CN111546324B - 机器人校准方法及机器人校准装置 - Google Patents

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CN111546324B CN202010080051.5A CN202010080051A CN111546324B CN 111546324 B CN111546324 B CN 111546324B CN 202010080051 A CN202010080051 A CN 202010080051A CN 111546324 B CN111546324 B CN 111546324B
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Abstract

本发明提供校准机器人的臂部前端的位置的机器人校准方法，通过测定相互连结的三个以上的连杆的两端的第一连杆与第二连杆的相对位置关系，来对其间的两个以上的关节轴进行一并校准，通过测定基座(1)与连结于基座(1)的一个连杆的相对位置关系，来对其间的关节轴执行单独校准，或者通过测定第一连杆与另一个连杆的相对位置关系，来对第一连杆与另一个连杆之间的关节轴执行单独校准，基于一并校准及单独校准来校准臂部前端的位置。

Description

机器人校准方法及机器人校准装置
技术领域
本发明涉及机器人校准方法及机器人校准装置。
背景技术
在具备由多个连杆及关节轴构成的臂部的机器人中，在出厂时等，进行各关节轴的校准。日本特公平04-046714号公报记载以下结构：在机器人的手腕前端部安装夹具，通过使用设置于固定基座的附带千分表的支撑体对该夹具的姿势进行检测，来一并地校准机器人的所有关节轴。日本专利第4819957号公报记载以下结构：通过用照相机拍摄视觉标记的方式来执行单轴的校准。
发明内容
因机器人的构造，也有很难如日本特公平04-046714号公报那样对所有关节轴进行一并校准的情况。在这样的情况下，一般使用单轴用的夹具对各关节轴各个轴地进行校准。但是，在各轴的校准中，产生夹具的数量和校准的工时增加的缺点。期望即使在机器人具有很难一并校准所有关节轴的构造的情况下也能高效地进行关节轴的校准。
本公开的一个方案为一种机器人校准方法，是校准多关节机器人的臂部前端的位置的方法，上述多关节机器人具备臂部和经由其它关节轴支撑该臂部的基座，上述臂部具有多个连杆及多个关节轴，上述机器人校准方法中，通过测定从上述基座分离并相互连结的三个以上的连杆的两端的第一连杆与第二连杆的相对位置关系，来对上述三个以上的连杆之间的两个以上的关节轴执行一并校准，通过测定上述基座与连结于上述基座的一个连杆的相对位置关系，来对上述基座与连杆之间的关节轴执行单独校准，或者通过测定上述第一连杆与连结于上述三个以上的连杆的另一个连杆的相对位置关系，来对上述第一连杆与另一个连杆之间的关节轴进行单独校准，基于上述一并校准和上述单独校准来校准上述臂部前端的位置。
本公开的其它方案是一种机器人校准装置，是校准多关节机器人的臂部前端的位置的装置，上述多关节机器人具备臂部和经由其它关节轴支撑该臂部的基座，上述臂部具有多个连杆及多个关节轴，上述机器人校准装置具备：第一基准面及第二基准面，其分别设于从上述基座分离并相互连结的三个以上的连杆的两端的第一连杆及第二连杆；仪表，其以接触方式测定上述第一基准面与上述第二基准面的相对位置及相对姿势；测定器，其是测定上述基座与连结于上述基座的一个连杆的相对位置关系的测定器，或者是测定上述第一连杆与连结于上述三个以上的连杆的另一个连杆的相对位置关系的测定器；以及处理器，其基于上述仪表的测定结果和上述测定器的测定结果来校准上述臂部前端的位置。
附图说明
通过以下的与附图相关的实施方式的说明，本发明的目的、特征以及优点会进一步变得清楚。该附图中，
图1是表示一个实施方式的机器人校准装置的整体结构的图。
图2是机器人的立体图。
图3是表示本实施方式的校准顺序的流程图。
图4是表示在第一部件装配有千分表的状态的立体图。
图5是示出使用了校准块的千分表的校准的图。
图6A示出第一部件固定于第二个连杆的第一基准面的状态。
图6B是表示第二个连杆的第一基准面的图。
图7A示出第二部件固定于第六个连杆(腕部)的第二基准面的状态。
图7B是表示第六个连杆(腕部)的第二基准面的图。
图8表示相对于第一部件定位第二部件直至千分表的读数落入预定范围内的程度的状态。
图9是第二部件的立体图。
图10是从图9中的下方观察第二部件的立体图。
图11是从后方侧观察第一部件的立体图。
图12是从图11中的下方观察第一部件的立体图。
图13是机器人的第一个关节轴近处的立体图。
图14是图13中的测定部件近处的放大图。
图15是测定部件的立体图。
图16是从图15中的底面侧观察测定部件的立体图。
图17是测定部件的立体图。
图18是从图17中的底面侧观察测定部件的立体图。
图19是机器人的第二个关节轴近处的立体图。
图20是图19中的测定部件近处的放大图。
图21是测定部件的立体图。
图22是从图21中的背面侧观察测定部件的立体图。
图23示出可适当地应用本实施方式的校准顺序的机器人的另一结构例。
图24是示出一并校准第三个至第六个关节轴的状态的图。
图25A示出适当地应用本实施方式的校准顺序的机器人的结构的再一例。
图25B示出适当地应用本实施方式的校准顺序的机器人的结构的再一例。
图26是示出一并校准第二个至第七个关节轴的状态的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。所有附图中，对对应的构成要素标注共用的符号。为了容易理解，适当变更这些附图的比例尺。并且，附图所示的方式是用于实施本发明的一例，本发明不限定于图示的方式。
图1是表示一个实施方式的机器人校准装置100的整体结构的图。如图1所示，机器人校准装置100具备机器人10、控制机器人10的控制器50、以及与控制器50连接的示教操作盘30。图1中示出机器人10的侧视图。图2是机器人10的立体图。机器人10是具备具有多个连杆L1～L6及多个关节轴(J2～J6)的臂部12和经由其它关节轴(J1)支撑臂部12的基座1的多关节机器人。控制器50通过进行机器人10的各关节轴的位置控制来控制机器人10。控制器也可以具备作为具有CPU、ROM、RAM、操作部等的一般计算机的结构。
如图1及图2所示，机器人10具有直动轴作为第三个关节轴J3。在如机器人10那样具有直动轴的多关节机器人的情况下，若欲利用在机器人10的前端的连杆L6(腕部)和基座1分别装配校准部件来将连杆L6(腕部)定位于基座1的方法对全部六轴进行一并校准，则因连杆L6(腕部)与基座1间的距离较大，产生校准部件变得过大的不良情况。因此，在机器人校准装置100中，通过如在下文中说明那样进行校准，来提高校准的效率。在机器人校准装置100中，通过测定从基座1分离并相互连结的三个以上的连杆(例如L2～L6)的两端的第一连杆(例如连杆L2)与第二连杆(例如连杆L6)的相对位置关系，来对上述三个以上的连杆之间的两个以上的关节轴(例如J3～J6)执行一并校准。接下来，通过测定基座1与连结于基座1的一个连杆(例如连杆L1)的相对位置关系，来对上述基座与连杆之间的关节轴执行单独校准，或者通过测定第一连杆(例如连杆L2)与连结于上述三个以上的连杆的另一个连杆(例如连杆L1)的相对位置关系，来对上述第一连杆与另一个连杆之间的关节轴(例如J2)执行单独校准。而且，基于一并校准和单独校准来校准臂部前端的位置。
在本实施方式中，使用千分表以接触方式测定形成于同上述第一连杆相当的连杆L2的第一基准面R1(参照图6B)与形成于同上述第二连杆相当的连杆L6的第二基准面R2(参照图7B)的相对位置及相对姿势，并基于测定结果来对连杆L2与连杆L6之间的关节轴J3～J6执行一并校准。
图3是表示本实施方式的校准顺序的流程图。参照图3对校准顺序进行说明。首先，将千分表340装配于作为用于装配千分表的校准部件(夹具)的第一部件301(步骤S1)。图11及图12分别示出从后方侧的斜上方观察第一部件301的立体图、从前方的下侧观察第一部件301的立体图。此外，为便于说明，在第一部件301单体的说明中，如图11所示，将安装壁305所处的一侧作为后方侧进行说明。第一部件301具备：安装壁305，其安装在形成于机器人10的连杆L2(臂部件)的第一基准面R1上；板状的底壁306，其从安装壁305向前方延伸；第一仪表安装壁311，其从底壁306的前端部向上方延伸；以及第二仪表安装壁312，其与第一仪表安装壁311的上端连接，并形成为与第一仪表安装壁311垂直地向前方延伸。在第一仪表安装壁311并在水平方向的两端部附近设有用于***千分表340的两个千分表***孔320。在第二仪表安装壁312并在前后方向中央部的左右两端附近设有两个千分表***孔320，在前端部的左右方向中央部设有一个千分表***孔320，合计设有三个千分表***孔320。第一仪表安装壁311的前方侧的面、第二仪表安装壁312的底面分别构成相互正交的第一仪表安装面311a、第二仪表安装面312a。
步骤S1中，将五个千分表340装配于第一部件301的合计五个千分表***孔320。图4中以立体图的方式表示在第一部件301装配有千分表340的状态。接下来，步骤S2中，使用校准块345来校准千分表340的基准位置。图5是示出使用了校准块345的千分表340的校准状况的图。校准块345在两个端面345a与底面345b之间具有预定的基准尺寸。将该校准块345的端面345a例如按压至第二仪表安装面312a，从而千分表340的触头抵接于底面345b。以此时的千分表340的读数与校准块345的基准尺寸一致的方式校准千分表340。
接下来，步骤S3中，将第一部件301及第二部件201安装于机器人10。如图6B所示，在连杆L2(臂部件)的形成有第一基准面R1的部分形成有用于安装部件的螺纹孔350和定位销孔351。在使第一部件301的安装壁305与第一基准面R1紧贴的状态下，利用螺纹孔350和定位销孔351将安装壁305正确地定位于第一基准面R1，之后进行螺纹紧固来固定。图6A示出第一部件301固定于第一基准面R1的状态。
接下来，对安装于连杆L6(腕部)的第二部件201进行说明。图9及图10分别是从斜上方观察第二部件201的立体图、从斜下方观察第二部件201的立体图。此外，为便于说明，在第二部件201单体的说明中，如图9所示，将安装壁205所处的一侧作为后方侧进行说明。如图9及图10所示，第二部件201具有安装于第二基准面R2的安装壁205、从安装壁205向前方延伸的支撑壁206、以及设于支撑壁206的前端并相互正交的第一仪表计测壁211及第二仪表计测壁212。第一仪表计测壁211的前方侧的面、第二仪表计测壁212的上表面分别构成相互正交的第一仪表计测面211a、第二仪表计测面212a。
如图7B所示，在连杆L6(腕部)的形成有第二基准面R2的部分形成有用于安装部件的螺纹孔220和定位销孔221。在使第二部件201的安装壁205与第二基准面R2紧贴的状态下，利用螺纹孔220和定位销孔221将安装壁205正确地定位于第二基准面R2，之后进行螺纹紧固来固定。图7A示出第二部件201固定于第二基准面R2的状态。
接下来，步骤S4中，操作人员OP操作示教操作盘30使机器人10动作，来使第二部件201向第一部件301接近。而且，操作人员OP使第一仪表计测面211a与安装于第一仪表安装面311a的两个千分表340接触，使第二仪表计测面212a与安装于第二仪表安装面312a的三个千分表340接触。另外，操作人员OP进行机器人10的移动操作直至上述千分表340的读数在预定范围内。若所有千分表340的读数在预定范围内，则第一仪表计测面211a和第一仪表安装面311a、以及第二仪表计测面212a和第二仪表安装面312a定位成预定的位置及姿势的关系。图8表示相对于第一部件301定位第二部件201直至千分表340的读数落入预定范围内的程度的状态。控制器50存储此时的关节轴J3～J6的位置。控制器50使用上述存储的值能够进行关节轴J3～J6的原点位置的一并校准(步骤S5)。
作为本实施方式的校准部件的第一部件301是具有相互正交的一对仪表安装面亦即第一仪表安装面311a及第二仪表安装面312a的两面构造，第二部件201是具有相互正交的一对仪表计测面亦即第一仪表计测面211a及第二仪表计测面212a的两面构造。通过使用这样的两面构造的校准部件，来实现四个关节轴J3～J6的同时定位。具体而言，通过利用安装于第一仪表安装面311a的两个仪表对第一仪表计测面211a进行测定，能够规定直动轴J3和关节轴J6的位置，通过利用安装于第二仪表安装面312a的三个仪表对第二仪表计测面212a进行测定，能够规定关节轴J4、J5的位置。
如上所述，若对关节轴J3～J6结束一并校准，则对剩余的两个关节轴J1、J2个别地执行单独校准(步骤S6)。
接下来，参照图13至图18对关节轴J1的单独校准进行说明。图13是机器人10的关节轴J1近处的立体图。图14是图13中的测定部件401、501近处的放大图。此处，作为用于测定基座1与连杆L1的相对位置关系的夹具，在基座1的基准面R3固定测定部件401，在连杆L1的基准面R4安装测定部件501。在测定部件401的仪表安装面401a安装千分表340。操作人员OP操作示教操作盘30，使连杆L1绕关节轴J1旋转，并且使测定部件501的仪表测定面501a向测定部件401的仪表安装面401a接近直至千分表340的读数落入预定范围内。由此，测定仪表安装面401a与仪表测定面501a的相对位置关系。在千分表340的读数落入预定范围内时，存储关节轴J1的位置。由此，能够进行关节轴J1的原点位置的校准。
图15是测定部件501的立体图，图16是从图15中的底面侧观察测定部件501的立体图。如图15及图16所示，测定部件501具有安装于连杆L1的基准面的安装壁505、立设于安装壁505的仪表测定壁506、以及支撑仪表测定壁506的支撑壁507。在安装壁505形成有螺纹紧固孔520和定位销孔521，测定部件501经由上述螺纹紧固孔520和定位销孔521正确地定位于连杆L1的基准面R4，之后进行螺纹紧固来固定。仪表测定壁506的图15中跟前侧的面构成仪表测定面501a。
图17是测定部件401的立体图，图18是从图17中的底面侧观察测定部件401的立体图。如图17及图18所示，测定部件401具有安装于基座1的基准面R3的安装壁405、立设于安装壁405的仪表安装壁406、以及支撑仪表安装壁406的支撑壁407。在安装壁405形成有螺纹紧固孔420和定位销孔421，测定部件401经由上述螺纹紧固孔420和定位销孔421正确地定位于基座1的基准面R3，之后进行螺纹紧固来固定。仪表安装壁406的图17中跟前侧的面构成仪表安装面401a。在仪表安装壁406形成有用于安装千分表340的安装孔450。
接着，参照图19～图22对关节轴J2的单独校准进行说明。图19是机器人10的关节轴J2近处的立体图。图20是图19中的测定部件601近处的放大图。此处，作为用于测定连杆L1与连杆L2的相对位置关系的夹具，在连杆L2(臂部件)的基准面R5安装测定部件601。在连杆L1形成有基准面621。在测定部件601的仪表安装面601a安装千分表340。操作人员OP操作示教操作盘30，使连杆L2绕关节轴J2旋转，并使连杆L1的基准面621向测定部件601的仪表安装面601a接近直至千分表340的读数落入预定范围内。由此，测定基准面621与仪表安装面601a的相对位置关系。在千分表340的读数落入预定范围内时，存储关节轴J2的位置。由此，能够进行关节轴J2的原点位置的校准。
图21是测定部件601的立体图，图22是从图21中的背面侧观察测定部件601的立体图。如图21及图22所示，测定部件601具有安装于连杆L2的基准面R5的安装壁605、形成为从安装壁605呈直角地延伸的仪表安装壁606、以及支撑仪表安装壁606的支撑壁607。在安装壁605形成有螺纹紧固孔620和定位销孔621，测定部件601经由上述螺纹紧固孔620和定位销孔621正确地定位于连杆L2的基准面R5，之后进行螺纹紧固来固定。仪表安装壁606的图22中跟前侧的面构成仪表安装面601a。
如上所述，根据本实施方式成为如下结构：即使在机器人是具有直动轴并很难进行所有关节轴的一并校准的结构的情况下，也能对机器人的所有关节轴中的包含直动轴的一部分关节轴进行一并校准，并且对其它关节轴个别地进行单独校准。由此，能够避免产生校准部件变得大型等不良情况，同时能够高效地进行校准。
此外，在上述的实施方式中，对机器人10包含直动轴的情况进行了说明，但对于能够有效地应用本实施方式的校准方法的机器人的结构(即，很难进行所有关节轴的一并校准的机器人的结构)而言，除上述实施方式的情况以外，还有各种例子。
图23示出可适当地应用本实施方式的校准顺序的机器人的另一结构例。在图23所示的机器人10A中，第二个连杆L2形成为较长，若在腕部和基座1A安装校准用的部件(711A、721A)来欲对所有关节轴进行一并校准，则会产生部件(711A、721A)变大的问题。在这样的情况下，也与在上述的实施方式中说明的结构相同，采取在第二连杆L2和腕部安装校准用的夹具701、751来对关节轴J3～J6进行一并校准的方法(图24)。而且，对关节轴J1、J2个别地进行单独校准。由此能够与上述的实施方式相同地提高校准的效率。
图25A～25B示出适当地应用本实施方式的校准顺序的机器人的结构的再一例。图25A～25B所示的机器人10B是七轴机器人。因此，即使在基座1B和连杆L7(腕部)分别安装校准用的部件801、851来将连杆L7(腕部)相对于基座1B进行定位，也如图25A及图25B所示，机器人10B的姿势不唯一确定。在该情况下，无法进行所有关节轴的一并校准。
因此，如图26所示，在连杆L1和连杆L7(腕部)分别安装校准用的部件801A及851A来对关节轴J2～J7这六轴进行一并校准。对关节轴J1个别地进行单独校准。由此，能够与上述的实施方式相同地提高校准的效率。
如上所述，根据本实施方式，即使在机器人具有很难一并校准所有关节轴的构造的情况下，也能够高效地进行关节轴的校准。
综上所述，对本公开的实施方式进行了说明，但本领域技术人员应理解，在不脱离下述的权利要求书的公开范围的情况下，能够进行各种修正及变更。
上述的实施方式构成为，对机器人的所有关节轴中的一部分进行一并校准，并对剩余的关节轴进行单独校准。然而，在机器人的关节轴较多的情况下，也可以采取将所有关节轴分成多个组并对每个组进行一并校准的顺序。
在上述的实施方式中，测定器构成为，在进行一并校准或单独校准时，使用夹具来测定两个连杆间的相对位置关系，但作为测定两个连杆间的相对位置关系的测定器，也有基于用照相机拍摄视觉标记来进行计测之类的视觉方式的结构。

Claims (5)

1.一种机器人校准方法，是校准多关节机器人的臂部前端的位置的方法，上述多关节机器人具备臂部和经由其它关节轴支撑该臂部的基座，上述臂部具有多个连杆及多个关节轴，
上述机器人校准方法的特征在于，包括：
通过测定从上述基座分离并相互连结的三个以上的连杆的两端的第一连杆与第二连杆的相对位置关系，来对上述三个以上的连杆之间的两个以上的关节轴执行一并校准；
通过测定上述基座与连结于上述基座的一个连杆的相对位置关系，来对上述基座与连杆之间的关节轴执行单独校准，或者通过测定上述第一连杆与连结于上述三个以上的连杆的另一个连杆的相对位置关系，来对上述第一连杆与另一个连杆之间的关节轴进行单独校准；以及
基于上述一并校准和上述单独校准来校准上述臂部前端的位置，
执行上述一并校准的上述两个以上的关节轴包含直动轴，
上述三个以上的连杆的一端的上述第一连杆是与上述直动轴对应的连杆。
2.一种机器人校准方法，是校准多关节机器人的臂部前端的位置的方法，上述多关节机器人具备臂部和经由其它关节轴支撑该臂部的基座，上述臂部具有多个连杆及多个关节轴，
上述机器人校准方法的特征在于，包括：
通过测定从上述基座分离并相互连结的三个以上的连杆的两端的第一连杆与第二连杆的相对位置关系，来对上述三个以上的连杆之间的两个以上的关节轴执行一并校准；
通过测定上述基座与连结于上述基座的一个连杆的相对位置关系，来对上述基座与连杆之间的关节轴执行单独校准，或者通过测定上述第一连杆与连结于上述三个以上的连杆的另一个连杆的相对位置关系，来对上述第一连杆与另一个连杆之间的关节轴进行单独校准；以及
基于上述一并校准和上述单独校准来校准上述臂部前端的位置，
在上述第一连杆以及上述第二连杆分别设有第一基准面以及第二基准面，
在上述第一基准面以及上述第二基准面分别安装第一部件以及第二部件，
在上述第一部件安装用于以接触方式测定上述第一基准面和上述第二基准面的相对位置以及相对姿势的仪表，
在上述一并校准中，由上述仪表以接触方式测定上述第二部件相对于上述第一部件的位置以及姿势。
3.一种机器人校准装置，是校准多关节机器人的臂部前端的位置的装置，上述多关节机器人具备臂部和经由其它关节轴支撑该臂部的基座，上述臂部具有多个连杆及多个关节轴，
上述机器人校准装置的特征在于，具备：
第一基准面及第二基准面，其分别设于从上述基座分离并相互连结的三个以上的连杆的两端的第一连杆及第二连杆；
仪表，其以接触方式测定上述第一基准面与上述第二基准面的相对位置及相对姿势；
测定器，其是测定上述基座与连结于上述基座的一个连杆的相对位置关系的测定器，或者是测定上述第一连杆与连结于上述三个以上的连杆的另一个连杆的相对位置关系的测定器；以及
处理器，其基于上述仪表的测定结果和上述测定器的测定结果来校准上述臂部前端的位置，
上述三个以上的连杆之间的两个以上的关节轴包含直动轴，
上述三个以上的连杆的一端的上述第一连杆是与上述直动轴对应的连杆。
4.一种机器人校准装置，是校准多关节机器人的臂部前端的位置的装置，上述多关节机器人具备臂部和经由其它关节轴支撑该臂部的基座，上述臂部具有多个连杆及多个关节轴，
上述机器人校准装置的特征在于，具备：
第一基准面及第二基准面，其分别设于从上述基座分离并相互连结的三个以上的连杆的两端的第一连杆及第二连杆；
仪表，其以接触方式测定上述第一基准面与上述第二基准面的相对位置及相对姿势；
测定器，其是测定上述基座与连结于上述基座的一个连杆的相对位置关系的测定器，或者是测定上述第一连杆与连结于上述三个以上的连杆的另一个连杆的相对位置关系的测定器；以及
处理器，其基于上述仪表的测定结果和上述测定器的测定结果来校准上述臂部前端的位置，
具备安装于上述第一基准面的第一部件和安装于上述第二基准面的第二部件，
上述仪表安装于上述第一部件，测定上述第二部件相对于上述第一部件的位置及姿势。
5.根据权利要求4所述的机器人校准装置，其特征在于，
上述第一部件具有相互正交的一对仪表安装面，
上述第二部件具有相互正交并分别与上述一对仪表安装面对置的一对仪表计测面。
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