JP2011067889A - キャリブレーション装置及びキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】視覚センサを用いてロボットをキャリブレーションする場合に、構成が簡単で正確かつ容易にキャリブレーションが可能なキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法を提供すること。
【解決手段】アーム部と、前記アーム部の位置及び姿勢を検出する位置検出手段と、前記アーム部の位置及び姿勢を制御する制御部６０とを備えたロボット５のキャリブレーション装置２であって、基準平面部に面内の方向を特定する複数の交差する溝部が形成され、前記溝部のうち交差する２つの溝部のそれぞれの側壁が接続される稜線が前記基準平面部に形成する角部のうち３つを校正点として有するキャリブレーション治具４０と、視覚センサ１２により撮像した前記キャリブレーション治具４０の画像に基づき前記キャリブレーション治具４０の位置及び姿勢を認識する物体認識装置１０とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の自由度を有するアーム部を備えたロボットのキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法に関する。

周知のように、複数の自由度を有するアーム部を備えたロボットは種々の駆動部や伝達部を有しており、これら駆動部や伝達部の製作精度、バックラッシ、経年変化による磨耗等に起因するガタつきにより、例えば、アーム部先端に配置したツールで作業を行なう場合に、ツールの作用点が設定した作業箇所からずれる可能性がある。
また、異なる重量のツールを持ち変える場合や、一つのツールを用いる場合であっても、アーム部の傾きが変化するとアーム部の支点からツールの作用点までの水平距離及び曲げモーメントが変化し、アーム部に発生するたわみが異なることとなりツールの作用点にずれが発生する場合がある。

そのため、アーム部をロボットの基準に対して正確に移動させて所望の作業を正確にさせるためには、ツールの作用点の位置をロボットの基準に対して正確にキャリブレーションする必要があり、その一形態として視覚センサを用いたキャリブレーション手法が用いられる場合がある。

上記のように、視覚センサを用いたキャリブレーション手法として、ロボットと基準治具のキャリブレーションと、視覚センサと基準治具のキャリブレーションをそれぞれ行い、それぞれの座標系を共有させる場合がある。
このようなロボットと基準治具のキャリブレーションにおいて、基準治具に形成された特定点を指示する場合がある（例えば、特許文献１参照）。
また、キャリブレーション用基準治具として、球形治具、丸型治具等が用いられる場合がある（例えば、特許文献２、３、４参照）。

特許第２６８４３５９号公報 特開２００２−３１０６５１号公報 特許第２６８６３５１号公報 特許第４０２０９９４号公報

しかしながら、上記特許文献１から３に記載された基準治具の特定点を、ロボットのアーム部により正確に指示することは非常に困難であり、基準治具が高価になり、又は基準治具に形成するロボット用と３次元測定装置用のそれぞれの特定点に製作精度に起因する相対的な位置の誤差が発生し、キャリブレーションの精度の確保が制約されるという問題があった。
また、特許文献４等に記載される球や円形の基準治具を用いる場合には、単純な校正によってキャリブレーションが可能であるが、方向を特定することができないという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、視覚センサを用いてロボットをキャリブレーションする場合に、構成が簡単で正確かつ容易にキャリブレーションが可能なキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、複数の自由度を有するアーム部と、前記アーム部の位置及び姿勢を検出する位置検出手段と、前記アーム部の位置及び姿勢を制御する制御部とを備えたロボットのキャリブレーション装置であって、基準平面部を有し、前記基準平面部に面内の方向を特定する複数の交差する溝部が形成され、前記溝部のうち交差する２つの溝部のそれぞれの側壁が接続される稜線が前記基準平面部に形成する角部のうち３つを校正点として有するキャリブレーション治具と、視覚センサにより撮像した前記キャリブレーション治具の画像に基づき前記キャリブレーション治具の位置及び姿勢を認識する物体認識装置と、を備えることを特徴とする。

この発明に係るキャリブレーション装置によれば、基準平面部に形成された複数の溝部により、平面上に３つの校正点が正確に形成されたキャリブレーション治具を用いるので、物体認識装置が視覚センサにより撮像したキャリブレーション治具に基づいて３つの校正点の位置を正確に認識し、３つの校正点とロボットのアーム部の位置及び姿勢を対応させることにより、ロボットのキャリブレーションを容易かつ正確に行うことができる。
また、キャリブレーション治具の構成が簡単であるので、容易に製作することが可能とされ、製造コストを抑制することができる。
なお、視覚センサによる撮像とは、物体が反射した光（赤外線及び紫外線を含む）を取り込んで、電気信号に変換することをいい、例えば、スキャンニングによる画像の逐次取得の他、ＣＣＤカメラによる画像の同時取得を含むものとする。

また、本発明は、請求項１に記載のキャリブレーション装置であって、前記キャリブレーション治具は、前記基準平面部の非対称な位置に互いに交差する２つの溝部が形成されていることを特徴とする。

この発明に係るキャリブレーション装置によれば、キャリブレーション治具が、基準平面部の非対称な位置に互いに交差する２つの溝部を形成して構成されているので、キャリブレーション治具の方向を正確に認識し、３つの校正点の位置を正確かつ容易に認識することができる。
また、キャリブレーション治具に３つの校正点を容易に形成することができる。

また、本発明は、複数の自由度を有するアーム部と、前記アーム部の位置及び姿勢を検出する位置検出手段と、前記アーム部の位置及び姿勢を制御する制御部とを備えたロボットのキャリブレーション方法であって、基準平面部を有し、前記基準平面部に面内の方向を特定する複数の交差する溝部が形成され、前記溝部のうち交差する２つの溝部のそれぞれの側壁が接続される稜線が前記基準平面部に形成する角部のうち３つを校正点として有するキャリブレーション治具と、視覚センサにより撮像した物体の画像に基づき前記物体の位置及び姿勢を認識する物体認識装置とを設け、前記視覚センサにより前記キャリブレーション治具を撮像した画像を前記物体認識装置に入力し、前記３つの校正点を前記ロボットにより指示し、前記物体認識装置が認識した前記３つの校正点の位置と、前記位置検出手段が検出した前記３つの校正点の位置とを対応させることを特徴とする。

この発明に係るキャリブレーション方法によれば、視覚センサにより撮像して物体認識装置に入力して３つの校正点の位置を認識し、この３つの校正点と、ロボットがキャリブレーション治具の３つの校正点を指示した際のロボットの位置及び姿勢を対応させるので、ロボットを容易かつ正確にキャリブレーションすることができる。

また、本発明は、複数の自由度を有するアーム部と、前記アーム部の位置及び姿勢を検出する位置検出手段と、前記アーム部の位置及び姿勢を制御する制御部とを備えたロボットのキャリブレーション方法であって、 基準平面部を有し、前記基準平面部に面内の方向を特定する複数の交差する溝部が形成されたキャリブレーション治具と、視覚センサにより撮像した物体の画像に基づき前記物体の位置及び姿勢を認識する物体認識装置とを設け、前記キャリブレーション治具を前記アーム部の先端に配置し、前記キャリブレーション治具を前記視覚センサにより撮像して、前記視覚センサが撮像した画像を前記物体認識装置に入力して得た前記キャリブレーション治具の位置及び姿勢と、前記視覚センサが撮像した際に前記位置検出手段が検出した前記ロボットの位置及び姿勢とを対応させることを特徴とする。

この発明に係るキャリブレーション方法によれば、アーム部の先端に配置されたキャリブレーション治具を撮像して認識されるキャリブレーション治具の位置及び姿勢と、視覚センサによりキャリブレーション治具を撮像した際のロボットの位置及び姿勢を対応させるので、ロボットを容易かつ正確にキャリブレーションすることができる。ロボットとキャリブレーション治具との相対的位置が既知である場合には、視覚センサがキャリブレーション治具を一度撮像することにより、ロボットを容易かつ正確にキャリブレーションすることができる。
その結果、ロボットが作動中であっても、ロボットを容易かつ正確にキャリブレーションすることができる。

また、本発明は、請求項４に記載のキャリブレーション方法であって、前記キャリブレーション治具と前記アーム部との相対位置が未知の場合に、前記アーム部の位置、姿勢を異ならせて前記視覚センサにより前記キャリブレーション治具を３回撮像することを特徴とする。

この発明に係るキャリブレーション方法によれば、アーム部とキャリブレーション治具との相対的位置が未知の場合でも、ロボットの位置、姿勢を異ならせてキャリブレーション治具を３回撮像するので、ロボットによりキャリブレーション治具を指示することなく、容易かつ正確にキャリブレーションすることができる。
その結果、ロボットが作動中であっても、ロボットを容易かつ正確にキャリブレーションすることができる。

この発明に係るキャリブレーション装置によれば、ロボットのキャリブレーションを容易かつ正確に行うことができる。また、キャリブレーション治具の構成が簡単であるので、容易に製作することが可能とされ、製造コストを抑制することができる。
また、この発明に係るキャリブレーション方法によれば、ロボットを容易かつ正確にキャリブレーションすることができる。

本発明の第１の実施形態に係るロボットシステムの概略構成を示す図である。 第１の実施形態に係る三次元レーザレーダの構成を示す図である。 第１の実施形態に係るキャリブレーション治具を示す斜視図である。 第１の実施形態に係るロボットの概略構成を示す図である。 第１の実施形態に係るキャリブレーションの手順の一例を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係るロボットシステムの概略構成を示す図である。 第２の実施形態に係るキャリブレーション手順の一例を示すフロー図である。

以下、図１を参照し、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係るロボットシステムの一例を示す概略構成図であり、符号１はロボットシステムを示している。
ロボットシステム１は、キャリブレーション装置２と、アーム型ロボット（ロボット）５とを備え、キャリブレーション装置２が出力したキャリブレーション信号が、ロボット５の制御部６０に入力されるようになっている。

キャリブレーション装置２は、三次元レーザレーダ（物体認識装置）１０と、キャリブレーション治具４０とを備えている。
図２は、三次元レーザレーダ１０の概略構成を示す図である。
三次元レーザレーダ１０は、図２に示すように、レーダヘッド（視覚センサ）１２と、信号処理部２０とを備えており、アーム型ロボット５とは独立した位置に配置され、キャリブレーション治具４０等の計測対象物を撮像可能とされている。
また、レーダヘッド１２が撮像した画像からキャリブレーション治具４０等の計測対象物までの距離を計測し、計測対象物上の特定の点を、例えば、レーダヘッド設置位置を原点とする三次元空間データ（ｘ，ｙ，ｚ）に変換して、ロボット５の制御部６０に出力するようになっている。

レーダヘッド１２は、図２に示すように、レーザダイオード１３から発振したパルスレーザ光Ｌ１を、投光レンズ１４で平行光Ｌ２とし、ミラー１８ａ、１８ｂと回転、揺動するポリゴンミラー１５で二次元方向に走査して、測定対象物に照射するようになっている。また、測定対象物に照射して反射されたパルスレーザ光Ｌ３は、ポリゴンミラー１５を介して受光レンズ１６で集光され、光検出器１７で電気信号に変換するようになっている。

信号処理部２０は、時間間隔カウンタ２１と、信号処理ボード２２と、判定処理ユニット２３とを備えている。
時間間隔カウンタ２１は、レーザダイオード１３のパルス発振タイミングと同期したスタートパルスＰ４と、光検出器１７から出力されたストップパルスＰ５の時間間隔を計測するようになっている。

信号処理ボード２２は、反射光が検出された時点の時間間隔ｔ、ポリゴンミラー１５の回転角度θ、揺動角度φを極座標データ（ｒ，θ，φ）として出力するようになっている。ここで、ｒは計測位置（レーダヘッド設置位置）を原点とする距離であり、数式ｒ＝ｃ×ｔ／２で求められる。なお、ｃは光速である。
判定処理ユニット２３は、信号処理ボード２２からの極座標データを、レーダヘッド設置位置を原点とした三次元空間データ（ｘ，ｙ，ｚ）に変換するようになっている。
なお、必要に応じて、レーダヘッド１２に加え、オドメータ、カメラ、ＧＰＳ、姿勢センサを用いて、物体認識精度を向上させてもよい。

キャリブレーション治具４０は、図３に示すように、略直方体とされた治具本体４１のひとつの面に基準平面部４２が形成され、基準平面部４２には、基準平面部４２の中心からはずれた位置に基準平面部４２において非対称とされ、互いに直交（交差）する２つのＶ溝、第１溝部（溝部）４３と第２溝部（溝部）４４が形成されている。

第１溝部４３と、第２溝部４４とが交差する箇所は、第１溝部４３の側壁部と第２溝部４４の側壁部の接続される部分に４つの稜線部４５が形成され、この稜線部４５が基準平面部に形成する４つの角部のうち、３つの角部が第１校正点４６Ａ、第２校正点４６ｂ、第３校正点４６Ｃとされている。したがって、第１校正点４６Ａ、第２校正点４６ｂ、第３校正点４６Ｃは、基準平面部４２と同一平面上に配置されている。

アーム型ロボット５は、図４に示すように、６つの自由度を有するロボット本体５１と、ロボット本体５１の位置及び姿勢を制御する制御部６０とを備えており、制御部６０からの制御信号によってロボット本体５１の位置及び姿勢が制御可能とされている。

ロボット本体５１は、ロボット本体ベース５１Ｂと、このロボット本体ベース５１Ｂの上部に配置され、鉛直軸Ｊ１周りに水平面上にて矢印Ｒ１方向に回動可能とされるベース回転部５２と、ベース回転部５２の上部に連接される第１アーム部５３と、第１アーム部５３に連接される第２アーム部５４と、第２アーム部５４に連接される手首部５５と、第１アーム部５３、第２アーム部５４、手首部５５の位置及び姿勢を検出するために、例えば、６つのエンコーダからなる位置検出手段（図示せず）と、第１アーム部５３、第２アーム部５４、手首部５５の位置及び姿勢を変化させるための駆動部（図示せず）とを備えている。

第１アーム部５３は、水平に配置された軸Ｊ２によりベース回転部５２と接続されるとともにこの軸Ｊ１廻りにベース回転部５２に対して矢印Ｒ２方向に回動自在とされている。
また、第２アーム部５４は、その基端部が水平に配置された軸Ｊ３により第１アーム部５３と接続されて、第１アーム部５３と第２アーム部５４との間は関節構造とされている。その結果、第２アーム部５４は、第１アーム部５３に対して軸Ｊ３廻りに矢印Ｒ３方向に回動自在とされている。

手首部５５は、基端部が第２アーム部５４の先端側に接続され、第２アーム部５４に形成された回動軸Ｊ４廻りに、第２アーム部５４に対して矢印Ｒ４方向に回動可能とされている。
また、手首部５５は、回転軸Ｊ４と直交する回動軸Ｊ５廻りに、矢印Ｒ５方向に回動可能とされるとともに、回転軸Ｊ５と直交する回転軸Ｊ６周りにＲ６方向に回転可能とされている。
また、手首部５５の先端側には、ロボット５が所定の作業をするためのツール５８が取り付けられるようになっている。

制御部６０は、例えば、図４に示すように、入力部６１と、メモリ６２と、演算部６３と、出力部６４と、これら相互のデータ等を通信するための通信線６５とを備えている。

入力部６１は、例えば、図示しないキーボード等のデータ入力機器を有して演算部６３に設定等を出力するとともに、ロボット本体５１の第１アーム部５３、第２アーム部５４、手首部５５の位置及び姿勢を検出する６つのエンコーダ及び三次元レーザレーダ１０の信号処理部２０と接続されている。
その結果、各エンコーダから、第１アーム部５３、第２アーム部５４、手首部５５の位置及び姿勢データと、三次元レーザレーダ１０が認識、出力したキャリブレーション治具４０の３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃの座標データが入力されるようになっている。

メモリ６２には、入力部６１を介して入力された６つのエンコーダが検出した第１アーム部５３、第２アーム部５４、手首部５５の位置及び姿勢データ、三次元レーザレーダ１０が認識した３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃの座標データ等が一時的に格納され、演算部６３が必要に応じて取り出して算出するとともに、その結果を、必要に応じて格納するようになっている。

演算部６３は、例えば、メモリ６２のＲＯＭに格納されたプログラムを読み込んで実行し、出力部６５を介して、ロボット本体５１の第１アーム部５３、第２アーム部５４、手首部５５の駆動源に出力し、これら第１アーム部５３、第２アーム部５４、手首部５５を所定の位置及び姿勢に制御するようになっている。

また、演算部６３は、ロボット本体５１がキャリブレーション治具４０の各校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを指示した際に各エンコーダが検出する第１アーム部５３、第２アーム部５４、手首部５５の位置及び姿勢データを、三次元レーザレーダ１０から入力された各校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃに対応させることにより、ロボット本体５１をキャリブレーションするようになっている。
なお、第１の実施形態において、曲座標から三次元空間座標への変換は、同時変換行列等、周知の演算手段を適用することができるものとする。

次に、図５を参照して、ロボットシステム１のキャリブレーション手順について説明する。
図５は、ロボットシステム１において、ロボット５をキャリブレーションする手順の一例を示すフロー図である。
キャリブレーションに際し、ロボットシステム１の所定の位置にキャリブレーション治具４０を配置する。キャリブレーション治具４０を配置する位置は、ロボットシステム１における既知の位置でもよいし、未知の位置でもよい。

（１）まず、レーダヘッド１２により、キャリブレーション治具４０を撮像する（Ｓ１）。
このとき、時間間隔カウンタ２１がレーザダイオード１３のパルス発振タイミングと同期したスタートパルスＰ４と、光検出器１７から出力されたストップパルスＰ５の時間間隔を計測する

（２）レーダヘッド１２により撮像した画像を、信号処理部２０に入力し、レーダヘッド１２の設置位置を原点としたセンサ座標系の三次元空間データ（Ｘ_Ｓ、Ｙ_Ｓ、Ｚ_Ｓ）に変換する（Ｓ２）。このとき、信号処理部２０において、以下の１）、２）の処理をする。

１）信号処理ボード２２が、３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃについて、反射光Ｌ３が検出された時点の時間間隔ｔ、ポリゴンミラー１５の回転角度θ、揺動角度φを、極座標データ（ｒ，θ，φ）として出力する。

２）判定処理ユニット２３が、信号処理ボード２２からの３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃに係る極座標データを、センサ座標系の三次元空間データ（Ｘ_ＳＡ、Ｙ_ＳＡ、Ｚ_ＳＡ）、（Ｘ_ＳＢ、Ｙ_ＳＢ、Ｚ_ＳＢ）、（Ｘ_ＳＣ、Ｙ_ＳＣ、Ｚ_ＳＣ）に変換する。ここで、三次元空間データ（Ｘ_ＳＡ、Ｙ_ＳＡ、Ｚ_ＳＡ）、（Ｘ_ＳＢ、Ｙ_ＳＢ、Ｚ_ＳＢ）、（Ｘ_ＳＣ、Ｙ_ＳＣ、Ｚ_ＳＣ）は、３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃと、この順に対応している。

（３）三次元レーザレーダ１０は、判定処理ユニット２３が変換した３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃに係る三次元空間データ（Ｘ_ＳＡ、Ｙ_ＳＡ、Ｚ_ＳＡ）、（Ｘ_ＳＢ、Ｙ_ＳＢ、Ｚ_ＳＢ）、（Ｘ_ＳＣ、Ｙ_ＳＣ、Ｚ_ＳＣ）をロボット５の制御部６０に出力する。
制御部６０において、演算部６３は入力部６１を介して入力されたセンサ座標系の三次元空間データ（Ｘ_ＳＡ、Ｙ_ＳＡ、Ｚ_ＳＡ）、（Ｘ_ＳＢ、Ｙ_ＳＢ、Ｚ_ＳＢ）、（Ｘ_ＳＣ、Ｙ_ＳＣ、Ｚ_ＳＣ）をメモリ６２に格納する（Ｓ３）。

（４）次に、ロボット本体５１を操作し、例えば、３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを、ロボット本体５１との相対的位置が既知とされたツール５８により順次指示し、その際に６つのエンコーダが検出したロボット本体５１の位置及び姿勢データ（ｅ１Ａ、ｅ２Ａ、ｅ３Ａ、ｅ４Ａ、ｅ５Ａ、ｅ６Ａ）、（ｅ１Ｂ、ｅ２Ｂ、ｅ３Ｂ、ｅ４Ｂ、ｅ５Ｂ、ｅ６Ｂ）、（ｅ１Ｃ、ｅ２Ｃ、ｅ３Ｃ、ｅ４Ｃ、ｅ５Ｃ、ｅ６Ｃ）を、入力部６１を介してメモリ６２に格納する（Ｓ４）。

ここで、エンコーダにより検出される位置及び姿勢は、各回転軸Ｊ１からＪ６の回転角度と既知の各回転軸Ｊ１、・・・、Ｊ６間の距離により表されるものである。
また、（ｅ１Ａ、ｅ２Ａ、ｅ３Ａ、ｅ４Ａ、ｅ５Ａ、ｅ６Ａ）、（ｅ１Ｂ、ｅ２Ｂ、ｅ３Ｂ、ｅ４Ｂ、ｅ５Ｂ、ｅ６Ｂ）、（ｅ１Ｃ、ｅ２Ｃ、ｅ３Ｃ、ｅ４Ｃ、ｅ５Ｃ、ｅ６Ｃ）は、それぞれ、３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを指示した際の回転軸Ｊ１からＪ６と順と対応している。

（５）演算部６３は、センサ座標系の三次元空間データ（Ｘ_ＳＡ、Ｙ_ＳＡ、Ｚ_ＳＡ）、（Ｘ_ＳＢ、Ｙ_ＳＢ、Ｚ_ＳＢ）、（Ｘ_ＳＣ、Ｙ_ＳＣ、Ｚ_ＳＣ）を、ロボット本体５１を基準とするロボット座標系の三次元空間データ（Ｘ_ＲＡ、Ｙ_ＲＡ、Ｚ_ＲＡ）、（Ｘ_ＲＢ、Ｙ_ＲＢ、Ｚ_ＲＢ）、（Ｘ_ＲＣ、Ｙ_ＲＣ、Ｚ_ＲＣ）に変換する（Ｓ５）。
センサ座標系の三次元空間データ（Ｘ_Ｓ、Ｙ_Ｓ、Ｚ_Ｓ）をロボット座標系の三次元空間データ（Ｘ_Ｒ、Ｙ_Ｒ、Ｚ_Ｒ）に変換する場合、例えば、変換行列等による周知の変換手法を適用することができる。

（６）演算部６３は、３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃのロボット座標系の三次元空間データ（Ｘ_ＲＡ、Ｙ_ＲＡ、Ｚ_ＲＡ）、（Ｘ_ＲＢ、Ｙ_ＲＢ、Ｚ_ＲＢ）、（Ｘ_ＲＣ、Ｙ_ＲＣ、Ｚ_ＲＣ）と、エンコーダの位置及び姿勢データ（ｅ１Ａ、ｅ２Ａ、ｅ３Ａ、ｅ４Ａ、ｅ５Ａ、ｅ６Ａ）、（ｅ１Ｂ、ｅ２Ｂ、ｅ３Ｂ、ｅ４Ｂ、ｅ５Ｂ、ｅ６Ｂ）、（ｅ１Ｃ、ｅ２Ｃ、ｅ３Ｃ、ｅ４Ｃ、ｅ５Ｃ、ｅ６Ｃ）に基づいて、ロボット座標系とエンコーダ座標系の変換式（例えば、変換行列）を求める（Ｓ６）。

（７）ロボット座標系とエンコーダ座標系の変換式（例えば、変換行列）を求めたら、ロボット５のキャリブレーションを終了する。

キャリブレーション装置２によれば、ロボット５のキャリブレーションを容易かつ正確に行うことができる。
また、キャリブレーション治具４０は、構成が簡単であるので、容易に製作することが可能とされ、キャリブレーション治具４０の製造コストを抑制することができる。

次に、図６、図７を参照して、この発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態に係るロボットシステム１Ａが、第１の実施形態と異なるのは、キャリブレーション治具４０が、アーム型ロボット５の手首部５５の先端側の所定の位置に、ロボット本体５１との相対的位置が既知の状態で保持されていて、レーダヘッド１２が、キャリブレーション治具４０をロボット本体５１に保持された状態で撮像する点である。その他は、第１の実施形態と同様であるので、同一の符号を付し、説明を省略する。

キャリブレーション治具４０は、ロボット５の基準に対して６つの自由度の動作の全てが反映される部位である手首部５５の先端側、例えば、ツール５８に固定されている。

また、レーダヘッド１２は、ロボット本体５１とは独立して配置されており、キャリブレーション治具４０を撮像可能とされている。
三次元レーザレーダ１０は、ロボット本体５１が、任意に設定された位置で、レーダヘッド１２によりキャリブレーション治具４０を撮像し、ロボット５の制御部６０に撮像したことを示す信号を出力する。

また、三次元レーザレーダ１０は、レーダヘッド１２によりキャリブレーション治具４０を撮像した画像から、キャリブレーション治具４０の位置及び姿勢に関するセンサ座標系のデータ（Ｘ_ＳＤ、Ｙ_ＳＤ、Ｚ_ＳＤ、α_ＳＤ、β_ＳＤ、γ_ＳＤ）を、ロボット５の制御部６０に出力するようになっている。

また、制御部６０は、レーダヘッド１２がキャリブレーション治具４０を撮像したことを示す信号を受けて、そのときのエンコーダの検出データ（ｅ１Ｄ、ｅ２Ｄ、ｅ３Ｄ、ｅ４Ｄ、ｅ５Ｄ、ｅ６Ｄ）を、入力部６１を介してメモリ６２に格納するようになっている。
また、演算部６３は、センサ座標系のデータ（Ｘ_ＳＤ、Ｙ_ＳＤ、Ｚ_ＳＤ、α_ＳＤ、β_ＳＤ、γ_ＳＤ）を、ロボット座標系のデータ（Ｘ_ＲＤ、Ｙ_ＲＤ、Ｚ_ＲＤ、α_ＲＤ、β_ＲＤ、γ_ＲＤ）に変換し、ロボット座標系のデータ（Ｘ_ＲＤ、Ｙ_ＲＤ、Ｚ_ＲＤ、α_ＲＤ、β_ＲＤ、γ_ＲＤ）と、エンコーダの検出データ（ｅ１Ｄ、ｅ２Ｄ、ｅ３Ｄ、ｅ４Ｄ、ｅ５Ｄ、ｅ６Ｄ）に基づきロボット座標系とエンコーダ座標系の変換式（例えば、変換行列）を求めるようになっている。

次に、図７を参照して、ロボットシステム１Ａのキャリブレーション手順について説明する。
図７は、ロボットシステム１Ａにおいて、ロボット５をキャリブレーションする手順の一例を示すフロー図である。
キャリブレーションに際し、キャリブレーション治具４０をアーム部５５の先端側のツール５８に配置する。

（１）まず、レーダヘッド１２により、キャリブレーション治具４０を撮像する（Ｓ１１）。
このとき、時間間隔カウンタ２１がレーザダイオード１３のパルス発振タイミングと同期したスタートパルスＰ４と、光検出器１７から出力されたストップパルスＰ５の時間間隔を計測する

（２）レーダヘッド１２により撮像した画像を、信号処理部２０に入力し、レーダヘッド１２の設置位置を原点としたセンサ座標系のキャリブレーション治具４０の位置及び姿勢に関するセンサ座標系のデータ（Ｘ_ＳＤ、Ｙ_ＳＤ、Ｚ_ＳＤ、α_ＳＤ、β_ＳＤ、γ_ＳＤ）に変換する（Ｓ１２）。このとき、信号処理部２０において、以下の１）、２）の処理をする。

１）信号処理ボード２２が、キャリブレーション治具４０の一及び姿勢を反射光Ｌ３が検出された時点の時間間隔ｔ、ポリゴンミラー１５の回転角度θ、揺動角度φを、極座標データ（ｒ，θ，φ）として出力する。

２）判定処理ユニット２３が、信号処理ボード２２からの極座標データを、キャリブレーション治具４０の位置及び姿勢に関するセンサ座標系のデータ（Ｘ_ＳＤ、Ｙ_ＳＤ、Ｚ_ＳＤ、α_ＳＤ、β_ＳＤ、γ_ＳＤ）に変換する。

（３）次に、レーダヘッド１２によりキャリブレーション治具４０を撮像したことを示す信号に基づき、そのときのエンコーダの検出データ（ｅ１Ｄ、ｅ２Ｄ、ｅ３Ｄ、ｅ４Ｄ、ｅ５Ｄ、ｅ６Ｄ）を、入力部６１を介してメモリ６２に格納する（Ｓ１３）。
ここで、エンコーダにより検出される位置及び姿勢は、各回転軸Ｊ１からＪ６の回転角度と既知の各回転軸Ｊ１、・・・、Ｊ６間の距離により表されるものである。
また、エンコーダの検出データ（ｅ１Ｄ、ｅ２Ｄ、ｅ３Ｄ、ｅ４Ｄ、ｅ５Ｄ、ｅ６Ｄ）は、は、それぞれ回転軸Ｊ１からＪ６の回転角と対応している。

（４）三次元レーザレーダ１０は、判定処理ユニット２３が変換したキャリブレーション治具４０の位置及び姿勢に関するセンサ座標系のデータ（Ｘ_ＳＤ、Ｙ_ＳＤ、Ｚ_ＳＤ、α_ＳＤ、β_ＳＤ、γ_ＳＤ）をロボット５の制御部６０に出力する。
制御部６０において、演算部６３は入力部６１を介して入力されたセンサ座標系のキャリブレーション治具４０の位置及び姿勢に関するセンサ座標系のデータ（Ｘ_ＳＤ、Ｙ_ＳＤ、Ｚ_ＳＤ、α_ＳＤ、β_ＳＤ、γ_ＳＤ）をメモリ６２に格納する（Ｓ１４）。

（５）演算部６３は、センサ座標系のデータ（Ｘ_ＳＤ、Ｙ_ＳＤ、Ｚ_ＳＤ、α_ＳＤ、β_ＳＤ、γ_ＳＤ）を、ロボット座標系のデータ（Ｘ_ＲＤ、Ｙ_ＲＤ、Ｚ_ＲＤ、α_ＲＤ、β_ＲＤ、γ_ＲＤ）に変換する（Ｓ１５）。
センサ座標系のデータ（Ｘ_ＳＤ、Ｙ_ＳＤ、Ｚ_ＳＤ、α_ＳＤ、β_ＳＤ、γ_ＳＤ）を、ロボット座標系のデータ（Ｘ_ＲＤ、Ｙ_ＲＤ、Ｚ_ＲＤ、α_ＲＤ、β_ＲＤ、γ_ＲＤ）に変換する場合、例えば、変換行列等による周知の変換手法を適用することができる。

（６）演算部６３は、ロボット座標系のデータ（Ｘ_ＲＤ、Ｙ_ＲＤ、Ｚ_ＲＤ、α_ＲＤ、β_ＲＤ、γ_ＲＤ）と、エンコーダの位置及び姿勢データ（ｅ１Ｄ、ｅ２Ｄ、ｅ３Ｄ、ｅ４Ｄ、ｅ５Ｄ、ｅ６Ｄ）に基づいて、ロボット座標系とエンコーダ座標系の変換式（例えば、変換行列）を求める（Ｓ１６）。

（７）ロボット座標系とエンコーダ座標系の変換式（例えば、変換行列）を求めたら、ロボット５のキャリブレーションを終了する。

第２の実施形態に係るロボットシステム１Ａによれば、ロボット５の手首部５５の先端側の既知の位置にキャリブレーション治具４０が設けられているので、レーダヘッド１２によってキャリブレーション治具を一度撮像することで容易かつ正確にキャリブレーションすることができる。
また、ロボット５がキャリブレーション治具４０を指示しなくてもキャリブレーションが可能とされるので、ロボット５の作動中であっても、容易かつ正確にキャリブレーションすることができる。

なお、第２の実施形態においては、手首部５５の先端側の既知の位置にキャリブレーション治具４０を設けて、キャリブレーション治具４０を撮像してキャリブレーションする場合について説明したが、例えば、キャリブレーション治具４０を手首部５５の先端側の未知の位置に配置した場合に、ロボット本体５１の姿勢を変化させて、異なる３つの姿勢でキャリブレーション治具４０を撮像し、アーム部の姿勢が異なる３つの姿勢における各エンコーダの位置及び姿勢データと、アーム部の姿勢が異なる３つの姿勢における各３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃの三次元空間データとに基づいて、ロボット５をキャリブレーションしてもよい。

なお、この発明は上記第１、第２の実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施形態においては、ロボット本体５１が６自由度の多関節式のアーム型ロボットである場合について説明したが、自由度が６軸以外の多関節式のアーム型ロボットや直交座標型ロボットに適用してもよい。

また、上記実施の形態においては、キャリブレーション治具４０が、略直方体の治具本体４１の基準平面部４２に、直交する２つのＶ溝部を設けて、２つのＶ溝の側壁部が接続されるときの稜線４５と基準平面部４２とにより形成される４つの角部のうち３つの角部を３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃとする場合について説明したが、例えば、３つ以上の溝部を形成して形成される角部のなかから選んだ３つの角部を校正点としてもよい。
また、複数の溝部を交差させる場合に、交差角が９０°以外で交差させてもよい。
また、溝部を基準平面部４２に対して平面視した場合に、一部に曲線部を含む形態としてもよいし、溝部の形態をＶ溝以外としてもよい。

また、上記実施の形態においては、視覚センサがレーダヘッド１２である場合について説明したが、３つの校正点４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃの座標を算出することが可能な、例えば、ＣＣＤカメラを用いたもの等、レーダヘッド１２以外の周知の視覚センサを適用してもよい。

また、上記実施の形態においては、三次元レーザレーダ１０の信号処理部２０がアーム型ロボット５とは別々に配置される場合について説明したが、信号処理部２０を、アーム型ロボット５の制御部６０内部等、任意の位置に配置してもよい。

また、上記実施の形態においては、キャリブレーション治具４０の位置及び姿勢に関するセンサ座標系のデータをアーム型ロボット５に入力し、制御部６０内においてセンサ座標系のデータをロボット座標系のデータに変換する場合について説明したが、センサ座標系からロボット座標系へのデータ変換を、信号処理部２０又は他の演算装置によって演算してもよい。

また、センサ座標系のデータをロボット座標系のデータに変換する際に、センサ座標系のデータを、例えば、絶対座標（アーム型ロボット５が設置されたライン全体の座標等）等に一時的に変換し、その後、ロボット座標系のデータに変換してもよい。

１、１Ａ ロボットシステム
２、２Ａ キャリブレーション装置
５ アーム型ロボット（ロボット）
１０ 三次元レーザレーダ（物体認識装置）
１２ レーダヘッド（視覚センサ）
２０ 信号処理部
４０ キャリブレーション治具
４１ 治具本体
４２ 基準平面部
４３ 第１溝部
４４ 第２溝部
４５ 稜線部
４６ 校正点
４６Ａ 第１校正点
４６Ｂ 第２校正点
４６Ｃ 第３校正点
５１ ロボット本体
５２ ベース回転部
５３ 第１アーム（アーム部）
５４ 第２アーム（アーム部）
５５ 手首部（アーム部）
５６ 位置検出手段
６０ 制御部

Claims (5)

1. 複数の自由度を有するアーム部と、前記アーム部の位置及び姿勢を検出する位置検出手段と、前記アーム部の位置及び姿勢を制御する制御部とを備えたロボットのキャリブレーション装置であって、
   基準平面部を有し、前記基準平面部に面内の方向を特定する複数の交差する溝部が形成され、前記溝部のうち交差する２つの溝部が前記基準平面部に形成する角部のうち３つを校正点として有するキャリブレーション治具と、
   視覚センサにより撮像した前記キャリブレーション治具の画像に基づき前記キャリブレーション治具の位置及び姿勢を認識する物体認識装置と、を備えることを特徴とするキャリブレーション装置。
2. 請求項１に記載のキャリブレーション装置であって、
   前記キャリブレーション治具は、
   前記基準平面部の非対称な位置に互いに交差する２つの溝部が形成されていることを特徴とするキャリブレーション装置。
3. 複数の自由度を有するアーム部と、前記アーム部の位置及び姿勢を検出する位置検出手段と、前記アーム部の位置及び姿勢を制御する制御部とを備えたロボットのキャリブレーション方法であって、
   基準平面部を有し、前記基準平面部に面内の方向を特定する複数の交差する溝部が形成され、前記溝部のうち交差する２つの溝部が前記基準平面部に形成する角部のうち３つを校正点として有するキャリブレーション治具と、
   視覚センサにより撮像した物体の画像に基づき前記物体の位置及び姿勢を認識する物体認識装置と、を設け、
   前記視覚センサにより前記キャリブレーション治具を撮像した画像を前記物体認識装置に入力し、
   前記３つの校正点を前記ロボットにより指示し、
   前記物体認識装置が認識した前記３つの校正点の位置と、前記位置検出手段が検出した前記３つの校正点の位置とを対応させることを特徴とするキャリブレーション方法。
4. 複数の自由度を有するアーム部と、前記アーム部の位置及び姿勢を検出する位置検出手段と、前記アーム部の位置及び姿勢を制御する制御部とを備えたロボットのキャリブレーション方法であって、
   基準平面部を有し、前記基準平面部に面内の方向を特定する複数の交差する溝部が形成されたキャリブレーション治具と、
   視覚センサにより撮像した物体の画像に基づき前記物体の位置及び姿勢を認識する物体認識装置と、を設け、
   前記キャリブレーション治具を前記アーム部の先端に配置し、
   前記キャリブレーション治具を前記視覚センサにより撮像して、前記視覚センサが撮像した画像を前記物体認識装置に入力して得た前記キャリブレーション治具の位置及び姿勢と、前記視覚センサが撮像した際に前記位置検出手段が検出した前記ロボットの位置及び姿勢とを対応させることを特徴とするキャリブレーション方法。
5. 請求項４に記載のキャリブレーション方法であって、
   前記キャリブレーション治具と前記アーム部との相対位置が未知の場合に、前記アーム部の位置、姿勢を異ならせて前記視覚センサにより前記キャリブレーション治具を３回撮像することを特徴とするキャリブレーション方法。

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