JP2019000923A - 多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの機構モデルのパラメータを容易に推定可能とする。【解決手段】機構モデルパラメータ推定方法は、計測工程と、推定工程と、を含む。計測工程では、多関節ロボットの先端の部位である第１部位と、前記第１部位と異なる第２部位と、を含む複数の部位の３次元位置を検出可能な計測装置を用いて、当該多関節ロボットに指令値を与えた状態での前記複数の部位のそれぞれの位置を計測する。推定工程では、前記計測工程により得られた計測値と前記指令値とに基づいて、当該多関節ロボットの機構モデルのパラメータを推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、多関節ロボットを表現する機構モデルのパラメータを推定する方法に関する。

一般的に、工場等の施設においてロボットを動作させるには、目的を実現するためのロボットの動作を記述したプログラムを事前に作成する必要がある。この作業は、ティーチングと呼ばれている。ティーチングとして良く知られている方法は、ペンダントと呼ばれる操作装置を人間が操作してロボットを実際に動かし、その動作を、再生可能なプログラムとして記録させるものである。

ロボットが行う作業は複雑化しており、それに応じてティーチングの手間及び時間が増大している。現場に設置されているロボットを用いて（オンラインで）ティーチングを行う場合、その間、工場等の稼動が停止してしまう。そこで、経済的な損失を回避するために、コンピュータにおいて構築される仮想空間においてロボット、周辺装置及びワークの３次元モデルを配置し、仮想のロボットを操作してティーチングを行うことが提案されている（オフラインティーチング）。

オフラインティーチングにおいて、ロボットの３次元モデルは、実際のロボットの設計データに基づいて作成される。しかし、ロボットアームの機械製作誤差や撓み等があるため、オフラインティーチングに用いられる理想的な３次元モデルと、実際のロボットと、の間に不一致が生じることが避けられない。

この点に関し、特許文献１は、ロボットのエンドエフェクタに、ワークのエッジの実測定位置を取得する位置検出センサを備えた構成を開示する。特許文献１において、ロボットは、再生運転時に位置検出センサを用いたスキャン動作を行うことで、ワークの演算上の位置及び姿勢と、実際の位置及び姿勢と、のずれ量を取得し、これに基づいて把持位置の位置及び姿勢を修正する。また、特許文献１では、教示時にスキャン動作を行って得られた教示位置の修正量を作業プログラムに反映し、再生運転時はスキャン動作をしない構成についても言及されている。

国際公開第２００９／０２５２７１号

上記特許文献１は、いわゆるオンライン教示において、実際にロボットを動かしたときのワークの位置及び姿勢を計測して誤差が生じていた場合に修正を行うものである。言い換えれば、特許文献１は、オフラインティーチングに用いられる理想的な３次元モデルと、実際のロボットと、の間に生じる誤差を修正するものではない。

オフラインティーチングに用いられる理想的な３次元モデルと実際のロボットとの誤差を修正するキャリブレーションは、一般的に以下のように行われる。まず、ロボットの機構をモデル化して種々のパラメータを設定する。次に、互いに異なる複数の位置及び姿勢となるようにロボットに指令値を与え、このときの実際のアーム先端の位置と姿勢を計測する。その後、実測値と計算値との差に基づいて、最小２乗法等を用いてパラメータを推定する。

ロボットの機構を、各部品の機械製作誤差や撓み等を考慮した複雑なモデルで表現しようとすると、それを表すパラメータの数が増加することになる。しかし、ロボットアームの先端の位置を計測するだけでは、推定することができるパラメータに限りがあり、複雑なモデルを表現することができない。従って、推定するパラメータを一部に限定して残りの大部分のパラメータは理想値又はカタログ値であるとみなしたり、モデルを簡単なモデルに変更したりせざるを得ない。

このため、従来は、キャリブレーションを行っても絶対位置決め精度を良好に向上させることができなかった。また、簡単なモデルで近似した場合は、計測を行った位置及び姿勢の周辺ではロボットの絶対位置決め精度が良好となっても、そこから少し離れると精度が大きく低下してしまうことがあり、改善の余地が残されていた。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、ロボットの機構モデルのパラメータを容易に推定可能とすることにある。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下のような多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法が提供される。即ち、この機構モデルパラメータ推定方法は、計測工程と、推定工程と、を含む。前記計測工程では、多関節ロボットの先端の部位である第１部位と、前記第１部位と異なる第２部位と、を含む複数の部位の３次元位置を検出可能な計測装置を用いて、当該多関節ロボットに指令値を与えた状態での前記複数の部位のそれぞれの位置を計測する。前記推定工程では、前記計測工程により得られた計測値と前記指令値とに基づいて、当該多関節ロボットの機構モデルのパラメータを推定する。

これにより、複数の部位の３次元位置の情報に基づいて、機構モデルの多くのパラメータを推定することができるので、モデルに近い高精度な位置決めが可能になる。

本発明によれば、ロボットの先端の部位だけではなく他の部位を含めた複数の部位の３次元位置を検出することができるので、ロボットの機構として複雑なモデルを採用することができ、モデルのパラメータを容易に推定することができる。

本発明の一実施形態において、計測装置によって産業用ロボットの複数の部位が計測される様子を示す斜視図。 計測装置の構成を示す機能ブロック図。 機構モデルパラメータの補正を説明する概念図。 複数の部位の位置計測結果に基づいて行われる機構モデルパラメータの推定を説明する概念図。 産業用ロボットが走行軸及びポジショナとともに用いられる場合を示す斜視図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態において、計測装置１によって産業用ロボット６の複数の部位が計測される様子を示す斜視図である。図２は、計測装置１の構成を示す機能ブロック図である。

図１に示す産業用ロボット６は、動作自由度が６である垂直型の多関節ロボットとして構成されている。この産業用ロボット６は、アーム部７と、コントローラ８と、を備える。アーム部７はコントローラ８の指令に基づいて動作し、所定の作業を行うように構成されている。

アーム部７は、ベース台９と、旋回台１０と、第１アーム１１と、第２アーム１２と、旋回アーム１３と、曲げアーム１４と、旋回体１５と、を備える。

ベース台９は、アーム部７の土台として機能する部材であり、床等に固定されている。

旋回台１０は、ベース台９に対し、上下方向の軸を中心にして回転可能に支持されている。

第１アーム１１は、細長い部材として構成されており、その長手方向一側の端部が、旋回台１０に対して回転可能に支持されている。旋回台１０に対する第１アーム１１の回転軸は、旋回台１０の回転軸と直交する面内に位置している。

第２アーム１２は、細長い部材として構成されており、その長手方向一側の端部が、第１アーム１１の先端部に対して回転可能に支持されている。第１アーム１１に対する第２アーム１２の回転軸は、旋回台１０に対する第１アーム１１の回転軸と平行に配置されている。

旋回アーム１３は、細長い部材として構成されており、第２アーム１２の先端部に支持されている。旋回アーム１３は、第２アーム１２の長手方向に沿う軸を中心にして回転可能に構成されている。

曲げアーム１４は、旋回アーム１３の先端部に対して回転可能に支持されている。旋回アーム１３に対する曲げアーム１４の回転軸は、第２アーム１２に対する旋回アーム１３の回転軸と直交する面内に位置している。

旋回体１５は、曲げアーム１４の先端部に回転可能に支持されている。曲げアーム１４に対する旋回体１５の回転軸は、旋回アーム１３に対する曲げアーム１４の回転軸と直交する面内に位置している。

コントローラ８は、ベース台９の近傍に設置されている。このコントローラ８は、アーム部７において定められた上述の回転軸のそれぞれについて備えられているモータに対して電気信号を送信することにより、例えば図１の鎖線で示すようにアーム部７を動作させることができる。

次に、上記のアーム部７の複数の部位の３次元位置を計測する計測装置１について説明する。この計測装置１は、アーム部７の複数の計測対象部位にそれぞれ固定されるトランスポンダ（送信装置）２，２，・・・と、トランスポンダ２，２，・・・と情報をやり取りする質問器（受信装置）３と、を備える。トランスポンダ２と質問器３とは、例えば電波を用いた無線通信によって情報をやり取りすることができる。

図１に示すように、本実施形態においてトランスポンダ２は、旋回台１０、第１アーム１１、第２アーム１２、旋回アーム１３及び旋回体１５に設けられている。旋回体１５はアーム部７の先端に位置しているので、旋回体１５にトランスポンダ２が取り付けられる部位は、産業用ロボット６の先端の部位（第１部位）であるということができる。一方、その他の部材（例えば、第１アーム１１）の部位は、産業用ロボット６の先端とは異なる部位（第２部位）であるということができる。

それぞれのトランスポンダ２，２，・・・は小型のコンピュータとして構成されており、図２に示すように、質問器３からの制御信号を無線により受信する受信部２１と、自機の３次元位置を検出する位置検出部２２と、検出した自機の位置を示す信号を質問器３に無線で送信する送信部２３と、を備える。トランスポンダ２は図示しない充電式のバッテリーで駆動可能に構成されており、これにより電源ケーブルを省略することができる。

受信部２１は、質問器３からの制御信号（例えば、トランスポンダ２の位置を問い合わせる信号）を受信する。

位置検出部２２は、適宜の３次元トラッキング法を用いることにより、自機の３次元位置を検出する。この方法としては種々考えられるが、例えば、図示しないベースステーションからアーム部７の作業空間に向けて一定のパターンで赤外線を反復して照射し、トランスポンダ２に配置される複数のセンサが当該赤外線を受光するタイミングに基づいて、トランスポンダ２の位置を推定することが考えられる。更には、上記の位置の推定を補助するために、トランスポンダ２が加速度センサ及び角速度センサのうち少なくとも一方を備えても良い。

送信部２３は、質問器３からの問合せに応じて、位置検出部２２で取得した自機の位置を質問器３に送信する。

質問器３はコンピュータとして構成されており、送信部３１と、受信部３２と、出力部３３と、を備える。

送信部３１は、それぞれのトランスポンダ２の位置を取得するための問合せの信号を、トランスポンダ２に対して送信する。

受信部３２は、トランスポンダ２から送信された位置の信号を受信して、当該トランスポンダ２の位置を取得する。

出力部３３は、受信部３２が取得したトランスポンダ２，２，・・・の位置を、外部のコンピュータに出力する。

計測装置１は以上のように構成されているので、トランスポンダ２，２，・・・が設置されたアーム部７の部位の３次元位置をそれぞれ取得することができる。

次に、機構モデルパラメータの補正について簡単に説明する。図３は、機構モデルパラメータの補正を説明する概念図である。図４は、複数の部位の位置計測結果に基づいて行われる機構モデルパラメータの補正を説明する概念図である。

図３の（ａ）には、ロボットのモデルにある教示点（指令値）を与えた場合の、当該モデルにおけるある部位の位置が示されている。しかしながら、当該部位の実際の位置を計測装置１により検出したところ、図３の（ｂ）であったとする。このように、実際の位置は理想の位置とは異なり、多少の誤差が生じる。

そこで、理想の位置と実際の位置との間に生じている誤差を考慮し、当該誤差を打ち消すように教示点を補正する。この補正後の教示点に対応する上記の部位が、図３の（ｃ）に示されている。この結果、実際の位置を、図３の（ｄ）に示すように、当初に意図した図３の（ａ）の位置に近づけることができる。

特に、本実施形態では図４に示すように、アーム部７において１つだけでなく複数の部位の３次元位置を計測して、機構モデルパラメータの補正のために用いることができる。これにより、推定するパラメータの数を増やすことができるので、絶対精度を良好に向上させることができる。

以上に説明したように、本実施形態は、以下のような方法により産業用ロボット６の機構モデルパラメータの推定が行われている。即ち、この機構モデルパラメータ推定方法は、計測工程と、推定工程と、を含む。計測工程では、産業用ロボット６の先端の部位である第１部位と、前記第１部位と異なる第２部位と、を含む複数の部位の３次元位置を検出可能な計測装置１を用いて、当該産業用ロボット６に指令値を与えた状態での前記複数の部位のそれぞれの位置を計測する。推定工程では、前記計測工程により得られた計測値と前記指令値とに基づいて、当該多関節ロボットの機構モデルのパラメータを推定する。

これにより、ロボットの先端の部位だけではなく他の部位を含めた複数の部位の３次元位置を検出することができるので、ロボットの機構として複雑なモデル（例えば、パラメータに機械製作誤差及び撓みを含んだモデル）を採用することができ、モデルのパラメータを容易に推定することができる。

また、本実施形態において、計測工程で用いられる計測装置１は、トランスポンダ２，２，・・・と、質問器３と、を備える。トランスポンダ２，２，・・・は、産業用ロボット６の前記複数の部位にそれぞれ固定され、自機の位置を検出して無線通信により送信する。質問器３は、トランスポンダ２，２，・・・から送信された位置を受信する。

これにより、産業用ロボット６の複数の部位の３次元位置の情報が、無線通信によって収集される。これにより、信号線を減らして構成を簡素化できるとともに、位置計測作業の手間を減らすことができる。

ただし、上記のトランスポンダ２，２，・・・を取り付ける代わりにマーカを当該部位に付すとともに、質問器３の代わりに、マーカを撮影可能な１台又は複数のカメラ（撮影装置）を備えても良い。マーカは、例えば小さなシールとして構成することができる。カメラは図略の画像処理コンピュータ（画像処理装置）に電気的に接続され、カメラで取得した画像が画像処理コンピュータによって処理されることで、マーカの３次元位置を取得することができる。

この場合も、簡素な構成で３次元位置を計測できるとともに、位置計測作業の手間を減らすことができる。

また、本実施形態において、計測装置１によって計測対象となっている複数の部位は、産業用ロボット６において互いに異なるリンクに設定される２つの部位（更に言えば、ジョイントにより互いに連結される２つのリンクにそれぞれ設定される部位）を含む。このような２つのリンクは、例えば第１アーム１１と第２アーム１２である。

これにより、機構モデルパラメータの推定を正確に行うことができる。

次に、産業用ロボット６をポジショナ等とともに用いる変形例について、図５を参照して説明する。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

図５の変形例において、産業用ロボット６は、アーム部７の作業範囲を拡大するための走行軸４１の上に設置されている。アーム部７が備えるベース台９は、図示しないモータの駆動によって直線的に水平移動可能なスライドブロック（スライド部材）４５に固定されている。

また、走行軸４１におけるスライドブロック４５の移動方向に沿う向きに細長い丸棒状のワーク４６を支持するために、走行軸４１の近傍にポジショナ４２が配置されている。このポジショナ４２は、ワーク４６を回転可能に支持することができる。また、ワーク４６の回転位相は、ポジショナ４２が備える図示しないモータを駆動することで、変更することができる。

この構成で、計測装置１のトランスポンダ２，２，・・・は、産業用ロボット６の上述の部位だけでなく、走行軸４１のスライドブロック４５の適宜の部位、及び、ポジショナ４２に支持されるワーク４６の適宜の部位に設けられている。

この構成によれば、産業用ロボット６のアーム部７だけでなく走行軸４１及びポジショナ４２の設置位置の誤差を、工場等の現場で取得することができる。この結果、より短時間で高精度な位置決めを行うことができる。

以上に説明したように、本変形例において、計測装置１は、走行軸４１が備えるスライドブロック４５の部位、及び、ポジショナ４２によって支持されるワーク４６の部位を計測する。

これにより、計測装置１を、機構モデルのパラメータの推定だけでなく、走行軸４１及びポジショナ４２の設置位置の誤差を計測するのに活用することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態及び変形例を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

産業用ロボット６において３次元位置が計測される対象となる部位の数（トランスポンダ２，２，・・・の数又はマーカの数）は、上述の実施形態に示した数に限定されず、複数であれば幾つであっても良い。また、３次元位置を検出する部位は、１つのリンクに１つだけ設定されても良いし、２つ以上設定されても良い。

産業用ロボット６を構成するリンクが、回転ジョイントではなく直進ジョイントによって連結されても良い。

トランスポンダ２，２，・・・は、自機の位置だけでなく自機の姿勢を検出して質問器３に送信するように構成されても良い。

図５の変形例において、走行軸４１及びポジショナ４２のうち一方が省略されても良い。

本発明の機構モデルパラメータの推定は、上述の産業用ロボット６に限定されず、例えば自由度が７以上のロボットに適用することもできる。

１ 計測装置
２ トランスポンダ（送信装置）
３ 質問器（受信装置）
６ 産業用ロボット（多関節ロボット）
４１ 走行軸
４２ ポジショナ
４５ スライドブロック

Claims (6)

1. 多関節ロボットの先端の部位である第１部位と、前記第１部位と異なる第２部位と、を含む複数の部位の３次元位置を検出可能な計測装置を用いて、当該多関節ロボットに指令値を与えた状態での前記複数の部位のそれぞれの位置を計測する計測工程と、
   前記計測工程により得られた計測値と前記指令値とに基づいて、当該多関節ロボットの機構モデルのパラメータを推定する推定工程と、
   を含むことを特徴とする多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法。
2. 請求項１に記載の多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法であって、
   前記計測工程で用いられる前記計測装置は、
   前記多関節ロボットの前記複数の部位にそれぞれ固定され、自機の位置を検出して無線通信により送信する送信装置と、
   前記送信装置から送信された位置を受信する受信装置と、
   を備えることを特徴とする多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法。
3. 請求項１に記載の多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法であって、
   前記計測工程で用いられる前記計測装置は、
   前記多関節ロボットの前記複数の部位にそれぞれ付されたマーカを撮影する撮影装置と、
   前記撮影装置が取得した画像を解析することにより前記マーカの３次元位置を取得する画像処理装置と、
   を備えることを特徴とする多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載の多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法であって、
   前記複数の部位は、前記多関節ロボットにおいて互いに異なるリンクに設定される２つの部位を含むことを特徴とする多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法。
5. 請求項４に記載の多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法であって、
   前記複数の部位は、前記多関節ロボットにおいてジョイントにより互いに連結される２つのリンクにそれぞれ設定される部位を含むことを特徴とする多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載の多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法であって、
   前記計測装置は、走行軸が備えるスライド部材の部位、及び、ポジショナによって支持されるワークの部位のうち少なくとも何れかを計測することを特徴とする多関節ロボットの機構モデルパラメータ推定方法。

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