JP2017170552A - 位置制御システム - Google Patents
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Abstract
【課題】絶対位置精度に基づく補正を行うことなく、ロボットの位置調整を行う。
【解決手段】位置制御システム11の制御装置13は、ロボット1にエンドエフェクタ2の停止位置を指示する停止指令を送信するように構成される。制御装置13は、停止指令に係る指令位置と、計測装置12によって計測されるエンドエフェクタ2の実現位置との偏差を演算する位置精度算出部23aと、偏差が所定の基準値の範囲内にあるか否かを判定する判定部23bとを備える。また、制御装置13は、偏差が所定の基準値の範囲内にあると判定部により判定されるまで、ロボット1に停止位置に係る停止指令を繰返し送信するように構成される。
【選択図】図3
【解決手段】位置制御システム11の制御装置13は、ロボット1にエンドエフェクタ2の停止位置を指示する停止指令を送信するように構成される。制御装置13は、停止指令に係る指令位置と、計測装置12によって計測されるエンドエフェクタ2の実現位置との偏差を演算する位置精度算出部23aと、偏差が所定の基準値の範囲内にあるか否かを判定する判定部23bとを備える。また、制御装置13は、偏差が所定の基準値の範囲内にあると判定部により判定されるまで、ロボット1に停止位置に係る停止指令を繰返し送信するように構成される。
【選択図】図3
Description
本発明は、ロボットの停止位置の制御を高精度に行うことが可能な位置制御システムに関する。
近年、工場等において生産性を向上させるべく、各種のロボットによる自動化が推進されている。このロボットとしては、例えば多関節アームを備えた多自由度のものが広く普及しており、その先端部に各種のエンドエフェクタを着脱自在に取り付けることで、多様な作業に対応できる構成となっている。
このロボットは、そのアームの長さ、エンドエフェクタの重量、自身の撓み等の影響により、要求された位置・姿勢とは異なる位置・姿勢になり、その精度が悪化し得る。ロボットの位置・姿勢に関する精度を高く維持するには、ロボットの状態が変わる度に、または定期的にキャリブレーション(校正)を行う必要がある。
一般に、ロボットのエンドエフェクタの絶対位置の精度を求める技術をロボットアームのキャリブレーションと呼ぶ。キャリブレーションに係る技術として、特許文献1には、3台のレーザ変位センサと、対象物の互い非平行で且つ互いになす角度が既知である3平面までの距離を同時に計測し得る配置でこれら3台のレーザ変位センサを支持する手段を備えたロボット用計測センサ装置が開示されている。
さらにこの特許文献1には、この計測センサ装置を垂直多関節形のロボットに搭載し、異なる複数のロボット位置において、計測センサ装置を用いて対象物の互いに非平行で且つ互いになす角度が既知である3平面までの距離を計測し、計測データと対象物の3平面の既知の角度関係を表すデータに基づいてセンサ座標系から見た対象物の位置及び姿勢を求めるキャリブレーション方法が開示されている。
従来のキャリブレーション方法は、ロボットの絶対位置精度を正確に求めるものであるが、この方法を例えば垂直多関節形のロボットに適用する場合、その構造上、数十μm〜数mmのような微小な補正を行うことが困難である。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、絶対位置精度を考慮することなく、ロボットの好適な位置調整を実行可能な位置制御システムを提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためのものであり、エンドエフェクタを有するロボットの位置制御を実行する位置制御システムにおいて、前記エンドエフェクタの停止位置を計測する計測装置と、前記計測装置及び前記ロボットを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記ロボットに前記エンドエフェクタの停止位置を指示する停止指令を送信するように構成されており、前記制御装置は、前記停止指令に係る指令位置と、前記計測装置によって計測される前記エンドエフェクタの実現位置との偏差を演算する位置精度算出部と、前記偏差が所定の基準値の範囲内にあるか否かを判定する判定部と、を備え、前記制御装置は、前記偏差が所定の基準値の範囲内にあると前記判定部により判定されるまで、前記ロボットに前記停止指令を繰返し送信するように構成されることを特徴とする。
かかる構成によれば、エンドエフェクタの指令位置と実現位置との偏差を制御装置の位置精度算出部により算出し、判定部によってこの偏差を判定することにより、エンドエフェクタの位置調整を好適に実行できる。すなわち、制御装置は、指令位置と実現位置との偏差が所定の基準値の範囲内にある場合には、この位置調整を完了するが、この偏差が基準値の範囲外にある場合には、この位置調整を継続すべく、停止指令をロボットに送信し続ける。これにより、エンドエフェクタの絶対位置精度に基づく補正を行うことなく、その位置調整を確実に実行できる。
本発明によれば、絶対位置精度に基づく補正を行うことなく、ロボットの位置調整を行うことが可能になる。
以下、本発明に係る位置制御システムを実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
図1乃至図5は、本発明に係る位置制御システムの一実施形態を示す。位置制御(位置調整)の対象となるロボットとしては、例えば垂直多関節形のものが使用される。図1に示すように、ロボット1は、エンドエフェクタ2を接続(連結)可能なカップリング装置3と、このカップリング装置3に連結される第1関節4と、第1関節4に連結される第1アーム5と、第1アーム5を支持する第2アーム6と、第1アーム5と第2アーム6とを連結する第2関節7と、第2アーム6を支持する基台8と、第2アーム6と基台8とを連結する第3関節9とを備える。
本実施形態に係るロボット1は、第1関節4、第2関節7及び第3関節9を利用した6軸制御によりエンドエフェクタ2を三次元的に操作するものであるが、これに限定されるものではなく他の多軸多関節(例えば7軸制御)のものを使用できる。本例に係るロボット1は、基台8における旋回の1軸、第3関節9による第2アーム6の揺動の1軸、第2関節7による第1アーム5の揺動の1軸、第1アーム5の回転の1軸、第1関節4によるエンドエフェクタ2の揺動の1軸、及び先端部におけるエンドエフェクタ2の回転の1軸によりエンドエフェクタ2を操作する。
本実施形態では、このロボット1のカップリング装置3に取り付けられるエンドエフェクタ2として、2枚の鋼板WA,WB(ワーク)を溶接する場合に、これらの位置決めを行う位置決めピンを例示する(以下、エンドエフェクタと位置決めピンとに共通符号2を用いる)。図1に示すように、2枚の鋼板WA,WBには、位置決めのための貫通孔10a,10bが形成されており、位置決めピン2は、各貫通孔10a,10bに挿通されることで、これらの位置決めを行う。
図1に示すように、位置制御システム11は、ロボット1におけるエンドエフェクタ2の位置を計測する計測装置12と、この計測装置12及びロボット1の制御を実行する制御装置13とを備える。
計測装置12は、所定形状の像14を投射する投射装置15と、この像14が投射されるスクリーン16と、このスクリーン16に投射された像14を撮像する撮像装置17とを備える。計測装置12は、この構成に限定されるものではなく、例えばエンドエフェクタ2及びロボット1に取り付けた一又は複数のジャイロセンサにより、エンドエフェクタ2の位置を計測するように構成され得る。
投射装置15は、図1に示すように、ロボット1の任意の位置に固定されるが、可能な限りエンドエフェクタ2に近い位置に設けられることが望ましい。この観点から、投射装置15は、ロボット1の先端部、すなわちカップリング装置3に取り付けられている。また、投射装置15はエンドエフェクタ2に直接設けられてもよい。投射装置15は、光源(図示せず)と、この光源に近接して設けられるスリット18(図2参照)とを有する。
本実施形態において、光源には拡散レーザ光を放射可能なレーザ光源が採用されるが、これに限定されず、LED光源その他の各種光源が利用され得る。本実施形態において、スリット18は十字形状に構成されており、このスリット18を通過した拡散レーザ光は、十字形状の像14となってスクリーン16に投射される。この十字形状の像14は、エンドエフェクタ2の位置を特定するためのものである。このために、予め投射装置15とエンドエフェクタ2との位置関係(例えば距離等)が把握されることが望ましく、そのデータが制御装置13に記録されていることが望ましい。
スクリーン16には、例えばロールスクリーンタイプのものや板状で折り畳みが可能なもの等、搬送が容易なものが採用される。また、スクリーン16は、工場等の天井に懸架されて使用時に下降するように構成されてもよい。このスクリーン16は、ロボット1の位置調整実行時に、このロボット1から所定の距離をおいて設置される。
スクリーン16は、投射装置15による像14が投射される投射面16aを有する。投射面16aは、本実施形態において設定されるロボット1の座標系(直交座標系)において、yz方向に沿う面に対して平行となるように設置されている。
撮像装置17には、CCDカメラ等の各種撮像カメラが使用される。撮像装置17は、スクリーン16全体を撮像可能な位置に設けられる。撮像装置17は、スクリーン16を撮像することにより、投射装置15から投射された像14を撮像し、その画像データとして記憶することができる。また、撮像装置17は、この画像データを制御装置13へと送信できる。
制御装置13は、例えばパーソナルコンピュータにより構成され、CPU、RAM、ROM、HDD、ドライバ、ディスプレイ、入出力インターフェース等の各種ハードウェアを実装している。また、この制御装置13は、ロボット1の動作を制御するNC制御装置に一体に組み込まれてもよい。
図2に示すように、制御装置13は、ロボット1を制御するロボット制御部19と、投射装置15を制御する投射装置制御部20と、撮像装置17を制御する撮像装置制御部21と、各種のプログラム及びデータ等を記憶する記憶部(RAM、ROM、HDD等)22と、各種の演算を行う演算部(CPU等)23とを備える。これらの構成要素18〜22は、バス(図示せず)により相互に接続されている。
ロボット制御部19は、ロボット1に接続されるとともに、演算部23から送信される信号(指令)により、ロボット1の各関節4,7,9を制御し、位置決めピン2による位置決め動作を実行させる。投射装置制御部20は、演算部23から送信される信号(指令)により、投射装置15における光源のオン・オフ制御等を実行する。
撮像装置制御部21は、撮像装置17に接続されるとともに、この撮像装置17により取得された画像データの処理を実行する画像処理部21aを含む。記憶部22は、ロボット1、投射装置15及び撮像装置17を制御するための制御プログラム、ロボット1の位置調整を実行するためのプログラム、各種データテーブル、撮像装置17により取得された画像データ、及びロボット1の識別データ等を格納する。
演算部23は、記憶部22に格納された各種のプログラム及びデータを演算処理することで、ロボット1及び計測装置12に対する制御を実行する。演算部23は、ロボット1及び計測装置12を制御する信号をロボット制御部19、投射装置制御部20及び撮像装置制御部21を介して発信する。
また、演算部23は、記憶部22に格納される位置調整プログラムを実行し、ロボット1の位置調整を行うように構成される。具体的には、演算部23は、位置精度算出部23aと、判定部23bとを備える。
位置精度算出部23aは、エンドエフェクタ2の停止指令に係る停止位置(以下「指令位置」という)と、計測装置12によって計測されるエンドエフェクタ2の停止位置(以下「実現位置」という)との偏差を算出する。
判定部23bは、位置精度算出部23aによって演算されたエンドエフェクタ2の位置精度(偏差)が所定の基準値の範囲内にあるか否かを判定する。基準値としては、ロボット1の繰返し停止精度よりも高い精度の値が設定される。例えば、繰返し停止精度が±0.2mmのロボット1の場合には、基準値は、±0.1mmに設定され得るが、これに限定されるものではない。なお、この繰返し停止精度は、例えばJIS B 8432(ポーズ精度、ポーズ繰返し精度)に準じて算出されるものである。
演算部23は、判定部23bの判定結果に応じて、エンドエフェクタ2の位置調整を継続又は終了させる。すなわち、判定部23bにより偏差が基準値の範囲内にあると判定した場合、制御装置13は、ロボット1の位置調整が完了したものとして、ロボット1を停止させる。判定部23bにより、偏差が基準値の範囲外にあると判定された場合、制御装置13は、調整不十分として、ロボット1の位置調整を継続させる。
以下、演算部23によるロボット1の位置調整に係る原理について図3乃至図5を参照しながら詳細に説明する。
図3に示すように、制御装置13は、ロボット1を制御して、エンドエフェクタ2を所定のループ軌道ROに沿って動作させつつ、所定の位置に停止させるべく、停止指令をこのロボット1に送信する。
停止位置としては、図3において、二点鎖線で示すように、実際に鋼板WA,WBの位置決めを行うことが可能な位置(以下「検査位置」という)と、実線で示すように、検査位置の直前の近傍位置(以下「準備位置」という)との少なくとも二箇所が設定される。制御装置13は、準備位置にエンドエフェクタ2を一時停止させた後、このエンドエフェクタ2を所定の方向に移動させ、検査位置に停止させる。制御装置13は、ロボット1が準備位置及び検査位置にて停止させるために、ロボット1が対応する所定の姿勢(ポーズ)をとるように、ロボット1の各関節4,7,9に含まれるエンコーダに指令を送信する。
図4及び図5は、エンドエフェクタ2が検査位置に停止したときに、撮像装置17によって取得される画像データの例を示す。図4(a)は、指令位置にエンドエフェクタ2が正確に配置された場合において、投射装置15からスクリーン16に投射された像14Aを撮像装置17によって撮像して得た画像データを示す。
図4(a)に示すように、この像14Aは、縦ライン24Aと横ライン25Aとを有する十字形状に構成される。具体的には、この像14Aは、縦ライン24Aの長さLA1と横ライン25Aの長さLA2とが等しく、かつ縦ライン24Aが鉛直方向に沿い、横ライン25Aが水平方向を向いた正十字形状に構成される。
この像14Aは、ロボット1の位置調整を実行する際の基準となるものである(以下、この像を「基準像」という)。本実施形態では、この基準像14Aを含む画像データは、基準画像データとして制御装置13の記憶部22に記憶されている。ロボット1の位置調整を実行する際には、撮像装置17によって取得された検査用の画像データと、この基準画像データ(基準像14A)とが制御装置13の演算部23(位置精度算出部23a)によって比較される。
図4(b)〜(d)及び図5(a)〜(c)は、この比較の例を示すものである。撮像装置17は、ロボット1の位置調整を実行する際に、スクリーン16に投射された検査用の像(以下「検査像」という)14Bに係る画像データを取得する。制御装置13における撮像装置制御部21の画像処理部21aは、検査像14Bに係る画像データを基準画像データの基準像14Aと比較することができるように、画像処理によってこれらの合成画像データを生成する。この合成画像データでは、図4(b)に示すように、基準像14Aと、検査像14Bとの関係が示される(以下、図4(c)(d)及び図5において同じ)。
図4(b)は、検査像14Bが基準像14Aに対して座標系におけるy軸方向(右側)にずれている場合における合成画像データを示す。この場合、検査像14Bは、基準像14Aと同形(合同)であって、これはロボット1の座標系におけるz軸方向の座標位置が基準像14Aと同じである。
この例において、基準像14Aと、検査像14Bとの距離がD1であったとすると、エンドエフェクタ2は、指令位置からy軸方向にこの距離D1だけ離れた位置(実現位置)にあることになる。したがって、この距離D1が判れば、エンドエフェクタ2の指令位置と実現位置との偏差が明らかとなる。
図4(c)は、エンドエフェクタ2の位置(実現位置)が指令位置から座標系におけるz軸方向にずれている場合における、合成画像データの例を示す。この例では、検査像14Bが、基準像14Aよりも座標系のz軸に沿ってずれた位置にある。
この場合、検査像14Bは、基準像14Aと同形(合同)であって、ロボット1の座標系におけるy軸方向の座標位置が基準像14Aと同じであるものとする。本例において、検査像14Bが、基準像14Aよりもz軸方向において距離D2だけ離れていたとすると、この距離D2がエンドエフェクタ2の指令位置と実現位置との偏差として位置精度算出部23aにより算出される。
図4(d)は、エンドエフェクタ2の実現位置が、座標系におけるx軸において指令位置からずれている場合における合成画像データの例を示す。この例では、検査像14Bは、座標系におけるz軸方向及びy軸方向における座標位置が、基準像14Aと同じである。
しかしながら、検査像14Bは、基準像14Aよりも拡大された状態となっている。検査像14Bが基準像14Aと相似である場合には、エンドエフェクタ2の実現位置がx軸方向において、指令位置よりもスクリーン16から離れてずれていることになる。位置精度算出部23aは、基準像14Aと検査像14Bとを比較して、その比率を求めることで、x軸方向において、エンドエフェクタ2の指令位置と実現位置の偏差を演算する。
その他の例として、図5(a)に示すように、検査像14Bが斜めになる場合(基準像14Aに対して角度θで傾斜する場合)や、図5(b)に示すように、検査像14Bにおける縦ライン24Bの長さLB1が基準像14Aにおける縦ライン24Aの長さLA1よりも短くなる場合、図5(c)に示すように、検査像14Bにおける横ライン25Bの長さLB2が基準像14Aにおける横ライン25Aの長さLA2よりも短くなる場合等が挙げられる。演算部23の位置精度算出部23aは、これらの場合においても、検査像14Bを基準像14Aと比較することによって、エンドエフェクタ2における指令位置と実現位置との偏差を算出できる。
以下、上記構成の位置制御システム11を利用して実行される、ロボット1の位置制御方法(位置調整方法)について説明する。
対象となるロボット1には、予め三次元測定機による零点調整(原点調整)が実施される。この際に、位置制御システム11を使用して基準画像データを取得することが望ましい。具体的には、スクリーン16及び撮像装置17を所定位置に配置し、エンドエフェクタ2の検査位置を定め、エンドエフェクタ2をこの検査位置に停止させた状態で、投射装置15からスクリーン16に像14Aを投射する。
このとき、投射面16aに投射された基準像14Aがスクリーン16とともに撮像装置17により撮像され、これによって基準画像データが取得される。この基準画像データ(マスターデータ)は、基準像14Aの形状、この基準像14Aの座標位置等のデータが相互に関連付けられた状態で、制御装置13の記憶部22に保存される。
例えば、ロボット1が一定期間使用された後、位置制御システム11によって、ロボット1の位置調整が実施される。位置制御システム11は、図3に示すように、エンドエフェクタ2を所定のループ軌道ROで繰返し移動させるようにロボット1を制御する。
具体的には、制御装置13は、ロボット制御部19を介してロボット1に制御信号(停止指令)を送信し、エンドエフェクタ2をループ軌道RO上の準備位置に一時停止させた後、少なくとも一軸、例えばツール軸方向(位置決めピン2の軸心方向)にエンドエフェクタ2を移動させ、検査位置にて停止させる。なお、基準画像データを取得したときと同じ所定位置に、スクリーン16及び撮像装置17が設置される。
エンドエフェクタ2が検査位置に停止すると、制御装置13は、検査像14Bを投射するための信号を、投射装置制御部20を介して投射装置15へと送信する。投射装置15は、この信号に従って光源をオンにし、検査像14Bをスクリーン16に向かって投射する。
さらに制御装置13は、スクリーン16に投射された検査像14Bを撮像するための信号を、撮像装置制御部21を介して撮像装置17に送信する。この信号を受信すると、撮像装置17は、スクリーン16の投射面16aに投射された検査像14Bを撮像し、この画像データを画像処理部21aへと送信する。画像処理部21aでは、基準画像データと、取得された検査用の画像データとの合成処理が実行される。これによる合成画像データは、制御装置13の撮像装置制御部21から演算部23へと送信される。
エンドエフェクタ2が指令位置と同位置にある場合、上記の合成処理において、基準像14Aと、検査像14Bとが完全に一致するはずである。しかしながら、エンドエフェクタ2の実現位置が指令位置と異なる場合、取得された検査像14Bは、基準像14Aと一致せず、その位置、形状、大きさ等が基準像14Aとは異なった状態で合成画像データに現れる(図4(b)〜(d)及び図5(a)〜(c)参照)。
この場合、制御装置13は、記憶部22に保存されている位置調整プログラムを演算部23によって起動させ、指令位置と実現位置との偏差を、位置精度算出部23aに算出させる。その後、制御装置13は、算出された偏差を判定部23bに判定させる。偏差が基準値の範囲外であると判定された場合、演算部23は、ロボット1を制御して、エンドエフェクタ2をループ軌道RO上で移動させ、準備位置に一時停止させた後、再び検査位置へと移動させる。
その後、上記と同じように、検査位置に停止したエンドエフェクタ2の画像データの取得、偏差の算出及び判定を実行する。このように、制御装置13は、偏差が基準値の範囲内に入るまで、ロボット1に制御信号(検査位置への停止信号)を繰り返し送信する。偏差が基準値の範囲内にあると判定されると、制御装置13は、ロボット1(エンドエフェクタ2)の位置調整を終了する。
以上のように、本実施形態によれば、エンドエフェクタ2の指令位置と実現位置との偏差を制御装置13の位置精度算出部23aにより算出し、判定部23bによってこの偏差を判定することにより、エンドエフェクタ2の位置調整を好適に実行できる。すなわち、制御装置13は、指令位置と実現位置との偏差が所定の基準値の範囲値内にある場合には、この位置調整を完了するが、この偏差が基準値の範囲外にある場合には、この位置調整を継続すべく、停止指令をロボット1に送信し続ける。これにより、エンドエフェクタ2の絶対位置精度を考慮することなく、相対位置精度を利用してその位置調整を確実に実行できる。
また、判定部23bによる判定の際に、その基準値がロボット1の繰返し位置精度よりも高精度な数値に設定されることで、ロボット1を最良な状態で使用でき、ロボット1の性能を最大限に活用できる。
以上により、本実施形態に係る位置制御システム11を使用しながら製品を製造することで、サイクルタイムの短縮、工程の短縮及び投資額を抑制することが可能になり、その結果、製造コストを大幅に低減できる。
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではない。また、本発明は、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
上記の実施形態では、投射装置15から拡散レーザ光による像14を投射する例を示したが、これに限定されない。例えば、直交座標系に係る一の座標軸(例えば上記の実施形態におけるx軸)において、エンドエフェクタ2の位置ずれが生じないか、又はその位置ずれを無視できるような場合には、拡散レーザ光ではなく、指向性の高いレーザ光による像を投射することが可能である。
上記の実施形態では、投射装置15として十字形状のスリット18を有するもの例示したが、これに限定されない。例えば、投射装置15は、十字形状の遮蔽部材に光を照射することにより、その影を、像14としてスクリーン16に投射(投影)することができる。この場合、光源は、必ずしもロボット1の先端部又はエンドエフェクタ2に固定される必要はなく、ロボット1から離れた位置から拡散レーザ光を遮蔽部材に照射してもよい。
1 ロボット
2 エンドエフェクタ
11 位置制御システム
12 計測装置
13 制御装置
23a 位置精度算出部
23b 判定部
2 エンドエフェクタ
11 位置制御システム
12 計測装置
13 制御装置
23a 位置精度算出部
23b 判定部
Claims (1)
- エンドエフェクタを有するロボットの位置制御を実行する位置制御システムにおいて、
前記エンドエフェクタの停止位置を計測する計測装置と、前記計測装置及び前記ロボットを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ロボットに前記エンドエフェクタの停止位置を指示する停止指令を送信するように構成されており、
前記制御装置は、前記停止指令に係る指令位置と、前記計測装置によって計測される前記エンドエフェクタの実現位置との偏差を演算する位置精度算出部と、前記偏差が所定の基準値の範囲内にあるか否かを判定する判定部と、を備え、
前記制御装置は、前記偏差が所定の基準値の範囲内にあると前記判定部により判定されるまで、前記ロボットに前記停止指令を繰返し送信するように構成されることを特徴とする位置制御システム。
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2016
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