JP2005271103A - 作業用ロボット及びそのキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
アームと３次元スキャナとの位置関係を容易かつ正確に調整することができる作業用ロボット及びそのキャリブレーション方法を提供することにある。
【解決手段】
アームを用いて、所定の位置に設けられた板状の治具の治具平面の位置情報と、治具平面上の治具原点の位置情報とを取得するアーム情報取得手段と、３次元スキャナを用いて、治具平面をスキャンし、治具平面の点群のデータを取得すると共に、スキャン時のアームの位置情報を取得するスキャナ情報取得手段と、点群のデータから、治具原点と所定の関係を有する治具平面上の法線ベクトルのベクトル情報を取得するベクトル情報取得手段と、治具平面の位置情報、治具原点の位置情報、法線ベクトルのベクトル情報及びスキャン時のアームの位置情報を用いて、アームと３次元スキャナとの位置関係を調整する位置調整手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、作業用のアームに３次元スキャナを備える作業用ロボット及びそのキャリブレーション方法に関する。

最近の作業用ロボットは、作業用ロボットのアームに３次元スキャナを備え、３次元スキャナからの情報により溶接等を行う位置を特定し、アームを駆動させている。溶接等を正確に行うためには、アームと３次元スキャナとの位置関係を把握し、それらの関係を調整するキャリブレーションを行う必要がある。

従来のアームに３次元スキャナを備える作業用ロボットでのキャリブレーションは、キャリブレーションを行うための治具の平面（治具平面）に原点を定めて行っていた。このキャリブレーションを行うために、まず、作業用ロボットのアームを、治具平面上の原点と所定の関係を有する部分に当接させつつ移動させることで、治具平面の情報（ベクトル情報）を得る。次に、作業用ロボットの座標系と同じベクトル上に３次元スキャナを取り付け、治具平面上の原点を３次元スキャナでスキャンする。そして、作業用ロボットの座標系の情報、ベクトル情報及び３次元スキャナの原点の情報によりキャリブレーションを行っていた。
尚、この先行技術は、文献公知に係るものでないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

しかしながら、従来の作業用ロボットのキャリブレーションで、作業用ロボットのアームを治具の表面に正確に当接させつつ移動させることは困難で、慎重に作業を行わざるをえず、キャリブレーションのための情報を取得するのに時間が掛かってしまった。また、正確にアームを移動させることは難しく、キャリブレーションの精度を高めることは困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、アームと３次元スキャナとの位置関係を容易かつ正確に調整することができる作業用ロボット及びそのキャリブレーション方法を提供することにある。

請求項１記載の作業用ロボットは、アームを用いて、所定の位置に設けられた板状の治具の治具平面の位置情報と、治具平面上の治具原点の位置情報とを取得するアーム情報取得手段と、３次元スキャナを用いて、治具平面をスキャンし、治具平面の点群のデータを取得すると共に、スキャン時のアームの位置情報を取得するスキャナ情報取得手段と、点群のデータから、治具原点と所定の関係を有する治具平面上の法線ベクトルのベクトル情報を取得するベクトル情報取得手段と、治具平面の位置情報、治具原点の位置情報、法線ベクトルのベクトル情報及びスキャン時のアームの位置情報を用いて、アームと３次元スキャナとの位置関係を調整する位置調整手段とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の作業用ロボットは、アーム情報取得手段が、アームを治具平面の任意の３点に当接させることにより、治具平面上の３点の情報を取得して治具平面の位置情報を取得し、アームを治具平面上の治具原点に当接させることにより、治具原点の位置情報を取得することを特徴とする。

請求項３記載の作業用ロボットは、スキャナ情報取得手段が、アームを治具原点に当接させた状態で、治具平面のスキャンを行うことを特徴とする。

請求項４記載の作業用ロボットは、３次元スキャナで治具平面上に描かれた２つの円をスキャンして、法線ベクトルのベクトル情報を取得することを特徴とする。

請求項５記載の作業用ロボットのキャリブレーション方法は、アームを用いて、所定の位置に設けられた板状の治具の治具平面の位置情報と、治具平面上の治具原点の位置情報とを取得すると共に、３次元スキャナを用いて、治具平面をスキャンし、治具平面の点群のデータを取得すると共に、スキャン時のアームの位置情報を取得した後、点群のデータから、治具原点と所定の関係を有する治具平面上の法線ベクトルのベクトル情報を取得し、その後、治具平面の位置情報、治具原点の位置情報、法線ベクトルのベクトル情報及びスキャン時のアームの位置情報を用いて、アームと３次元スキャナとの位置関係を調整することを特徴とする。

請求項６記載の作業用ロボットのキャリブレーション方法は、アームを治具平面の任意の３点に当接させることにより、治具平面上の３点の情報を取得して治具平面の位置情報を取得し、アームを治具平面上の治具原点に当接させることにより、治具原点の位置情報を取得することを特徴とする。

請求項７記載の作業用ロボットのキャリブレーション方法は、アームを治具原点に当接させた状態で、治具平面のスキャンを行うことを特徴とする。

請求項８記載の作業用ロボットのキャリブレーション方法は、３次元スキャナで治具平面上に描かれた２つの円をスキャンして、法線ベクトルのベクトル情報を取得することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、３次元スキャナを用いて、治具平面の点群のデータを取得すると共に、スキャン時のアームの位置情報を取得してベクトル情報を取得している。このため、アームを移動させつつ情報を取得する必要が無く、キャリブレーションのための情報を取得する時間を抑え、キャリブレーションの精度の向上が図られる。

請求項２の発明によれば、治具平面上の各点にアームを当接させることで各種の位置情報を取得していることから、アームを移動させつつ情報を取得する場合に比べ、容易で正確に位置情報の取得が可能である。

請求項３の発明によれば、アームを治具原点に当接させた状態で、治具平面のスキャンを行うことで、治具原点の位置情報の取得の回数を１回にすることができ、作業の効率化が図られる。

請求項４の発明によれば、点群データから中心点の位置を算出しやすい２つの円を用いることで、２つの円の中心を通る法線ベクトルの算出が容易で、ベクトル情報の取得を正確かつ迅速に行うことができる。

請求項５の発明によれば、３次元スキャナを用いて、治具平面の点群のデータを取得すると共に、スキャン時のアームの位置情報を取得してベクトル情報を取得している。このため、アームを移動させつつ情報を取得する必要が無く、キャリブレーションのための情報を取得する時間を抑え、キャリブレーションの精度の向上が図られる。

請求項６の発明によれば、治具平面上の各点にアームを当接させることで各種の位置情報を取得していることから、アームを移動させつつ情報を取得する場合に比べ、容易で正確に位置情報の取得が可能である。

請求項７の発明によれば、アームを治具原点に当接させた状態で、治具平面のスキャンを行うことで、治具原点の位置情報の取得の回数を１回にすることができ、作業の効率化が図られる。

請求項８の発明によれば、点群データから中心点の位置を算出しやすい２つの円を用いることで、２つの円の中心を通る法線ベクトルの算出が容易で、ベクトル情報の取得を正確かつ迅速に行うことができる。

以下、本発明の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。本形態で説明する作業用ロボットは、工業製品の溶接や組み立てや塗装等を行う作業用ロボットであって、作業用ロボットのアームに３次元スキャナを備えている。

図１は、本発明に係る作業用ロボットの構成例を示す構成図である。図２は同作業用ロボットのキャリブレーションの様子を示す説明図、図３は治具を示す平面図である。図４は、キャリブレーションの動作を示すフローチャートである。図５はキャリブレーション演算の詳細を示す説明図である。図６は３次元スキャナにより取得した点群を示す説明図、図７はキャリブレーションに必要なパラメータの設定を示す説明図である。図８は、点群によりキャリブレーションの結果を示す説明図である。

図において、作業用ロボット１は、工業製品の溶接、組み立て、塗装等を行うためのロボットであり、３次元的に駆動されるアーム５を備えている。本実施の形態では、アーム５の先端にトーチ６を備える溶接を行う作業用ロボットとして説明する。作業用ロボット１のトーチ５の上端付近のアーム５には、３次元スキャナ７が取り付けられている。３次元スキャナ７は、トーチ６での溶接位置を認識するものであり、作業用ロボット１の目に相当するものである。

作業用ロボット１は、アーム５やトーチ６の位置を自ら把握するロボット座標系を有し、また、同様に３次元スキャナ７もスキャナ座標系を備えている。そして、両者の座標系の情報を取り込んで、実際に溶接作業を制御するためのツール座標系を備えて、作業用ロボット１の制御を行うのが、アーム５及び３次元スキャナ７に接続された演算装置１０である。演算装置１０は、コンピュータで構成され、以下で説明する作業用ロボット１のキャリブレーション及び溶接作業の制御をプログラムによって行う。しかしながら、演算装置１０がコンピュータに限定されるものではなく、ハードウェアの組み合わせや、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで構成させることも可能である。

また、作業用ロボット１のアーム５の作業範囲には、溶接の対象物を固定する固定台１５が配置されている。キャリブレーションを行うためには、この固定台１５の上に、キャリブレーションを行うための治具２０が固定される。

ここで、キャリブレーションとは、アーム５と３次元スキャナ７との位置関係を把握し、それらの関係を調整することであり、３次元スキャナ７で認識した対象物の位置に、トーチ６を正確に誘導するための各座標系のオフセット量の把握とも言い換えることができる。すなわち、このキャリブレーションが正しく行われないと、３次元スキャナ７で認識した対象物の位置にトーチ６が向かわず、正確な溶接ができないことになってしまう。

次に、治具２０について説明する。治具２０は、略長方形の薄板状で、表面の治具平面２１は、平滑で、図３に示すように、大円２２と小円２３とが描かれている。また、かならずしも必須ではないが、直行する２本の線を描いている。尚、この２本が直交する点を治具平面２１上の治具原点ＰＡと定める。但し、この直交する点を必ずしも原点と定める必要はなく、治具平面２１上の任意の点に定めればよい。また、治具２０は、治具平面２１が水平になるように固定する必要は必ずしもない。

次に、作業用ロボット１のキャリブレーションについて説明する。尚、以後の説明において、括弧内の符号は図４のフローチャートの符号に対応している。まず、作業用ロボット１に治具平面２１の必要位置の教示を行う（Ｓ１０１）。教示すべき情報は、治具平面２１が作業用ロボット１にとってどの位置にあるかの治具平面２１の位置情報（３次元情報）と、治具平面２１上の治具原点の位置情報（３次元情報）とである。治具平面２１の位置情報には、治具平面２１の傾き情報も含まれる。すなわち、この教示（Ｓ１０１）は、アーム情報取得手段を構成している。治具平面２１の位置情報を取得するためには、アーム５を治具平面２１の３点に当接させて行う。具体的には、アーム５を直接治具平面２１に当てるのではなく、トーチ６の先端を治具平面２１に当接させることによって行う。また、トーチ６を、トーチ６のダミーとなる棒材に置き換えて行う方がより好ましい。

具体的にトーチ６を当接させる３点は、図３に示すＰ０、Ｐ１及びＰ２である。これらは、治具平面２１上の任意の点であり、特にそれぞれの相互関係は有していない。但し、Ｐ０は、原点ＰＡと同一の点である。そして、アーム５を操作して、各点の位置情報を取得する。尚、取得した情報は、一旦作業用ロボット１内で、ロボット座標系（座標データ）として記憶しておく（Ｓ１０２）。尚、治具平面２１の位置を把握するためには、治具平面２１上の３点の位置情報を取得すれば足りる。すなわち、３点のうち２点が１つの直線上に存在する関係で、残りの１点は、その直線に垂線をおろすことができる関係に必ずなることから、治具平面２１の位置情報であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を把握できることとなるからである。

次に、３次元スキャナ７で治具平面２１をスキャンして、点群のデータを取得する（Ｓ１０３）。すなわち、この点群のデータの取得（Ｓ１０３）は、スキャン情報取得手段を構成している。スキャンする位置は、図３に示すように、トーチ６が治具原点ＰＡに当接した位置である。尚、スキャン時の治具原点ＰＡのトーチ６の位置情報も同時に保存しておく。尚、点群のデータを取得する時のトーチ６の位置は、必ずしも治具原点ＰＡである必要はない。

次に、作業用ロボット１から、演算装置１０に、取得した情報（座標データ）を送信する（Ｓ１０４）。送信された情報の具体例は、図７の上段及び中段に示されているものである。すなわち、スキャン座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ）ロボット座標が、スキャン時のトーチ６の位置情報であり、“指標のロボット座標 Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２”が、治具平面２１に係るアーム５の位置情報である。尚、Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚは、トーチ６の回転角を表す。

また、治具２０の原点と、大円２２の中心２２ａとのオフセット量を演算装置１０に入力する（Ｓ１０５）。尚、このオフセット量は、治具２０作成時に決まる値である。具体的には、図７の下段の“ジグのマーク中心位置オフセット”に示されている値である。

次に、点群の中で、大円２２及び小円２３に該当する部分を手入力で指定する（Ｓ１０６）。そして、キャリブレーション演算を実施する（Ｓ１０７）。このキャリブレーション演算（Ｓ１０７）は、位置調整手段を構成している。

次に、キャリブレーション演算の詳細を、図５を参照しながら説明する。まず、上述で得られた位置情報等の情報（図５−Ａ）から、スキャナ座標系での処理を行う（図５−Ｂ）。スキャナ座標系での処理（図５−Ｂ）では、まず、治具２０の大円２２及び小円２３の点群のデータに対してクラスタ処理を実施して、治具平面２１と大円２２及び小円２３を認識し、大円２２の中心２２ａ、小円２３の中心２３ａ及び治具平面２１の座標を取得する（図６参照）。尚、ここでの座標系はスキャナ座標系である。クラスタ処理によって、治具原点ＰＡ（Ｐ０）と、治具平面２１上の大円２２及び小円２３のそれぞれの中心２２ａ，２３ａによって明らかになる治具平面２１上の法線ベクトル２４が算出される。すなわち、この法線ベクトル２４の算出は、ベクトル情報取得手段を構成している。そして、法線ベクトル２４の情報や、治具原点ＰＡと大円２２の中心２２ａとのオフセット量を参照して、スキャナ座標系での治具平面２１のローカル座標系（治具平面２１の座標系）と治具原点ＰＡの座標を取得する。さらに、スキャナ座標系と、スキャナ座標系における治具平面２１のローカル座標系との変換マトリクスを作成する。

次に、上述で得られた位置情報等の情報（図５−Ａ）から、ロボット座標系での処理を行う（図５−Ｃ）。ロボット座標系での処理（図５−Ｃ）では、まず、治具平面２１の原点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２から、ロボット座標系での治具平面２１のローカル座標系（治具平面２１の座標系）と治具原点ＰＡ（Ｐ０）の座標を取得する。さらに、ロボット座標系と、ロボット座標系における治具平面２１のローカル座標系との変換マトリクスを作成する。

次に、スキャナ座標系の処理（図５−Ｂ）とロボット座標系の処理（図５−Ｃ）とから、ロボット座標系とスキャナ座標系の変換マトリクスを作成する（図５−Ｄ）。具体的には、ロボット座標系における治具平面２１のローカル座標系とスキャナ座標系における治具平面２１のローカル座標系とが同一の座標系であることを利用して、ロボット座標系とスキャナ座標系の変換マトリクスを作成する。

次に、ロボット座標系とツール座標系の変換マトリクスを作成する（図５−Ｅ）。具体的には、スキャン時のトーチ６の位置情報であるＸ，Ｙ，Ｚ，Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚから、ロボット座標系とツール座標系の変換マトリクスを作成する。

次に、ツール座標系とスキャナ座乗系の変換マトリクスを作成する（図５−Ｆ）。具体的には、ロボット座標系とツール座標系の変換マトリクス及びロボット座標系とスキャナ座標系の変換マトリクスから作成する。ツール座標系とスキャナ座標系とが、ロボット座標系を介して変換可能であることから作成されるものである。この変換マトリクスが、最終的には、アーム５と３次元スキャナ７との位置関係を調整し、３次元スキャナ７からの情報によりアーム５を正確に駆動させるためのものとなる。すなわち、本発明の最終的な目的は、このツール座標系とスキャナ座標系の変換マトリクスにある。

以上のように、３次元スキャナ７を用いて、治具平面２１の点群のデータを取得すると共に、スキャン時のアーム５の位置情報を取得してベクトル情報を取得している。このため、アーム５を移動させつつ情報を取得する必要が無く、キャリブレーションのための情報を取得する時間を抑え、キャリブレーションの精度の向上が図られる。

また、治具平面２１上の各点にアーム５（トーチ６）を当接させることで各種の位置情報を取得していることから、アーム５を移動させつつ情報を取得する場合に比べ、容易で正確に位置情報の取得が可能である。

さらに、アーム５を治具原点ＰＡ（Ｐ０）に当接させた状態で、治具平面のスキャンを行うことで、治具原点の位置情報の取得の回数を１回にすることができ、作業の効率化が図られる。但し、治具原点ＰＡやＰ０でなくても、キャリブレーションは可能である。

さらに、点群データから中心点の位置を算出しやすい２つの円を用いることで、大円２２と小円２３の２つの円の中心を通る法線ベクトル２４の算出が容易で、ベクトル情報の取得を正確かつ迅速に行うことができる。尚、ベクトル情報が取得しやすい図形が治具平面２１に描かれておればよく、必ずしも円である必要はないが、円がより好ましい。

尚、実際にキャリブレーションを行い、図示したのが図８である。図８は、中央に山部を有する２枚の対象物（点群２７ａ及び点群２７ｂ）を３次元スキャナ７でスキャンした点群２７である。そして、キャリブレーションを行った後に、スキャナ座標系で把握した対象物位置２８とツール座標系で把握した溶接する溶接位置２９とを示したものである、対象物位置２８と溶接位置２９とが、ほぼ一致しており、高精度なキャリブレーションが行われたことを示している。

アーム情報取得手段と、スキャナ情報取得手段と、ベクトル情報取得手段と、位置調整手段とを備えるものであれば、ソフトウェアに限ったものではなく、アナログ回路や論理回路の組み合わせであるデジタル回路で実現し適用することができる。

本発明に係る作業用ロボットの構成例を示す構成図である。 同作業用ロボットのキャリブレーションの様子を示す説明図である。 治具を示す平面図である。 キャリブレーションの動作を示すフローチャートである。 キャリブレーション演算の詳細を示す説明図である。 ３次元スキャナにより取得した点群を示す説明図である。 キャリブレーションに必要なパラメータの設定を示す説明図である。 点群によりキャリブレーションの結果を示す説明図である。

符号の説明

１・・・・・・・作業用ロボット
５・・・・・・・アーム
６・・・・・・・トーチ
７・・・・・・・３次元スキャナ
１０・・・・・・演算装置
１５・・・・・・固定台
２０・・・・・・治具
２２・・・・・・大円
２３・・・・・・小円
２４・・・・・・法線ベクトル
２６〜２７・・・点群

Claims (8)

1. 作業用のアームと、該アームに設けられた３次元スキャナとを備える作業用ロボットにおいて、
   該アームを用いて、所定の位置に設けられた板状の治具の治具平面の位置情報と、該治具平面上の治具原点の位置情報とを取得するアーム情報取得手段と、
   該３次元スキャナを用いて、該治具平面をスキャンし、該治具平面の点群のデータを取得すると共に、スキャン時の該アームの位置情報を取得するスキャナ情報取得手段と、
   該点群のデータから、該治具原点と所定の関係を有する該治具平面上の法線ベクトルのベクトル情報を取得するベクトル情報取得手段と、
   該治具平面の位置情報、該治具原点の位置情報、該法線ベクトルのベクトル情報及びスキャン時の該アームの位置情報を用いて、該アームと該３次元スキャナとの位置関係を調整する位置調整手段とを備えることを特徴とする作業用ロボット。
2. 前記アーム情報取得手段は、前記アームを前記治具平面の任意の３点に当接させることにより、該治具平面上の３点の情報を取得して該治具平面の位置情報を取得し、
   該アームを該治具平面上の前記治具原点に当接させることにより、該治具原点の位置情報を取得することを特徴とする請求項１記載の作業用ロボット。
3. 前記スキャナ情報取得手段が、前記アームを前記治具原点に当接させた状態で、前記治具平面のスキャンを行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の作業用ロボット。
4. 前記３次元スキャナで前記治具平面上に描かれた２つの円をスキャンして、前記法線ベクトルのベクトル情報を取得することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の作業用ロボット。
5. 作業用のアームと、該アームに設けられた３次元スキャナとの位置関係を調整する作業用ロボットのキャリブレーション方法において、
   該アームを用いて、所定の位置に設けられた板状の治具の治具平面の位置情報と、該治具平面上の治具原点の位置情報とを取得すると共に、
   該３次元スキャナを用いて、該治具平面をスキャンし、該治具平面の点群のデータを取得すると共に、スキャン時の該アームの位置情報を取得した後、
   該点群のデータから、該治具原点と所定の関係を有する該治具平面上の法線ベクトルのベクトル情報を取得し、
   その後、該治具平面の位置情報、該治具原点の位置情報、該法線ベクトルのベクトル情報及びスキャン時の該アームの位置情報を用いて、該アームと該３次元スキャナとの位置関係を調整することを特徴とする作業用ロボットのキャリブレーション方法。
6. 前記アームを前記治具平面の任意の３点に当接させることにより、該治具平面上の３点の情報を取得して該治具平面の位置情報を取得し、
   該アームを該治具平面上の前記治具原点に当接させることにより、該治具原点の位置情報を取得することを特徴とする請求項５記載の作業用ロボットのキャリブレーション方法。
7. 前記アームを前記治具原点に当接させた状態で、前記治具平面のスキャンを行うことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の作業用ロボットのキャリブレーション方法。
8. 前記３次元スキャナで前記治具平面上に描かれた２つの円をスキャンして、前記法線ベクトルのベクトル情報を取得することを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかに記載の作業用ロボットのキャリブレーション方法。

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