WO2002000399A1

WO2002000399A1 - Robot device and method of adjusting origin of robot

Info

Publication number: WO2002000399A1
Application number: PCT/JP2000/004161
Authority: WO
Inventors: Yasushi Mukai; Masaya Hirayama
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2002-12-26
Also published as: US6584379B1

Description

明細害ロボッ卜装置及びロボッ卜の原点調整方法技術分野

本発明は、ロボッ卜装置特にその原点調整方法に関するものである。背景技術

従来のティーチングプレイバック型ロボッ卜の教示作業は、そのロボッ卜を実際に動作させながら行っている。この教示方法により、ティーチングプレイバック型ロボットは、市場で大量に使用され、発展している。ティーチングプレイバック型ロボットの動作精度は、教示点に対する位置の再現精度である。したがつて、口ポットの個体差や絶対位置精度は、余り重要とされていなかった。このことは、現在もなお一般的である。

しかしながら、近年、ティーチングプレイバック型ロボッ卜の教示工数の低減の要求が、高くなつてきている。このため、コンピュータを用いたディスプレイ上で、ロボットの教示操作および動作シュミレーシヨンを行う、オフラインティ一チングが大きく期待されている。その期待に応じて、近年、多くのオフラインティーチングシステムが導入され、実際に稼働してきている。

しかし、コンピュータ内に定義されているロボットの機構モデルと実際のロボッ卜との位置の差異が、教示精度を低下させる大きな要因となっている。したがつて、現状では、オフラインティ一チングシステムにより作成した教示プロダラ厶を、作業現場では、修正する必要がある。このような、修正教示が、行われる場合が多い。

また、位置精度だけでなく、 C P (continuous path) 動作時の動作軌跡精度に対しても、高い精度が要求されてきている。

その要求に対応するために、

ロボットコントローラの演算速度や、演算精度の向上、

アームを構成する各機械部材の加工精度の向上など、

に対して多大の努力が払われている。しかし、上述したオフラインティーチングの場合と同じく、ロボッ卜コントローラ内に定義されているロボッ卜の機構モデルと実際のロボッ卜との位置の差異が、動作軌跡精度に大きく影響を与えている。そのため、現状では、 C P動作時の動作軌跡精度に対する、市場の要求に対して十分に対応できていない。

ロボッ卜の機構モデルと実際のロボットとの位置の差異は、ロボッ卜の個体差や絶対位置精度、動作軌跡精度に悪影響をおよぼす。

その差異は、

アームの長さや、

軸同士のねじれなどの機械加工精度や、

組立精度や、

回転関節軸の原点位置のズレ

によって生じる。その中で、回転関節軸の原点位置のズレが、その差異の発生に最も大きな影響を与える。

ロボッ卜の機構モデルと実際のロボッ卜との位置の差異を測定して、機構モデルに補正を加える方法が考えられる。この補正方法は、ロポッ卜のキヤリブレ一シヨン問題として研究が進められている。その方法として、いくつかの方法が提案されている。しかし、位置の差異の測定は、非常に高い精度で行われる必要がある。そのために、その測定は難しい、また、測定のための測定器は非常に高額である。したがって、機構モデルに補正を加える方法は、広く普及するには至つていなかった。このため、発明者は、比較的安価でかつ容易に自動化が図れる方法として、特開平 0 5— 3 1 8 3 5 1号公報で傾斜角センサを用いた方法を提案した。

以下、従来の方法の概要を、図 1、図 7および図 8を参照しながら説明する。また、説明を簡単にするために図 1を参考にしながら説明する。

図 1は、原点調整の対象となるロポッ卜の一例を示す斜視図である。この図 1 に示したロボッ卜 1は第 1関節軸」 Iから第 6関節軸」 6までの 6個の回転関節軸で構成されている。図 1 に示すように、それぞれの関節軸」 1 ~ J 6はロボッ卜の動作を制御するコントローラ 2によって回転方向 a〜 f に動作させることができる。

図 7は、従来のロボッ卜の原点調整方法を説明するための概念を示す図である。図 7は、例えば、図 1に示したロボットの第 3関節軸 J 3、第 4関節軸 J 4およびロボッ卜アームの先端に取り付けられた傾斜角センサ 3を模式的に示している。図 7において、第 4関節軸 J 4は、その回転中心軸である第 3関節軸」 3の回転によつて重力方向 Gに対して角度 αだけ傾斜している。また傾斜角センサ 3は、第 5関節軸」 5、第 6関節軸」 6 (図 1参照）を介して口ポットアームの先端部に取り付けられている。

このとき、傾斜角センサ 3の検出基準となるセンサの取付面は、第 4関節軸」 4に対して角度ァ（図示せず）だけ傾いているとする。

また、それぞれの回転関節軸には、各関節軸の回転角度の測定手段としてェンコーダ（図示せず）が取り付けられている。

このように構成されたロボッ卜において、第 4関節軸 J 4をコントローラ 2 (図 1参照）によって回転動作させながら、それぞれの回転角度位置において傾斜角センサ 3によって傾斜角度 Tを、エンコーダによって関節軸の回転角度 Θを測定する。

図 8は、上述の原点調整方法により測定した第 4関節軸 J 4の回転角度 Θ (図 7に示す Θ ) と傾斜角度 Tとの関係を示したものである。ここで、傾斜角度 ΊΓの最大値を丫^^、傾斜角度 Τの最小値を T_min、傾斜角度 Tが最大値と最小値の平均となる第 4関節軸」 4の回転角度を 0_zeroとする。

図 7および図 8から明らかなように、第 4関節軸」 4の重力方向 Gに対する傾斜角度 αは、測定した傾斜角度 Τの最大値 T_maxと最小値 T_minとの差を 2で除した値として算出することができる。また傾斜の方向は Qzeroを基準として測定することができる。

このように、第 3関節軸」 3の原点位置は、上記のように測定し、算出した第 4関節軸」 4の回転中心軸の傾斜角度 αの値を用いて容易に調整することができる。この調整方法は他の軸についても同様に適用することができる。

以上のように従来の原点調整方法によれば、回転関節軸の重力方向 Gに対する傾斜角度 αは、傾斜角度 Τの最大値および最小値の差から求めることができる。一方、傾斜角度 0：は傾斜角センサ 3の取付角度アには影響されないので、センサの取付基準面の機械加工精度などに影響されされず、高精度の調整が可能となる。また、上記に説明したように、測定に関して傾斜角センサ 3の取付角度ァが影響しない。したがって、ロボット 1の姿勢を適宜変更しながら各関節軸の原点位置を順次調整していくことができる。従って、口ポットアームの先端に単一のセンサを一度取り付けてしまえば、ロボッ卜の各関節軸の回転角度を適切な位置とさせることにより複数の関節軸の調整が可能となるので、調整工程の自動化も容易に実現できる。

しかしながら、従来の方法では、次のような 2つの欠点があった。第一の欠点は、傾斜角度 Υと回転角度 Θを連続的に測定し、どの回転角度位置が傾斜角度 Υ の最大値 Y_maxと最小値 Y_minとなるかを正確に求める必要があることである。傾斜角度 Yの最大値 Y_maxと最小値 Y_minを測定するためには、最低でも回転角度 Θ を 1 8 0 ° 以上回転させる必要がある。しかし、狭い場所にロボットが設置されている場合、 1 8 0度以上回転することができない場合がある。動作範囲が 1 8 0度以下に制限されるような状況では、計測自体が困難となる場合があった。第二の欠点は、従来の方法では、第 N関節軸の原点調整を行うに際し、第 N +1 関節軸の回転中心軸の傾斜角度を用いて調整を行うという点である。例えば図 1 のロボットの第 2関節軸 J 2のように、これに隣接する回転関節軸すなわち第 3 関節軸」 3との相互の関係が平行となる場合には、従来の方法を用いて第 2関節軸」 2の調整を行うことができず、他の方法によって調整を行う必要がある。発明の開示

本発明は、上記課題を解決するもので、ロボットの動作可能範囲が狭い場合にも高精度の調整が行え、隣接する回転関節軸が平行となる軸構成の場合にも調整が行えるロボッ卜の原点調整方法である。

本発明は、上記課題を解決するため、

複数の回転関節軸を有するロボッ卜装置における隣接する回転関節軸の相互の関係が平行でない回転関節軸において、

回転関節軸の回転角度とロボッ卜アームの重力方向に対する傾斜角度とを少なくとも 3点以上の回転角度位置で測定し、

得られた回転角度情報 Θ iと傾斜角度情報 Y iから

Y = a S ( Q + β ) + γ

を回帰関数として回帰係数な、を算出し、

求められた回転関節軸の傾斜角度と傾斜方向に基づき回転関節軸の原点調整を行う。図面の簡単な説明

図 1は、本発明および従来例のロボッ卜の原点調整方法によって原点調整がなされるロボッ卜の一例を示す斜視図である。

図 2は、本発明のロボットの原点調整方法により測定した回転角度 Θί と傾斜角度 Tiの関係を示した図である。

図 3は、本発明によって原点調整がなされるロボットの骨格モデルを図 1 に示す矢印 Aの方向から見た側面図である。

図 4は、図 3の骨格モデルの制御点を一点に固定した状態でピボッ卜動作を行つた場合を示した図である。

図 5は、図 4の第 2関節」 2が理想的な角度から <5だけズレていた場合を示した図である。

図 6は、図 5の部分拡大図である。

図 7は、本発明および従来例のロボッ卜の原点調整方法を説明するための概念を示す図である。

図 8は、従来例のロポッ卜の原点調整方法により測定した回転角度 Θと傾斜角度 Tの関係を示した図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の一実施例について、図 1、図 2および図 7を参照しながら説明する。

図 1は、原点調整の対象となるロボットの一例を示す斜視図であり、図 2は原点調整のための回転角度 Θ ίと傾斜角度 Y iの関係を示した図であり、図 7は原点調整方法を説明するための概念を示す図である。

この図 1 に示したロボット 1は、第 1関節軸」 1から第 6関節軸」 6までの 6 個の回転関節軸で構成されている。この口ポットにおいて、隣接する第 2関節軸 J 2と第 3関節軸」 3の相互の関係は平行であり、その他の隣接する関節軸の相互の関係は直交である。それぞれの関節軸」 1 〜 J 6は、ロボットの制御手段であるコントローラ 2によってそれぞれ方向 a〜 f に回転動作する。

また、それぞれの関節軸には各関節軸の回転角度を測定する回転角度測定手段であるエンコーダ（図示せず）が取り付けられている。そして、それぞれの関節軸には、そのそれぞれの関節軸の動作の基準となる各関節軸ごとの原点位置（図示せず）が存在する。ノさらに、ロボットアームの先端部には、ロボットァ一厶先端部の重力方向との傾斜角度を測定する傾斜角センサ（図示せず）が取り付けられる。

以上のように構成されたロボットを、プログラムの意図する通りに正確に動作させるためには、上述したようにそれぞれの回転関節軸の原点位置を正確に合わせることが必要である。

まず、従来例と同様に第 4関節軸 J 4を動作させることによる第 3関節軸 J 3 の原点位置の調整方法について説明する。

ここで、本発明の原点調整方法に直接関係する第 3関節軸」 3、第 4関節軸」 4並びに傾斜角センサ 3の関係を概念的に図示すると図 7のようになる。

なお、傾斜角センサの検出基準となるセンサの取付面は、第 4関節軸」 4に対して角度ァ（図示せず）だけ傾いているものとする。

原点位置のズレ量を算出するために、第 4関節軸 J 4を回転動作させ、少なくとも 3点以上の異なる回転角度位置に位置決めを行う。

そのそれぞれの位置において、重力方向との傾斜角度 Y iと、第 4関節軸」 4の回転角度 0 iを測定する。ただし、添え字の iは i番目の測定データであることを示す。

測定された傾斜角度 Y iと回転角度 Θ ίは、原点補正量算出部（図示せず）に入力され、以下に説明する過程により回転関節軸の傾斜角度と傾斜方向を算出する図 2は、横軸に回転角度 Θ、縦軸に傾斜角度丫をとつて、測定した Θίと Yiをグラフにプロットしたものであり、原理的にも明らかなように Θ iと丫 iの関係は図 2の破線のように S I N関数となる。

ここで、（1) 式

を回帰関数とし、回帰係数 α、 β、ァを求める。

(1)式を（2)式のように変形し、線形化する。

Y=ASIN(X) +BCOS(X) +C (2)

ここで、 A、 B、 Cは、

A=aCOS()S)、B=aSIN( S)、C= (3) である。

(2) 式と Xi，Yiのデータより、誤差の二乗和 Eを求めると（4) 式のようになる <

Ε=Σ 6 i²=∑ (Yi-C-ASIN(Xi) -BSIN(Xi) ) ² (4)

(4) 式を A、 B、 Cそれぞれで編微分して =0と置くと、（5) , (6) , (7) 式を得る。

0= E C =∑ Yi - n C—∑SIN (X) A

-∑C0S (Xi) B (5)

Q= E ^l A=∑YiSIN (Xi) -∑SIN (Xi) C

-∑SIN² (Xi) A-ZSIN (Xi) COS (Xi) B (6)

0 = EZ B =∑Y OS (Xi) -∑C0S (Xi) C

—∑SIN (Xi) COS (Xi) A—∑C0S² (Xi) B (7)

(5)、（6)、 (7) 式の係数を整理して、連立方程式にまとめると

ただし、各係数を（9) 式のように置く。

a11=n

a21= ∑SIN (Xi)

a31 =∑C0S (Xi)

bl =∑Yi

(8) 式を解くと

bl a12 a!3

bZ a22 a23

b3 a32 a33

C=. (10)

D all bl a!3

a21 b2 a23

a31 b2 a33

A (11)

D I all a!2 bl

a21 a22 b2

a31 a32 b3

B=. (12)

D

A、 B、 Cは（3) 式のように定義したから、（10) ~ (13) 式より

才フセッ卜： τ= C

傾斜方向（位相）： β = TAN"¹ (B/A) …… (14) 傾斜角（振幅）： a- A /COS (i8)

を得る。

図 2において、 2 cdiS I N関数の振幅であるから従来例における傾斜角度 Y の最大値丫 _maxと最小値 Y_minとの差に等しくなる。 8は従来例における傾斜方向 Θ zeroと等しくなる。ァは従来例と同様に、傾斜角センサ 3の取付角度となる。以上で第 4関節軸 J 4の重力方向 Gに対する傾斜角度 αと傾斜方向 βを求めることができる。

さらに、本発明の原点調整方法によれば、測定のための第 4関節軸 J 4の回転角度位置についての制限がないため、回転角度範囲を 180° 未満の範囲に限定して行うことも可能である。

このように、測定データを統計的手法によって処理することにより、少ない測定点数の測定で、回転軸の傾斜角度と傾斜方向を正確に算出する事ができる。すなわち、ロボットの限られた動作範囲（狭い場所）での測定でも、回転軸の傾斜角度と傾斜方向を正確に算出する事ができる。したがって、本発明の原点調整方法は、従来例の問題点を飛躍的に改善することができる。

次に、調整対象の回転関節軸に隣接する回転関節軸との相互の関係が平行の場合について、図 3〜図 6を参照しながら説明する。

図 3は図 1に示したロポッ卜の骨格モデルを矢印 Aの方向から見た側面図である。図 3に示す U点は第 2関節 J 2の軸心であり、 F点は第 3関節 J 3の軸心である。また、 B点は第 5関節」 5の軸心であり、 P点はロボットの先端に取り付けた治具（図示せず）の先端とする。この P点をロボットの制御点とする。なお、説明に直接関係しない第 1関節軸」 1、第 4関節軸」 4、第 6関節軸」 6の各軸は図示していない。

また、軸」 2、軸 J 3、軸」 5の各関節軸の軸心は、紙面に対し垂直となるように位置決めする。

第 2関節軸」 2及び第 5関節軸」 5については、あらかじめ上述の本発明の方法によって原点角度の調整を完了させておく。

これにより、図 3〜図 6に示すロポッ卜は紙面の平面上を動作する。

P点の制御演算上の位置を一点に固定した状態で、第 2関節軸」 2の角度が Θ 度づっ動くように第 3関節軸」 3及び第 5関節軸」 5の動作角度を求め、いわゆるピボッ卜動作を行った場合、ロボッ卜の骨格モデルは図 4のように動作する。第 2関節軸」 2のそれぞれの動作角度に対応する各点は、 P 1 · · P n、 B 1 · · B n、 F 1 - - F n、で表わしている。

ここで、各アームの長さが正しいと仮定すると、ベクトル PnFn (以下、べク卜ルについては ¾P/i'と記述する）も空間（重力方向）に対して正しいことになる

。ここでは説明を簡単にするために B点を無視し、と t/F«とについて考える。

原点調整の対象である第 2関節軸」 2が理想的な角度から δだけずれていたとすると、上述のピボット動作の結果は図 5の破線の様になる。制御点である Ρ点は一点に留まることができず円弧を描く。

図 6は、図 5の Ρ η点と F n点の近傍を拡大したものである。

P点及び F点が、第 2関節軸」 2の誤差 δの影響でその理想位置からずれた点をそれぞれ Ρ η'点、 Fn'点とすると、

PnPn' = FnFn' (15) となる。

ここで、動作平面内の任意の基準線から、ズレが生じた P n'点迄の距離 Z nを距離測定手段を用いて測定する。

.の距離 Z nは、ベクトル Ρ«Ρ«'の長さを I ^i iで表わすと（以下同様)

Z n = | nPn' | - SIN (0n+ 7} ) + Z ₀ (16)

の関係が成り立つ。

(16)式は（1)式の αを I ¾P«' Iに、 βを Vに、ァを Ζ。に、 Υを Z nに置き換えたものと同じである。

従って、測定した距離 Z nと回転角度 Θηを用いて、前述の回帰関数（1)式から、同じ統計的な処理によつて回帰係数が求められる。

さらに、 ΡηΡη ' = FnFn，であるから、第 2アームのアーム長を Lとして

δ = 2 SIN-¹ (I ΡηΡη' |/2 L )

となる。

これにより、従来適用ができなかった第 2関節軸」 2の角度誤差 <5を容易に求めることができる。

なお、以上の実施例において、重力方向との傾斜角度を測定する傾斜角度測定手段としては傾斜角センサを用いて説明したが、これ以外にも水準器や加速度センサゃジャイロ（または角速度センサ）などを用いることができる。

さらに、動作平面内の任意の直線上から制御点までの距離を測定する距離測定手段は、ロボットアームに取りつけても、動作平面内の任意の直線上に置いても、同等の効果が得られることは明らかである。産業上の利用可能性

以上のように本発明は、従来の方法の特徴を生かしつつ、課題であったロボッ卜の動作可能範囲が制限される場合や、適用が不可能であった調整対象の回転関節軸に隣接する回転関節軸との相互の関係が平行となる軸構成の場合にも適用が可能で有るばかリでなく、測定データを統計的な手法により処理することで高精度の調整が行えるものであり、比較的安価でかつ容易に原点調整の自動化を実現する方法である。

Claims

請求の範囲

1 . 複数の回転関節軸を有するロボッ卜装置における隣接する回転関節軸の相互の関係が平行でない回転関節軸において、

前記回転関節軸の回転角度とロボッ卜アームの重力方向に対する傾斜角度とを少なくとも 3点以上の回転角度位置で測定する過程と、

得られた回転角度情報 Θ iと傾斜角度情報丫 iから

Y = a SIN (0 + |8 ) + r

を回帰関数として回帰係数 α、を算出する過程と、

前記回帰係数から算出される回転関節軸の傾斜角と傾斜方向に基づき前記回転関節軸の原点調整を行う過程と、

を含むロボッ卜の原点調整方法。

2 . 回転動作させる回転関節軸の回転角度範囲を〗 8 0 ° 未満とした請求項 1 記載のロボッ卜の原点調整方法。

3 . 隣接する回転関節軸の相互の関係が平行する回転関節軸において、

調整対象の回転関節軸を法線に持つ平面内の任意の直線からロポッ卜の制御点までの距離 Zを測定する過程と、

前記ロポッ卜の制御点の制御演算上の位置を固定したまま前記平面内で口ポットの姿勢を変化させ、前記直線からロボットの制御点までの距離と前記調整対象の回転関節軸の回転角度とを同時に測定する過程と、得られた距離情報と回転角度情報とから前記調整対象の回転関節軸の角度の理想値からのズレ量を求めて前記調整対象の回転関節軸の原点調整を行う過程と、

を含むロボッ卜の原点調整方法。

4. 距離情報 Z iと回転関節軸の回転角度情報 Θ iを少なくとも 3点以上の姿勢で測定し、

Z- aSIN(Q + j8) + τ

を回帰関数として回帰係数 0!を算出し、回転関節軸の角度の理想値からのズレ量を求めて前記調整対象の回転関節軸の原点調整を行う過程と、を含む請求項 3記載のロボッ卜の原点調整方法。

5. 複数の回転関節軸を有するロボッ卜装置における隣接する回転関節軸の相互の関係が平行でない回転関節軸において、

ロボッ卜アームに固定された重力方向に対する傾斜角度を測定する傾斜角測定手段と、

前記回転関節軸を複数の指定回転角度位置に位置決めするロボッ卜制御手段と、

前記回転関節軸の回転角度を測定する回転角度測定手段と、

前記ロボッ卜制御手段により前記回転関節軸を少なくとも 3点以上の異なる回転角度位置に位置決めし、その各々の回転角度位置において回転角度 Θίと傾斜角度 Yiを測定し、

Y= aSIN(0 + ;8) + r

を回帰関数として回帰係数 0!、を算出し、前記回転関節軸の重力方向に対する傾斜角情報と傾斜方向情報とを算出する原点補正量算出手段と、を含むロボッ卜装置。

6. 前記測定のための回転関節軸の回転角度の位置決め範囲を 1 80° 未満とした請求項 5記載のロボッ卜装置。

7 . 複数の回転関節軸を有するロボッ卜装置における隣接する回転関節軸の相互の関係が平行する回転関節軸において、

調整対象の回転関節軸を法線に持つ平面内の任意の直線からロボッ卜の制御点までの距離 Zを測定する距離測定手段と、

前記ロポッ卜制御手段によリロボッ卜装置の制御点の制御演算上の位置を固定したまま前記平面内でロボッ卜装置の姿勢を変化させ、その各々の姿勢位置において前記直線からロボッ卜の制御点までの距離 Z iと前記調整対象の回転関節軸の回転角度とを同時に測定し、得られた距離情報と回転角度情報とから前記調整対象の回転関節軸の角度の理想値からのズレ量を算出する原点ズレ量算出手段と、

を含むロボッ卜装置。

8 . 前記ロポッ卜制御手段によりロボッ卜装置の制御点の制御演算上の位置を固定したまま前記平面内でロボッ卜装置を少なくとも 3点以上の異なる姿勢に位置決めし、その各々の姿勢位置において距離情報 Z iと回転関節軸の回転角度情報を測定し、

を回帰関数として回帰係数 Q!を算出し、前記調整対象の回転関節軸の角度の理想値からのズレ量を算出する原点ズレ量算出手段と、

を含む請求項 7記載のロボッ卜装置。