CN115996821A

CN115996821A - 臂式机器人

Info

Publication number: CN115996821A
Application number: CN202080104935.8A
Authority: CN
Inventors: 永田良; 种池崇; 三浦慎也
Original assignee: Fuji Corp
Current assignee: Fuji Corp
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2023-04-21
Anticipated expiration: 2040-10-26
Also published as: CN115996821B; JPWO2022091179A1; WO2022091179A1; JP7713466B2

Abstract

在臂具备相机的臂式机器人利用相机来拍摄多个标记部件，处理拍摄图像而测定其位置。接着，臂式机器人算出测定出的位置相对于多个标记部件的预先确定的基准位置的偏移方向及偏移量，基于偏移方向来判定臂的变形部位。并且，臂式机器人基于算出的偏移量而修正用于通过运动学来控制臂的位置的多个控制参数中的与判定出的变形部位对应的控制参数。

Description

臂式机器人

技术领域

本说明书公开一种臂式机器人。

背景技术

以往，提出了如下的自动教学系统：具备设置于臂的前端部附近的相机和形成多个标记而成的标记板，将标记板配置于机器人的作业区域，经由相机而将多个标记的预定点的坐标值依次以机器人坐标值进行读取(例如，参照专利文献1)。该系统利用相机来拍摄标记，处理标记的图像数据而计测标记的位置。接着，系统计算所计测的标记的位置与预先登记的标记的重心(基准点)的XY方向上的偏移量ΔX、ΔY。系统在计算出的偏移量ΔX、ΔY的任一个大于各自的阈值αx、αy的情况下，直到成为阈值αx、αy以下为止，反复进行以下处理：使机器人的前端部向标记的重心侧微小移动，利用相机计测标记的位置，并计算偏移量ΔX、ΔY。并且，系统在偏移量ΔX、ΔY成为了阈值αx、αy以下时，将此时的位置作为工件坐标值与机器人坐标值的对信息而登记于修正数据表。以后，系统关于全部的标记(35个标记)，反复进行上述处理，将工件坐标值与机器人坐标值的对信息登记于修正数据表。在使机器人实际进行作业的情况下，使用修正数据进行工件坐标值向机器人坐标值的变换，来控制机器人的移动。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平4-4406号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在上述的系统中，在修正数据表中登记工件坐标值与机器人坐标值的对信息。因此，在不同的多个作业位置处使机器人进行作业的情况下，为了良好地维持臂的位置精度，根据作业位置而需要许多修正数据。

本公开的主要目的在于即使在臂产生变形等也能够更良好地维持臂的位置精度的臂式机器人。

用于解决课题的手段

本公开为了达成上述的主要目的而采用了以下的手段。

本公开的臂式机器人具有包含经由关节轴而连结的多个连杆的臂，其主旨在于，上述臂式机器人具备：

相机，安装于上述臂；

多个标记部件；

测定部，利用上述相机来拍摄上述多个标记部件，处理上述多个标记部件的拍摄图像而测定该多个标记部件的位置；

判定部，算出测定出的上述位置相对于上述多个标记部件的预先确定的基准位置的偏移方向及偏移量，并基于所算出的该位置的偏移方向来判定上述臂的变形部位；及

修正部，基于算出的上述偏移量而修正用于通过运动学来控制上述臂的位置的多个控制参数中的与判定出的上述变形部位对应的控制参数。

在本公开的在臂具备相机的臂式机器人中，利用相机来拍摄多个标记部件，处理拍摄图像而测定其位置。接着，臂式机器人算出测定出的位置相对于多个标记部件的预先确定的基准位置的偏移方向及偏移量，基于偏移方向来判定臂的变形部位。并且，臂式机器人基于算出的偏移量而修正用于通过运动学来控制臂的位置的多个控制参数中的与判定出的变形部位对应的控制参数。由此，能够将用于通过运动学来控制臂的位置的多个控制参数中的与变形部位对应的合适的控制参数以合适的量修正。其结果是，能够设为即使在臂产生变形等也能够良好地维持臂的位置精度的臂式机器人。

附图说明

图1是本实施方式的臂式机器人的外观立体图。

图2是示出机器人主体与控制装置的电连接关系的框图。

图3是说明臂式机器人的原始位置和对臂的各连杆设定的连杆坐标系的说明图。

图4是说明臂式机器人的各连杆间的尺寸的说明图。

图5是示出连杆坐标系的坐标变换工序的说明图。

图6是示出连杆参数表的说明图。

图7是示出臂位置修正处理的一例的流程图。

图8是示出在臂以第一变形模式变形的状态下拍摄了标记时的位置偏移方向及位置偏移量的说明图。

图9是示出在臂以第二变形模式变形的状态下拍摄了标记时的位置偏移方向及位置偏移量的说明图。

具体实施方式

接着，一边参照附图一边对用于实施本公开的方式进行说明。

图1是本实施方式的臂式机器人的外观立体图。图2是示出机器人主体与控制装置的电连接关系的框图。臂式机器人10例如对对象物(工件)进行预定的作业，如图所示，具备：机器人主体20、控制机器人主体20的控制装置70及配置于机器人主体20的周围的多个标记部件100。

在本实施方式中，机器人主体20构成为5轴的垂直多关节机器人。如图1所示，该机器人主体20具备：设置于作业台(未图示)的基体21、包含经由关节轴(第一～第五关节轴J1～J5)而串联连接的多个连杆(第一～第五连杆31～35)的臂30及安装于臂30的相机22。

将基体21及第一连杆31(基端连杆)互相连结的第一关节轴J1在铅垂方向上延伸。第一连杆31能够通过第一关节轴J1而相对于基体21以铅垂轴为支点左右转动(水平回旋)。将第一连杆31及第二连杆32互相连结的第二关节轴J2、将第二连杆32及第三连杆33互相连结的第三关节轴J3及将第三连杆33及第四连杆34互相连结的第四关节轴J4分别在水平方向上延伸。第二连杆32、第三连杆33及第四连杆34能够通过对应的关节轴J2、J3、J4而以水平轴为支点上下转动。将第四连杆34及第五连杆35互相连结的第五关节轴J5在与第四关节轴J4正交的方向上延伸。第五连杆35能够通过第五关节轴J5而相对于第四连杆34旋转。另外，在第五连杆35的前端部装配末端执行器E。

在本实施方式中，在第三关节轴J3的输出部件和第三连杆33的根部的紧固部331形成有在该第三关节轴J3的轴向上贯通的多个螺栓孔。如图1所示，第三连杆33的紧固部331通过多个螺栓B向多个螺栓孔插通而以能够相对于第二连杆32转动的方式紧固于第三关节轴J3的输出部件。

在第一～第五关节轴J1～J5配置有驱动对应的关节轴旋转的伺服电动机(第一～第五电动机41～45)和检测对应的伺服电动机的旋转角度Θ1～Θ5的旋转编码器(第一～第五编码器51～55)。

相机22安装于第四连杆34。相机22拍摄对象物(工件)，并将其拍摄图像向控制装置70输出。控制装置70通过处理拍摄图像来识别对象物的位置。另外，在本实施方式中，相机22拍摄标记部件100，并将其拍摄图像向控制装置70输出。控制装置70通过处理拍摄图像来判定臂30是否变形，并基于判定结果来修正臂30的位置。在本实施方式中，标记部件100在机器人主体20的周围在周向上隔开间隔地设置有3个。

如图2所示，控制装置70构成为以CPU71为中心的微处理器，除了CPU71之外，还具备ROM72、HDD73(存储装置)、RAM74、输入输出接口75、作为第一～第五电动机41～45的各驱动电路的放大器61～65等。对于控制装置70，经由对应的放大器61～65而输入来自第一～第五编码器51～55的检知信号即第一～第五关节轴J1～J5的角度Θ₁、Θ₂、Θ₃、Θ₄、Θ₅，经由输入输出接口75而输入来自相机22的拍摄信号(图像)。另外，从控制装置70经由对应的放大器61～65而输出对于第一～第五关节轴J1～J5的第一～第五电动机41～45的驱动电流(驱动信号)。而且，在控制装置70上还连接有鼠标、键盘等输入装置81、显示器等输出装置82。

接着，对这样构成的臂式机器人10的动作进行说明。控制装置70的CPU71首先取得机器人主体20的手尖的目标位置。另外，手尖的目标位置例如通过读入由外部的计算机制作的程序的数据而取得。接着，CPU71通过对手尖的目标位置求解逆向运动学而算出用于使手尖向目标位置移动的第一～第五关节轴J1～J5的角度指令值θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅。接着，CPU71以使由第一～第五编码器51～55检测出的第一～第五关节轴J1～J5的角度Θ₁、Θ₂、Θ₃、Θ₄、Θ₅与第一～第五关节轴J1～J5的角度指令值θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅一致的方式，通过基于角度Θ₁、Θ₂、Θ₃、Θ₄、Θ₅与角度指令值θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅的偏差的反馈控制计算来计算应该从第一～第五电动机41～45输出的转矩即转矩指令Tm1*、Tm2*、Tm3*、Tm4*、Tm5*。并且，CPU71将与转矩指令Tm1*、Tm2*、Tm3*、Tm4*、Tm5*对应的控制信号分别向对应的放大器61～65输出。由此，与转矩指令Tm1*、Tm2*、Tm3*、Tm4*、Tm5*对应的转矩从对应的电动机输出，臂式机器人10的手尖向目标位置移动。

图3是说明臂式机器人的原始位置和对臂的各连杆设定的连杆坐标系的说明图。如图3所示，各连杆的坐标系具有基体坐标系Σ₀和连杆坐标系Σ₁～Σ₅。基体坐标系Σ₀对基体21设定。连杆坐标系Σ₁对第一连杆31(第一关节轴J1)设定。连杆坐标系Σ₂对第二连杆32(第二关节轴J2)设定。连杆坐标系Σ₃对第三连杆33(第三关节轴J3)设定。连杆坐标系Σ₄对第四连杆34(第四关节轴J4)设定。连杆坐标系Σ₅对作为手尖的第五连杆35(第五关节轴J5)设定。各坐标系将第二连杆32、第三连杆33、第四连杆34及第五连杆35呈大致一直线状地延伸的状态设为原始位置。另外，在图3中，X₀、X₁、X₂、X₃、X₄、X₅是各坐标系的X轴。Y₀、Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅是各坐标系的Y轴。Z₀、Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅是各坐标系的Z轴。

图4是说明臂式机器人的各连杆间的尺寸的说明图。图5是示出连杆坐标系的坐标变换工序的说明图。图6是示出在上述的逆向运动学的计算中使用的连杆参数表的说明图。图中，第i连杆(i＝1、2、3、4、5)的各连杆参数a_i-1、b_i-1、d_i-1、α_i、θ_i是用于从坐标系Σ_i-1向坐标系Σ_i变换的参数。在此，a_i-1表示坐标系Σ_i-1的原点与坐标系Σ_i的原点的X_i-1轴方向上的距离。b_i-1表示坐标系Σ_i-1的原点与坐标系Σ_i的原点的Y_i-1轴方向上的距离。α_i表示坐标系Σ_i-1的绕X_i-1轴的旋转角。d_i-1表示使坐标系Σ_i-1绕X_i-1轴旋转了α_i-1后的坐标系Σ_i-1的原点与坐标系Σ_i的原点的Z轴_i方向上的距离。θ_i表示使坐标系Σ_i-1绕X_i-1轴旋转了α_i-1后的绕Z轴_i的旋转角。臂整体的变换矩阵⁰T₅能够使用基于连杆参数表的各坐标系间的关系^i-1T_i(i＝1，2，3，4，5)而通过下式(1)来求出。各坐标系间的关系(矩阵)^i-1T_i能够通过下式(2)来求出。在连杆参数θ_i的dθ₁、dθ₂、dθ₃、dθ₄、dθ₅中包含用于进行第一～第五编码器51～55的原点对准的原点角度偏置，用于算出使手尖向目标位置移动的各关节的角度指令值θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅的上述的逆向运动学包含该原点角度偏置而被求解。

[数1]

⁰T₅＝⁰T₁ ¹T₂ ²T₃ ³T₄ ⁴T₅...(1)

接着，对因臂30与障碍物干涉等而在臂30产生了变形时的动作进行说明。图7是示出由控制装置70的CPU71执行的臂位置修正处理的一例的流程图。

当执行臂位置修正处理时，CPU71首先利用相机22分别拍摄标注于3个标记部件100的上表面的标记M1～M3(步骤S100)。接着，CPU71通过处理拍摄图像来分别测定3个标记M1～M3的位置(步骤S110)。并且，CPU71通过取得各标记M1～M3的预先确定的基准位置与测定出的标记M1～M3的位置的差分来算出测定出的标记M1～M3相对于基准位置的位置偏移方向及位置偏移量(步骤S120)。

接着，CPU71基于各标记M1～M3的位置偏移方向来判定臂30的变形模式(步骤S130)。在本实施方式中，作为臂30的变形模式，定义了例如包括第二连杆32相对于连结第二关节轴J2的中心和第三关节轴J3的中心的线扭转的第一变形模式和第三连杆33在第三关节轴J3的周向上偏移的第二变形模式在内的多个变形模式。在此，第一变形模式主要容易在臂30水平回旋时该臂30与干涉物发生了碰撞的情况下产生。在该情况下，如图8所示，位置偏移方向在以第一关节轴J1为中心的周向上出现。另外，第二变形模式主要容易在将臂30伸展时该臂30与干涉物发生了碰撞的情况下产生。在该情况下，如图9所示，位置偏移方向在以第一关节轴J1为中心的径向上出现。变形模式的判定通过以下来进行：针对臂30的每个变形模式，将由相机22测定的标记M1～M3的位置偏移方向预先通过实验等求出并登记于HDD73(存储装置)，当测定了标记M1～M3的位置偏移方向后，将测定出的位置偏移方向和登记的多个变形模式的方向各自进行比较。由此，在产生了臂30的变形时，能够确定其变形部位。

并且，CPU71若判定为在步骤S120中算出的位置偏移方向与所有变形模式的方向都不一致(在步骤S140中为“否”)，则判定为在臂30未产生能够修正的变形(步骤S150)，不设定用于修正臂30的位置的修正值，并使臂位置修正处理结束。

另一方面，CPU71若判定为在步骤S120中算出的位置偏移方向与任一变形模式的方向一致，则基于在步骤S120中算出的位置偏移量而调整与符合的变形模式对应的连杆参数(步骤S160)，并使臂位置修正处理结束。在本实施方式的臂式机器人10中，在测定出的位置偏移方向与第一变形模式的方向一致的情况下，将第一连杆31的连杆参数dθ₁(参照图6)向消除位置偏移量的方向调整。另外，在位置偏移方向与第二变形模式的方向一致的情况下，将第三连杆33的连杆参数dθ₃(参照图6)向消除位置偏移量的方向调整。由此，即使因与干涉物的碰撞等而在臂30产生变形，通过向与其变形部位对应的方向以与变形量对应的量修正臂30的位置，也能够以较高的精度控制臂30的位置。

在此，对实施方式的主要要素与权利要求书所记载的本公开的主要要素的对应关系进行说明。即，在本实施方式中，第一～第五关节轴J1～J5相当于关节轴，第一～第五连杆31～35相当于连杆，臂30相当于臂，相机22相当于相机，标记部件100和执行臂位置修正处理的步骤S100～S120的处理的控制装置70的CPU71相当于测定部，执行臂位置修正处理的步骤S130、S140的处理的控制装置70的CPU71相当于判定部，执行臂位置修正处理的步骤S160、S170的处理的控制装置70的CPU71相当于修正部。另外，第一连杆31相当于基端的连杆，第二连杆32相当于与基端的连杆连结的连杆，第一关节轴J1相当于铅垂轴。另外，臂30相当于垂直多关节臂，第三连杆33相当于至少1个连杆，紧固部331相当于紧固部。

另外，本公开丝毫不限定于上述的实施方式，只要属于本公开的技术范围就能够以各种方案来实施，这是不言而喻的。

例如，在上述的实施方式中，标记部件100在机器人主体20的周围在周向上隔开间隔地设置3个。但是，标记部件100只要设置于相机22能够拍摄的区域内即可。另外，标记部件100的设置数也可以为4个以上，还可以为2个以下。

在上述的实施方式中，臂30构成为垂直多关节臂，但若是水平多关节臂等多个连杆经由关节轴而连接的臂，则也可以构成为其他的任何类型的多关节臂。另外，关节轴的数量也不限于5个，也可以为4个以下，还可以为6个以上。

如以上说明的那样，本公开的臂式机器人具有包含经由关节轴而连结的多个连杆的臂，其主旨在于，上述臂式机器人具备：相机，安装于上述臂；多个标记部件；测定部，利用上述相机来拍摄上述多个标记部件，处理上述多个标记部件的拍摄图像而测定该多个标记部件的位置；判定部，算出测定出的上述位置相对于上述多个标记部件的预先确定的基准位置的偏移方向及偏移量，并基于所算出的该位置的偏移方向来判定上述臂的变形部位；及修正部，基于算出的上述偏移量而修正用于通过运动学来控制上述臂的位置的多个控制参数中的与判定出的上述变形部位对应的控制参数。

根据本公开的在臂具备相机的臂式机器人，能够将用于通过运动学来控制臂的位置的多个控制参数中的与变形部位对应的合适的控制参数以合适的量修正。其结果是，能够设为即使在臂产生变形等也能够良好地维持臂的位置精度的臂式机器人。

在这样的本公开的臂式机器人中，也可以是，上述臂的多个连杆中的基端的连杆经由铅垂轴而连结于基体，在上述偏移方向包含上述铅垂轴的周向上的成分的情况下，上述判定部判定为与上述基端的连杆连结的连杆发生了变形。这样一来，在臂以铅垂轴为支点回旋时该臂与干涉物发生了干涉的情况下，也能够以较高的精度控制臂的位置。

另外，在本公开的臂式机器人中，也可以是，上述臂是垂直多关节臂，上述垂直多关节臂的上述多个连杆中的至少1个连杆具有通过在与上述关节轴平行的方向上插通的螺栓而紧固于该关节轴的紧固部，在上述偏移方向包含上述铅垂轴的径向上的成分的情况下，上述判定部判定为上述紧固部发生了变形。这样一来，在臂伸展时该臂与干涉物发生了干涉的情况下，也能够以较高的精度控制臂的位置。

而且，在本公开的臂式机器人中，也可以是，上述多个标记部件在上述铅垂轴的周围在周向上隔开间隔地设置。这样一来，能够利用少的标记部件更准确地判定臂的变形部位(位置偏移方向)和变形量(位置偏移量)。

另外，在本公开的臂式机器人中，也可以是，作为上述多个标记部件而设置3个标记部件。这样一来，能够利用较少的标记部件更准确地判定臂的变形部位(位置偏移方向)和变形量(位置偏移量)。

另外，本公开设为了臂式机器人的形态，但也可以设为臂的位置偏移修正方法的形态。

产业上的可利用性

本公开能够利用于臂式机器人的制造产业等。

附图标记说明

10臂式机器人，20机器人主体，21基体，22相机，31第一连杆，32第二连杆，33第三连杆，34第四连杆，35第五连杆，41第一电动机，42第二电动机，43第三电动机，44第四电动机，45第五电动机，51第一编码器，52第二编码器，53第三编码器，54第四编码器，55第五编码器，61～65放大器，70控制装置，71CPU，72ROM，73HDD，74RAM，75输入输出接口(I/F)，81输入装置，82输出装置，100标记部件，M1～M3标记，B螺栓，331紧固部，E末端执行器。

Claims

1.一种臂式机器人，具有包含经由关节轴而连结的多个连杆的臂，所述臂式机器人具备：

相机，安装于所述臂；

多个标记部件；

测定部，利用所述相机来拍摄所述多个标记部件，处理所述多个标记部件的拍摄图像而测定该多个标记部件的位置；

判定部，算出测定出的所述位置相对于所述多个标记部件的预先确定的基准位置的偏移方向及偏移量，并基于所算出的该位置的偏移方向来判定所述臂的变形部位；及

修正部，基于算出的所述偏移量而修正用于通过运动学来控制所述臂的位置的多个控制参数中的与判定出的所述变形部位对应的控制参数。

2.根据权利要求1所述的臂式机器人，其中，

所述臂的多个连杆中的基端的连杆经由铅垂轴而连结于基体，

在所述偏移方向包含所述铅垂轴的周向上的成分的情况下，所述判定部判定为与所述基端的连杆连结的连杆发生了变形。

3.根据权利要求1或2所述的臂式机器人，其中，

所述臂是垂直多关节臂，

所述垂直多关节臂的所述多个连杆中的至少1个连杆具有通过在与所述关节轴平行的方向上插通的螺栓而紧固于该关节轴的紧固部，

在所述偏移方向包含所述铅垂轴的径向上的成分的情况下，所述判定部判定为所述紧固部发生了变形。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的臂式机器人，其中，

所述多个标记部件在所述铅垂轴的周围在周向上隔开间隔地设置。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的臂式机器人，其中，

作为所述多个标记部件而设置3个标记部件。