进一步进行校准。因此，在执行机器人的动作程序时，针对在该动作程序中包含的各示教点，通过使用与距离该示教点最近的测量区域中的校准结果相对应的机构参数，能够实现定位精度极高的机器人动作。因此，在本公开中，除了与只设定1个测量区域的情况相比定位精度提高以外，与预先设定3个以上的测量区域在各个测量区域中进行校准的情况相比，能够防止设定不必要的(对精度的提高几乎没有帮助的)测量区域。
根据本公开，能够以尽可能少的测量区域数量来高效地提高机器人的定位精度。

Claims (12)

1.一种机器人控制装置，其控制机器人，其特征在于，
所述机器人控制装置具备：
规定部，其在所述机器人的可动部的可动范围内，规定包括第1测量区域以及与该第1测量区域不同的第2测量区域的至少2个测量区域；
校准执行部，其使所述机器人的所述可动部在所述第1测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，并且使所述机器人的所述可动部在所述第2测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准；以及
存储部，其存储通过在所述第1测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第1校准结果，并存储通过在所述第2测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第2校准结果，
所述规定部根据存储在所述存储部中的所述第1校准结果与所述第2校准结果，在所述第1测量区域与所述第2测量区域之间规定第3测量区域，所述校准执行部使所述机器人的所述可动部在所述第3测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，所述存储部存储通过在所述第3测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第3校准结果。
2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，
在所述第1校准结果与所述第2校准结果的差超过预先决定的阈值时，所述规定部规定所述第3测量区域。
3.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，
在使用所述第1校准结果计算的位置与使用所述第2校准结果计算的位置之间的距离超过预先决定的阈值时，所述规定部针对所述第1测量区域与所述第2测量区域之间的中间位置，规定所述第3测量区域。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的机器人控制装置，其特征在于，
所述机器人控制装置还具有参数应用部，
在执行所述机器人的动作程序时，所述参数应用部针对在该动作程序中包含的各示教点，应用与距离该示教点最近的测量区域中的校准结果对应的机构参数。
5.一种测量***，其具有：
目标；
受光设备，其能够拍摄所述目标；
机器人，其具有安装了所述目标或所述受光设备的可动部；以及
机器人控制装置，其控制所述机器人，
其特征在于，
所述测量***具备：
规定部，其在所述机器人的所述可动部的可动范围内，规定包括第1测量区域以及与该第1测量区域不同的第2测量区域的至少2个测量区域；
校准执行部，其使所述机器人的所述可动部在所述第1测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，并且使所述机器人的所述可动部在所述第2测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准；以及
存储部，其存储通过在所述第1测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第1校准结果，并存储通过在所述第2测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第2校准结果，
所述规定部根据存储在所述存储部中的所述第1校准结果与所述第2校准结果，在所述第1测量区域与所述第2测量区域之间规定第3测量区域，所述校准执行部使所述机器人的所述可动部在所述第3测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，所述存储部存储通过在所述第3测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第3校准结果。
6.根据权利要求5所述的测量***，其特征在于，
在所述第1校准结果与所述第2校准结果的差超过预先决定的阈值时，所述规定部规定所述第3测量区域。
7.根据权利要求5所述的测量***，其特征在于，
在使用所述第1校准结果计算的位置与使用所述第2校准结果计算的位置之间的距离超过预先决定的阈值时，所述规定部针对所述第1测量区域与所述第2测量区域之间的中间位置，规定所述第3测量区域。
8.根据权利要求5～7中的任意一项所述的测量***，其特征在于，
所述测量***还具有参数应用部，
在执行所述机器人的动作程序时，所述参数应用部针对在该动作程序中包含的各示教点，应用与距离该示教点最近的测量区域中的校准结果对应的机构参数。
9.一种校准方法，其是使用了测量***的机器人的校准方法，
所述测量***具有：
目标；
受光设备，其能够拍摄所述目标；
所述机器人，其具有安装了所述目标或所述受光设备的可动部；以及
机器人控制装置，其控制所述机器人，
其特征在于，
所述校准方法包含以下步骤：
在所述机器人的所述可动部的可动范围内，规定包括第1测量区域以及与该第1测量区域不同的第2测量区域的至少2个测量区域；
使所述机器人的所述可动部在所述第1测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，并且使所述机器人的所述可动部在所述第2测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准；以及
存储通过在所述第1测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第1校准结果，并存储通过在所述第2测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第2校准结果；
根据所述第1校准结果与所述第2校准结果，在所述第1测量区域与所述第2测量区域之间规定第3测量区域，使所述机器人的所述可动部在所述第3测量区域内移动来进行所述机器人的机构参数的校准，存储通过在所述第3测量区域中的校准而得到的机构参数来作为第3校准结果。
10.根据权利要求9所述的校准方法，其特征在于，
在所述第1校准结果与所述第2校准结果的差超过预先决定的阈值时，规定所述第3测量区域。
11.根据权利要求9所述的校准方法，其特征在于，
在使用所述第1校准结果计算的位置与使用所述第2校准结果计算的位置之间的距离超过预先决定的阈值时，针对所述第1测量区域与所述第2测量区域之间的中间位置，规定所述第3测量区域。
12.根据权利要求9～11中的任意一项所述的校准方法，其特征在于，
所述校准方法还包含以下步骤：
在执行所述机器人的动作程序时，针对在该动作程序中包含的各示教点，应用与距离该示教点最近的测量区域中的校准结果对应的机构参数。
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