JPH08118272A - ロボットのキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットの作用点に装着するキャリブレーシ
ョンプレートの装着再現性の影響を受けることなく正確
なキャリブレーションを行うことのできるロボットのキ
ャリブレーション方法を提供することを目的とする。 【構成】 プレート姿勢認識ステップでキャリブレーシ
ョンプレート６の姿勢を認識した後、作用点移動ステッ
プでプレート６が取付けられた多関節ロボットのアーム
を所定量移動させる。続いて、移動方向算出ステップで
プレート６をカメラによって再度認識し、移動前後の認
識結果に基づいてプレート６の移動方向を算出する。そ
して、取付け角度算出ステップで、先に認識したプレー
ト姿勢と算出したプレート移動方向とに基づいてプレー
トのロボット作用点に対する取付け角度を算出する。さ
らに、キャリブレーション実行ステップでは、算出され
た取付け角度を加味してロボット座標系とカメラ座標系
とのキャリブレーションを実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カメラ等の視覚装置か
らの情報によって処理を行うロボットのキャリブレーシ
ョン方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】人間が行っている組み立て、検査工程を
自動化するためには、人間の目に相当する視覚装置と人
間の手に相当するアクチュエータ、例えばロボットアー
ムとの制御を行わなければならない場合が多い。このよ
うな視覚装置は、主に対象をカメラ（撮像手段）などで
画像として捕らえ、その画像中での位置から対象となる
部品（ワーク）の置かれた空間位置を検出する。

【０００３】このように視覚装置（以下、カメラとす
る）によって位置決めを行うためには、あらかじめカメ
ラのキャリブレーションを行っておく必要がある。つま
り、画像中での位置と空間位置の対応付けを行う事が必
要であり、空間座標内でのカメラの配置されている位
置、姿勢やカメラの焦点距離、アスペクト比などのカメ
ラパラメータを求めておかなければならない。

【０００４】従来、カメラのキャリブレーションは、空
間座標内に置かれた座標値が既知の複数の教示点をカメ
ラで撮像して教示点画像を生成し、各教示点の空間座標
値と当該教示点の画像座標値を用いて、キャリブレーシ
ョンアルゴリズムに基づき演算を行うことで達成され
る。

【０００５】例えば、２次元的（平面上）に分布した教
示点を有するプレート状のキャリブレーションプレート
の姿勢を用いて行うキャリブレーション方法が提案され
ている。このような場合、平面上に教示点を配置したキ
ャリブレーションプレートはカメラの撮像視野内のロボ
ットの基準面、例えば、ロボットのフレーム部分やロボ
ットを固定している固定台等に固定されている。つま
り、前記キャリブレーションプレートは前記ロボットの
作用点との相対位置を維持できるように取付けられてい
る。そして、カメラで撮影した教示点の画像と実際のキ
ャリブレーションプレートの教示点との比較を行うこと
によって上述した各パラメータを決定し、ロボットはカ
メラによってワークの位置を正確に認識し、組み立て作
業等を良好に行うことができる。

【０００６】本来、キャリブレーションプレートの取り
付け位置は上述した条件を満たせば任意であるが、近年
の産業用ロボットの小型化とキャリブレーション等の補
助作業の効率化の要求に伴って、狭い範囲で効率よくキ
ャリブレーションを行うことが要望され、また、キャリ
ブレーションを高精度に行うためには空間座標系と、画
像座標系の対応関係を実際にロボットが作用する領域に
ついて、特に正確に知る必要があることからキャリブレ
ーションプレートの取り付け位置をロボットの作用点
（ロボットアーム先端のチャック部分等）近傍にするこ
とで装置の小型化、補助作業の効率化、キャリブレーシ
ョンの高精度化が行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、キャリブレー
ションはカメラ交換や配置し直し等、カメラの座標値と
ロボットの座標値が変化した場合のみロボットの稼働前
やメンテナンス時に行われるものである。従って、ロボ
ットの通常運転中には不必要なものであり、ロボットの
動作と共に移動するキャリブレーションプレートはロボ
ットの正常運転の妨げになる。そのため、キャリブレー
ション時以外は取り外すことができるようにキャリブレ
ーションプレートを着脱自在にする必要があるが、その
際に、その取り付け位置は所定の位置に正確に再現しな
ければならない。これができないと、キャリブレーショ
ンプレートの設計データ等を利用した演算中に基準点が
誤差を含むことになり正確なキャリブレーションが行え
ないという問題が発生する。取り付け位置を正確に再現
する手段としてはキーとキー溝を利用することが考えら
れるが、各部材に対して正確な加工が必要になると共
に、正確なキー嵌合作業の困難さや着脱の繰り返しによ
るキーのガタ発生等の問題も発生し、結果的にキャリブ
レーションプレートの装着の再現性を維持することが困
難になり、正確なキャリブレーションを行うことができ
ないという問題がある。

【０００８】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを課題としてなされたものであり、ロボットの作用点
に装着するキャリブレーションプレートの装着再現性の
影響を受けることなく正確なキャリブレーションを行う
ことのできるロボットのキャリブレーション方法を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明のロボットのキャリブレーション方法
は、プレート上に認識マークを有するキャリブレーショ
ンプレートをカメラによって認識しキャリブレーション
を行うロボットのキャリブレーション方法であって、ロ
ボットの作用点に取り付けられたキャリブレーションプ
レートをカメラで認識しプレート姿勢を認識するプレー
ト姿勢認識ステップと、前記キャリブレーションプレー
トが取付けられたロボットの作用点を所定量移動させる
作用点移動ステップと、作用点と共に移動したキャリブ
レーションプレートを前記カメラによって認識し、移動
前後の認識結果に基づいてキャリブレーションプレート
の移動方向を算出する移動方向算出ステップと、前記プ
レート姿勢認識ステップで得たプレート姿勢と移動方向
算出ステップで得た移動方向とに基づいてキャリブレー
ションプレートのロボット作用点に対する取付け角度を
算出する取付け角度算出ステップと、前記取付け角度算
出ステップで得られた取り付け角度を加味してロボット
座標系とカメラ座標系とのキャリブレーションを実行す
るキャリブレーション実行ステップと、を含むことを特
徴とする。

【００１０】

【作用】本発明における構成によれば、プレート姿勢認
識ステップでロボットの作用点に取り付けられたキャリ
ブレーションプレートをカメラで認識しプレート姿勢を
認識した後、作用点移動ステップでキャリブレーション
プレートが取付けられたロボットの作用点を所定量移動
させる。そして、移動方向算出ステップで作用点と共に
移動したキャリブレーションプレートを前記カメラによ
って再度認識し、移動前後の認識結果によりキャリブレ
ーションプレートの移動方向を算出する。さらに、取付
け角度算出ステップで、認識したプレート姿勢と算出し
たプレートの移動方向とに基づいてキャリブレーション
プレートのロボット作用点に対する取付け角度を算出す
る。キャリブレーション実行ステップでは、算出された
取付け角度を加味してロボット座標系とカメラ座標系と
のキャリブレーションを実行する。

【００１１】従って、キャリブレーションを行う毎にキ
ャリブレーションプレートの取付け角度の認識を行うの
で、キャリブレーションプレートの装着再現性の影響を
受けることなく正確なキャリブレーションを行うことの
できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づき
説明する。

【００１３】図１は本発明のキャリブレーション方法を
適応する多関節ロボット１を含むシステム概念図であっ
て、例えば、生産組み立てラインの近傍に配置されるも
のである。図１（ａ）は側面概念図、図１（ｂ）は上面
概念図である。この多関節ロボット（以下、単にロボッ
トという）１は例えば２本のアーム２ａ，２ｂを有し、
該アーム２ｂには部品取り出し位置３に図示しないコン
ベアー等によって供給される部品（ワーク）４を掴み上
げるチャック装置５を有している。キャリブレーション
を行う場合、このチャック装置５にキャリブレーション
プレート（以下、単にプレートという）６が装着され、
該プレート６の上方に配置されたカメラ７によって該プ
レート６が撮像される。前記プレート６は図１（ｂ）に
示すように複数の教示点（本実施例では２４個の円形穴
と１個の楕円穴である（図３（ｂ）参照））を有し、カ
メラ７はその視野内に前記プレート６が入るように配置
されている。また、前記ロボット１と一体または別体に
設けられた制御装置８は、前記ロボットの駆動制御を行
うロボットコントローラ８ａ、前記カメラ７の制御及び
得られた画像の処理を行う画像処理装置８ｂ、キャリブ
レーションアルゴリズム等に従った各種演算を行う演算
部８ｃ、システム全体の制御を行う制御部８ｄ等を有し
ている。

【００１４】以下、図１に加え、図２のフローチャー
ト、図３〜図５の説明図を用いて本発明のキャリブレー
ション方法について詳細に説明する。

【００１５】キャリブレーションを行う場合、まず、ロ
ボットの作用点、本実施例においては、チャック装置５
の側面にプレート６を装着する。このプレート６の装着
は図示しないマグネットや係止金具等によって行う。こ
の場合、プレート６がキャリブレーション演算中及び実
行中にその装着状態が変化しないように維持されれば、
他の方法でもよい。そして、プレート６の固定が確認さ
れると、ロボットコントローラ８ａによってロボット１
のアーム２ａ，２ｂを駆動してプレート６をカメラ７の
直下に移動する（Ｓ１）。この時、図３（ｂ）に示すよ
うにカメラの視野７ａにプレート６全体が入るようにす
る。この初期位置（任意位置）をプレート位置Ａとす
る。そして、画像処理装置８ｂの制御によってカメラ７
でプレート位置Ａでのプレート６を撮像し（Ｓ２）、該
プレート６の図３（ｂ）中右下に設けられた教示点とし
ての円形穴６ａのイメージ座標Ｍ（ｘ0 ，ｙ0 ）及び右
上の楕円穴６ｂのイメージ座標Ｎ（ｘ1 ，ｙ1 ）を算出
する（Ｓ３）。演算部８ｃはプレート位置Ａで得られた
イメージ座標Ｍ（ｘ0 ，ｙ0 ）、イメージ座標Ｎ（ｘ1
，ｙ1 ）を用いてイメージ座標上でのプレート６の姿
勢（装着方向）を算出する（Ｓ４：プレート姿勢認識ス
テップ）。具体的には図５に示すようにベクトルＭＮ
（ｘ1 −ｘ0 ，ｙ1 −ｙ0 ）である。ここで、イメージ
座標とは画像上の各穴の重心位置によって示している。

【００１６】次に、図４（ａ）に示すようにロボットコ
ントローラ８ａによってロボット１のアーム２ａ，２ｂ
を所定方向（例えば、図中Ｙ方向）に所定量（例えば、
イメージ座標Ｍを認識した穴６ａが視野７ａから出ない
程度に定められた量）だけ駆動して、図４（ｂ）に示す
ようにプレート位置Ｂにプレート６を移動させ（Ｓ５：
作用点移動ステップ）、カメラ７でプレート位置Ｂでの
プレート６を撮像し（Ｓ６）、プレート位置Ｂに移動し
た穴６ａのイメージ座標Ｍ´（ｘ2 ，ｙ2 ）を算出する
（Ｓ７）。演算部８ｃは、プレート位置Ａで得られたイ
メージ座標Ｍ（ｘ0 ，ｙ0 ）とイメージ座標Ｍ´（ｘ2
，ｙ2 ）を用いてイメージ座標上でのロボット１の移
動方向を算出する（Ｓ８：移動方向算出ステップ）。具
体的にはベクトルＭＭ´（ｘ2 −ｘ0 ，ｙ2 −ｙ0 ）で
ある。続いて、前記２種のベクトルＭＮ、ベクトルＭＭ
´を用いてイメージ座標上でのプレート６の取付け角度
θを以下のようにベクトルの内積を用いて算出する（Ｓ
９：取付け角度算出ステップ）。

【００１７】

【数１】 このように、プレート６の認識位置（プレート位置Ａ，
Ｂ）に基づいてプレート６の取付け角度を容易に算出す
ることができる。

【００１８】続いて、ロボットコントローラ８ａによっ
てロボット１のアーム２ａ，２ｂを駆動してプレート６
を前記プレート位置Ａに移動し（Ｓ１０）、カメラ７で
プレート位置Ａでのプレート６を再度撮像する（Ｓ１
１）。

【００１９】一方、演算部８ｃではロボットコントロー
ラ８ａが予め認識しているロボットの作用点の現在値座
標、取付け角度算出ステップで算出したプレート６の取
付け角度θ、及びプレート６の教示点（穴６ａ，６ｂ
等）のピッチ等のプレート設計データに基づいてプレー
ト位置Ａでの２５個の教示点（穴６ａ，６ｂ）のロボッ
ト座標Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する（Ｓ１２）。

【００２０】以下、既知にキャリブレーション処理を実
行する。つまり、（Ｓ１１）で撮像したプレート６の画
像を２５個の閉包図形として抽出し、閉包図形重心によ
りイメージ座標ｐ（ｘ，ｙ）を求め、（Ｓ１２）で算出
したロボット座標Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と前記イメージ座標
ｐ（ｘ，ｙ）とからカメラ７とロボット１との座標系の
対応付けを行いキャリブレーション変換行列を求め、プ
レート位置Ａにおけるキャリブレーションを実行する
（Ｓ１３）。

【００２１】なお、本実施例においては、プレート位置
Ａ，Ｂにおける撮像動作と、撮像画面から得られるデー
タ等に基づく演算を対応付けながら順に行う例を示した
が、プレート位置Ａ，Ｂにおける撮像動作を先に行い、
演算動作をまとめて行ってもよい。

【００２２】また、本実施例では２５個の穴状の教示点
を有するキャリブレーションプレートを用いた例を説明
したが、他の形態のキャリブレーションプレートを用い
た場合でも同様なキャリブレーションを行うことができ
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明におけるキャリブレーション方法
によれば、プレート姿勢認識ステップでキャリブレーシ
ョンプレートの姿勢を認識した後、作用点移動ステップ
でキャリブレーションプレートが取付けられたロボット
の作用点を所定量移動させる。続いて、移動方向算出ス
テップ作用点と共に移動したキャリブレーションプレー
トを前記カメラによって再度認識し、キャリブレーショ
ンプレートの移動前後の認識結果に基づいて移動方向を
算出する。そして、取付け角度算出ステップで、先に認
識したプレート姿勢と算出したプレートの移動方向とに
基づいてプレートのロボット作用点に対する取付け角度
を算出する。さらに、キャリブレーション実行ステップ
では、算出された取付け角度を加味してロボット座標系
とカメラ座標系とのキャリブレーションを実行する。

【００２４】従って、キャリブレーションを行う毎にキ
ャリブレーションプレートの取付け角度の認識を行うの
で、キャリブレーションプレートの装着再現性の影響を
受けることなく正確なキャリブレーションを行うことの
できるので、キャリブレーション精度の向上、キャリブ
レーション作業の容易化を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るロボットのキャリブレーション方
法を適応したシステム概念図である。

【図２】本発明に係るロボットのキャリブレーション方
法のフローチャートである。

【図３】本発明に係るロボットのキャリブレーション方
法のステップを説明する説明図である。

【図４】本発明に係るロボットのキャリブレーション方
法のステップを説明する説明図である。

【図５】本発明に係るロボットのキャリブレーション方
法のキャリブレーションプレート取付け角度を算出する
方法を説明する説明図である。

【符号の説明】 １ 多関節ロボット ２ａ，２ｂ アーム ３ 部品取り出し位置 ４ 部品 ５ チャック装置 ６ キャリブレーションプレート ７ カメラ ８ 制御装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プレート上に認識マークを有するキャリ
   ブレーションプレートをカメラによって認識しキャリブ
   レーションを行うロボットのキャリブレーション方法で
   あって、 ロボットの作用点に取り付けられたキャリブレーション
   プレートをカメラで認識しプレート姿勢を認識するプレ
   ート姿勢認識ステップと、 前記キャリブレーションプレートが取付けられたロボッ
   トの作用点を所定量移動させる作用点移動ステップと、 作用点と共に移動したキャリブレーションプレートを前
   記カメラによって認識し、移動前後の認識結果に基づい
   てキャリブレーションプレートの移動方向を算出する移
   動方向算出ステップと、 前記プレート姿勢認識ステップで得たプレート姿勢と移
   動方向算出ステップで得た移動方向とに基づいてキャリ
   ブレーションプレートのロボット作用点に対する取付け
   角度を算出する取付け角度算出ステップと、 前記取付け角度算出ステップで得られた取り付け角度を
   加味してロボット座標系とカメラ座標系とのキャリブレ
   ーションを実行するキャリブレーション実行ステップ
   と、 を含むことを特徴とするロボットのキャリブレーション
   方法。