JP2009509789A - 仮想ツールセンターポイントを決定する方法 - Google Patents

Abstract

光切断センサの仮想センサツールセンターポイント（センサＴＣＰ）を決定するために、本発明は、センサＴＣＰを、位置が既知である基準コンポーネントの面にある線の一点（いわゆる指標）と十分に空間的に一致させ、基準コンポーネントの面に対する垂線が決定され、センサのＺ方向を基準コンポーネントの面の垂線と一致させ、指標の線に対するセンサの定義されたアライメントが決定されることを意図している。

Description

本発明は、物体を測定するための測定センサを有するロボットの既知の座標系に関して仮想ツールセンターポイントを決定する方法、ならびにこれに対応する制御装置に関するものである。

仮想ツールセンターポイント（ＴＣＰ）と呼ばれるのは、たとえば工具のような実在する物体の外部にある空間座標および空間方位である。このようなポイントは空間内で自由に位置しており、実在する物体に対する関連付けを欠いているので、ロボットが直接そこへ接近することはできない。たとえばロボットを用いたレーザ加工の場合、仮想ＴＣＰはレーザの焦点に位置しており、すなわち空間内で自由に位置しており、実在する物体の幾何学的な点に位置しているのではない。再調節をするために、たとえばレーザ加工の場合であれば光切断センサを利用するのが好ましい。

光切断センサは、スタティックな三角測量法によって表面を検出するために用いられる。この場合、半導体レーザが円柱レンズのような線形光学系によって、平面上で扇形に広がる光線を光カーテンとして生成し、これが測定物体に当たり、ＣＣＤアレイのような信号処理を行うカメラに向かっていわゆる三角測量角で反射される。測定物体から反射されたレーザ光線に基づき、信号プロセッサが、測定物体の空間的な位置および場合によりエッジの移行部を決定する。そのようにして光切断センサは、測定物体の間隔測定値や断面形状を提供することができる。

光切断センサによって提供される値を、ロボットもしくは一般に機械を制御するため、ないしそのロボットプログラムを修正するのに利用できるようにするために、光切断センサによって当初はそのセンサ座標系で提供される測定値が、ロボットに対してはそのロボット座標系で提供され、またはこれと既知の関係にある世界座標系で提供される。その際には仮想センサツールセンターポイント（センサＴＣＰ）が定義され、その位置はセンサ座標系で定義される。

たとえばセンサの故障後などで、特に光切断センサをロボットアームから取り外して、あらためて再組付けした後には、および／または一般的に言うと組付け位置が一義的に定義されていないときには、センサＴＣＰの位置はロボット座標系ないし世界座標系に関してずれている場合が大半である。こうしたずれは当初のうちは既知でなく、本発明により、簡単な手段で決定されるべきものである。

本発明の目的は、仮想センサＴＣＰの位置を、ロボット座標系または世界座標系に関して簡単な仕方で決定することができる方法を提供することにある。

位置とは、少なくとも、たとえばＸ，Ｙ，Ｚといった既知の座標系内部における場所的な地点を意味している。このような位置は、たとえば軸Ｘ，Ｙ，Ｚを中心とする回転Ａ，Ｂ，Ｃのような空間内の方位も含んでいる。

本発明によると、上述した課題は、冒頭に述べた種類の方法において、ロボットの既知の座標系に関する仮想ツールセンターポイントの位置が、センサ座標系に関する仮想ツー
ルセンターポイントの既知の位置と、仮想ツールセンターポイントが基準コンポーネントの測定位置に位置しているロボット位置についてのロボット軸位置の判定とに基づいて決定されることによって解決される。

ロボットの既知の座標系は、たとえば世界座標系、いわゆるロボット座標系、または手座標系である。ロボット軸位置の測定は、ロボット制御部に実装されているティーチング機能を用いたティーチングによって行うのが好ましい。

本発明は、センサ座標系における位置が既知である仮想ＴＣＰを、以下において指標ともの呼ぶ、たとえば基準コンポーネントの測定個所と十分に一致させるという形での、光切断センサによる仮想ＴＣＰの決定も意図しており、この指標は、特殊な１つの利用ケースでは、溶接継目構造のもっとも広く適用されている形式の１つである「接合個所ジオメトリー」であり、たとえば２つの平坦なコンポーネントが平面上で部分的に相上下して位置している重ね継手や、第１の平坦なコンポーネントが第２の平坦なコンポーネントに対して垂直に配置され、第１のコンポーネントの端面が第２のコンポーネントの平面上で当接するＴ継手や、第１のコンポーネントの端面が第２のコンポーネントの端面に当接し、両方のコンポーネントが同一平面に位置するようになっているＩ継手などである。一般化して言えば、測定個所ないし指標のことを、場合によっては面の広がりにおける「非連続性」とも呼ぶことができよう。そして幾何学的には、定義された面法線をもつ平面における線またはエッジとして定義される。

本発明の１つの実施形態では、コンポーネントの面に対する垂線が三角測量法によって決定されることが意図される。

本発明による方法の１つの好ましい実施形態では、仮想ツールセンターポイントが測定センサの測定値に基づいて基準コンポーネントの測定個所へと動かされ、特に、センサが基準コンポーネントの測定個所の空間的近傍へと移され、そこで測定個所が測定センサによって検出され、測定センサによって測定された測定個所の少なくとも１つの位置値（Ｙ_ＭＥＳＳ，Ｚ_ＭＥＳＳ）を用いて、センサ座標系における仮想ツールセンターポイントと測定個所との間の位置差が決定され、この位置差に基づいて仮想ツールセンターポイントを位置に関して測定個所と一致させることが意図される。このときセンサは、測定個所を測定センサによって検出することができるような、基準コンポーネントの測定個所の空間的近傍へ移されるのが好ましい。そして、測定センサによって測定された測定個所の少なくとも１つの方位値（Ａ_ＭＥＳＳ，Ｂ_ＭＥＳＳ，Ｃ_ＭＥＳＳ）を用いて、センサ座標系における仮想ツールセンターポイントと測定個所の間の方位差が決定され、さらに、この方位差に基づいて仮想ツールセンターポイントを方位に関して測定個所と一致させる。

さらに別の代替的な実施形態では、仮想ツールセンターポイントが測定個所に位置するまでロボットを制御することによって、仮想ツールセンターポイントと測定個所との一致が実現され、あるいは、測定個所への仮想ツールセンターポイントの手動制御式の接近を容易にするために、測定個所へ到達するためにロボットをどのように移動させるべきかの情報が出力されることが意図されていてよい。

第１の選択肢の場合、測定個所への仮想ツールセンターポイントの手動制御式の接近を容易にするために、測定個所へ到達するためにロボットをどのように移動させるべきかの情報が出力されるのが好ましく、それに対して第２の選択肢では、仮想ツールセンターポイントが測定個所に位置するまで、ロボットの自動制御による一致が行われる。

特に光切断センサが測定センサとして使用される場合、その測定値を用いて、センサ座標系における測定個所の三次元空間座標の少なくとも２つ（Ｙ_ＭＥＳＳ，Ｚ_ＭＥＳＳ）が
決定され、第３の空間座標は、測定個所を通って第３の空間座標の方向へ延びる直線と、光切断センサの光カーテンとの交点によって決定される。

このように、光切断センサの測定値を用いて、基準コンポーネントの面に対する垂線（Ｚ_ＭＥＳＳ）を決定することができ、さらに、光切断センサを測定個所に対してアライメントすることによって、センサ座標系の座標方向（Ｚ_ＳＥＮＳ）を基準コンポーネントの面の垂線（Ｚ_ＭＥＳＳ）と一致させることができる。

さらに、本方法の１つの好ましい発展例は、測定個所が、基準コンポーネントの面にある線またはエッジに位置しており、この線またはエッジによって惹起される光切断センサのステップ応答が消滅するまで光切断センサの平坦な光カーテンを基準コンポーネントの面に対する垂線を中心として回転させ、この方位が第１の角度位置を形成し、上記の線またはエッジによって惹起される光切断センサのステップ応答があらためて消滅するまで光切断センサを反対方向へ回転させ、この新たな方位が第２の角度位置を形成し、第１および第２の角度位置の角の二等分線が目的の角度方向として検出されることを意図している。

さらに本発明は、特に本発明の方法を実施するための表示手段を備える制御装置を対象としており、該表示手段は、仮想ツールセンターポイントの空間位置を表示するように構成されている。

さらに、本発明による制御装置の好ましい発展例では、表示手段は、仮想ツールセンターポイントが測定個所に位置するようになるまでロボットを移動させるべき方向に関する情報を表示するように構成されており、および／または表示手段は、仮想ツールセンターポイントが測定個所にいつ位置するかを示す情報を表示するように構成されていることが意図される。

本発明により、人間の目には見ることができず、したがってロボットプログラマーによって直接（機械的に）接近させることができない仮想ＴＣＰでのティーチングが可能である。本発明の方法により、光切断センサがロボットプログラマーに代わって「見る」。ロボットプログラマーが操作機器の表示内容を通じて仮想ＴＣＰへ接近させることができるように、これを操作機器で視覚化することができる。

本発明の上記以外の利点や構成要件は特許請求の範囲から明らかであり、および、図面を参照しながら本発明の実施例について具体的に説明される以下の説明から明らかである。

産業用ロボット１は、周知のとおり、台座２と、垂直方向のＡ１軸を中心として回転可能なカルーセル３と、水平方向のＡ２軸を中心として旋回可能な揺り腕４と、その自由端で水平方向のＡ３軸を中心として関節式に旋回可能なロボットアーム５とを有しており、ロボットアームはその自由端に配置された３つの回転軸Ａ４からＡ６をもつハンド６を備えている。ハンド６の自由端はフランジ７によって構成されている。Ａ６軸は、ハンドがＡ５軸を中心として旋回すると、Ａ４軸とは一致しなくなる。こうした一致は、図面に示す伸長した位置の特殊ケースについてしか成立しない。

フランジ７は工具を取り付けるために用いられる。図１では、これに光切断センサ８が取り付けられている。光切断センサ８は、そのＹ−Ｚ平面から平面上で扇形に広がる光線すなわち光カーテン９を生成する、好ましくは半導体レーザの形態の光源と、好ましくはＣＣＤアレイの形態のカメラ等の検出器とを有している。

光切断センサ８は独自の座標系を有している。センサ座標系におけるＹ方向Ｙ_ＳＥＮＳとＺ方向Ｚ_ＳＥＮＳが図面に示されているのに対して、Ｘ方向Ｘ_ＳＥＮＳは、図示した向きの場合、紙面に対して固定的に垂直に向いている。センサには、センサ座標系における地点Ｘ_ＴＣＰ，Ｙ_ＴＣＰ，Ｚ_ＴＣＰに、仮想ツールセンターポイント（ＴＣＰ１５）が付属している。

さらに、測定個所ないし指標１２を有する基準コンポーネント１１が図示されている。この指標は、具体的な実施例では、基準コンポーネント１１の段部１２からなっている。測定個所のＸ座標Ｘ_ＭＥＳＳは、段部１２の長手方向に沿って延びている。測定個所のＺ座標Ｚ_ＭＥＳＳは、基準コンポーネントの面１４に対して垂直に延びている。

図２を参照すると明らかなように、まず、指標１２がセンサのＣＣＤカメラの視界ないし視野区画に入るように、ロボットハンドが個々のロボット軸の位置調節によって動かされる。するとセンサは、指標１２を認識したという信号を生成する。このような目標区画への到達を、たとえば操作ユニットで好ましくは光学的または音響的に表示することもできる。センサが指標１２を検出するとただちに、光切断センサ８は、センサ座標系のＹ方向Ｙ_ＳＥＮＳでもＺ方向Ｚ_ＳＥＮＳでも指標１２の位置を決定する。光切断センサ８の座標系に関する指標１２の実際位置から、および、光切断センサ８の座標系に関して数学的に既知である仮想ＴＣＰ１５の位置から、指標１２と仮想ＴＣＰとの間の位置差が判定される。次いで、ロボットアームが方向Ｙ_ＳＥＮＳまたはＺ_ＳＥＮＳへ前進（＋）または後退（−）するように動かされ、これは、こられに関する指標１２および仮想ＴＣＰ１５の座標が（十分に）一致するまで行われる。ロボットは自動式の制御部によって自動的に動かすことができ、またはロボット操作者が、適当な仕方でロボットを手動により動かすことを要求される。

センサ座標系のＺ方向Ｚ_ＳＥＮＳにおける指標１２への仮想ＴＣＰ１５の接近が、少なくとも近似的に一致するまで相応に行われ、このとき、Ｚ方向Ｚ_ＳＥＮＳにおける指標の位置特定は、光切断センサ８により、スタティックな三角測量法のそれ自体公知の方法で行われる。

こうして仮想ＴＣＰ１５を指標１２と一致させ、このことは手動式または自動式に行うことができる。

この一致は厳密に成立させなくてもよく、ある程度の許容差Ｒで行うことができ、許容範囲はたとえばセンサ解像度の１倍から５倍のオーダーに収まっていてよく、すなわちたとえば１ｍｍであってよい。正確な位置決めが必要ではないのは、不正確な位置へ接近していても公知の３点法や４点法を用いてＴＣＰの実際の位置を数学的に正確に計算できるからである。

第３の座標Ｘは常にゼロである。光切断センサ８は平坦なビームすなわち光カーテンを生成し、これはＸ方向には空間的な広がりを有しておらず、すなわち無限に小さく、もしくは無限に薄いからである。システムが事前に「指標に到達して」おり、信号が生起されているという前提条件のもとで、指標１２がＹ方向で、光切断センサ８の光カーテンの平面に位置していることが保証される。

全体的には、こうして測定された光切断センサ８の座標系に関する指標１２の実際位置から、および、光切断センサの座標系における数学的に既知である仮想ＴＣＰ１５の位置から、指標１２と仮想ＴＣＰ１５の間の位置差を求め、それにより、世界座標系またはロボット座標系におけるＴＣＰの位置を決定することができる。

さらには、３つの角度位置のうち少なくとも２つを求めることができる。
第１の角度位置を決定するために、図２に示すように、まず、平坦なセンサビームをＸ方向を中心として基準コンポーネント１１ないし指標１２に対して回転させる。このとき、それ自体公知である光切断センサ８の三角測量法により、基準コンポーネント１１の面の法線がコンピュータで決定される。センサ独自の座標系のＺ方向Ｚ_ＳＥＮＳは既知である。光切断センサ８が旋回し、旋回中に、光切断センサ８のＺ方向Ｚ_ＳＥＮＳが、指標１２のＺ方向Ｚ_ＭＥＳＳのコンピュータで決定された法線に対して相対的に測定される。この運動は、Ｚ_ＳＥＮＳとＺ_ＭＥＳＳの間の相対角がゼロになるまで行われる。引き続いて、図３に示すように、光切断センサ８がそのＹ方向を中心として回転し、そのときに光切断センサ８と指標１２の間の間隔が測定される。この回転は、測定される間隔値が連続して減っていく回転方向で行うのがよい。測定値が再び増え始めるとすぐに、間隔が最小である折り返し点が認識される。この回転位置のとき、光切断センサ８のＹ方向は基準コンポーネント１１に対して垂直になっている。

このようにして、光切断センサ８のＺ方向Ｚ_ＳＥＮＳが指標１２のＺ方向Ｚ_ＭＥＳＳと一致する。

次のステップでは第２の角度が決定される。そのために、光切断センサ８をその独自のＺ軸Ｚ_ＳＥＮＳを中心として回転させ、このとき、回転軸としての前記軸は指標１２のエッジと十分な精度で交差する。平面上で扇形に広がる光切断センサ８の光線がエッジのＹ方向Ｙ_ＭＥＳＳにくるとすぐに、本来ならエッジに基づいて生起される、光切断センサ８によって生成される信号のステップ応答が消滅して、その角度位置が検出され、それによって光切断センサ８のＹ方向Ｙ_ＳＥＮＳが、指標１２のＹ方向ないし基準コンポーネント１１のエッジのＹ方向とある程度まで一致する。

精度を高めるために、光切断センサ８を前回の方向と同一方向または反対方向へ、（今回はたとえば１８０°だけ回して）平坦な光線の方向が同じくエッジと一致するまで、すなわち同じくステップ応答が消滅するまで回転させることができる。第２の角度位置として、検出された両方の（Ｙ方向の）角度位置の間の角度位置が、仮想ＴＣＰ１５の第２の角度方向として検出される。

第３の角度位置は、デカルト座標系において、これまでに決定された両方の角度位置に対する垂線として求められる。

こうして仮想ＴＣＰ１５は、その３つの方位に関してばかりでなく、デカルト座標系における位置に関しても、指標１２ないし測定個所と合同になっている。そしてこの位置が、通常の３点法または４点法によってあらためてティーチングされ、それにより、ロボット座標系または世界座標系における仮想ＴＣＰ１５の位置の一義的な決定が与えられる。

図４は、本発明による制御装置の表示手段の図像を示している。左側部分には数値情報が表示されており、下側領域にはメッセージが表示されているのに対して、本発明による制御装置は表示手段の右側部分で、仮想ツールセンターポイントの空間位置を表示するように構成されている。図４の図面では、仮想ツールセンターポイントが測定センサの空間位置になく、むしろ左に寄りすぎて離れすぎている。それに応じて表示器では「離れすぎ」と「左に寄りすぎ」を表す識別記号が点灯しており、それにより、基準コンポーネントの測定個所に対して測定センサが空間的近傍に存在していないことが、仮想ツールセンターポイントが測定個所へくるためにロボットが移動するべき方向を明示したうえで表示される。表示を行うために、測定センサは、その座標原点に対して相対的な指標の位置をフィードバックする。表示は、測定された位置と仮想ツールセンターポイントとの比較によ
って惹起され、それによって必要な移動方向が表示される。測定センサが基準コンポーネントの測定個所に対して十分な空間的近傍に位置しており、それに応じて測定個所が測定センサによって検出可能であれば、表示器の発光点によって定義される面の内部で測定個所が表示されることによって、その旨を表示することができ、それにより、仮想ツールセンターポイントが（所定の許容差考慮したうえで、ないし十分な近似をもって）測定個所に位置しているという情報を表示することができる。

ロボットハンドに取り付けられた光切断センサ、および空間内の位置が既知である指標を備える基準コンポーネントとともに、本発明のロボットを示す図である。 図１の基準コンポーネントとともに光切断センサを示す拡大図である。 図２の光切断センサを示す側面図である。 本発明による制御装置である。

符号の説明

１ 産業用ロボット
２ 台座
３ カルーセル
４ 揺り腕
５ ロボットアーム
６ ハンド
７ フランジ
８ 光切断センサ
９，１０ 光カーテン
１１ 基準コンポーネント
１２ 指標
１３ プレート
１４ 平坦な面
１５ 仮想ＴＣＰ

Claims (17)

1. 物体を測定するための測定センサを有するロボットの既知の座標系に関して仮想ツールセンターポイントを決定する方法において、
   ロボットの既知の座標系に関する仮想ツールセンターポイントの位置は、センサ座標系に関する仮想ツールセンターポイントの既知の位置と、仮想ツールセンターポイントが基準コンポーネントの測定位置に位置しているロボット位置についてのロボット軸位置の判定とに基づいて決定されることを特徴とする方法。
2. 前記ロボット軸位置の測定はロボット制御部に実装されているティーチング機能によるティーチングによって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記測定センサの測定値に基づいて仮想ツールセンターポイントが前記基準コンポーネントの測定個所へと動かされることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記基準コンポーネントの前記測定個所の空間的近傍へ前記センサが移され、そこで前記測定センサによって前記測定個所が検出され、
   前記測定センサで測定された前記測定個所の少なくとも１つの位置値（Ｙ_ＭＥＳＳ，Ｚ_ＭＥＳＳ）を用いて、センサ座標系における仮想ツールセンターポイントと前記測定個所との間の位置差が決定され、
   前記位置差に基づいて仮想ツールセンターポイントを位置に関して前記測定個所と一致させることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記基準コンポーネントの前記測定個所の空間的近傍へ前記センサが移され、そこで前記測定センサによって前記測定個所が検出され、
   前記測定センサによって測定された前記測定個所の少なくとも１つの方位値（Ａ_ＭＥＳＳ，Ｂ_ＭＥＳＳ，Ｃ_ＭＥＳＳ）を用いて、センサ座標系における仮想ツールセンターポイントと前記測定個所の間の方位差が決定され、
   前記方位差に基づいて仮想ツールセンターポイントを方位に関して前記測定個所と一致させることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 仮想ツールセンターポイントが前記測定個所に位置するまでロボットを制御することによって、仮想ツールセンターポイントと前記測定個所との一致が実現されることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記測定個所への仮想ツールセンターポイントの手動制御式の接近を容易にするために、前記測定個所へ到達するためにロボットをどのように移動させるべきかの情報が出力されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 仮想ツールセンターポイントと前記測定個所との一致は、仮想ツールセンターポイントと前記測定個所の間の位置差および／または方位差がロボットプログラムの位置データへ取り込まれるコンピュータを用いた方法によって実現されることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
9. 前記一致は、仮想ツールセンターポイントが前記測定個所に位置するまでロボットを自動制御することによって行われることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記測定センサとして光切断センサが使用されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
11. 前記光切断センサの測定値を用いて、センサ座標系における前記測定個所の３つの空間座標のうち少なくとも２つ（Ｙ_ＭＥＳＳ，Ｚ_ＭＥＳＳ）が決定され、第３の空間座標は、前記測定個所を通って第３の空間座標の方向へ延びる直線と、前記光切断センサの光カーテンとの交点によって決定されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記光切断センサの測定値を用いて前記基準コンポーネントの面に対する垂線（Ｚ_ＭＥＳＳ）が決定され、
    前記光切断センサを前記測定個所に対してアライメントすることによって、センサ座標系の座標方向（Ｚ_ＳＥＮＳ）を前記基準コンポーネントの面の垂線（Ｚ_ＭＥＳＳ）と一致させることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記測定個所は前記基準コンポーネントの面にある線またはエッジに位置しており、
    前記線またはエッジによって惹起される前記光切断センサのステップ応答が消滅するまで前記光切断センサの平坦な光カーテンを前記基準コンポーネントの面に対する垂線を中心として回転させ、この方位が第１の角度位置を形成し、
    前記線またはエッジによって惹起される前記光切断センサのステップ応答があらためて消滅するまで前記光切断センサを反対方向へ回転させ、この新たな方位が第２の角度位置を形成し、
    前記第１および第２の角度位置の角の二等分線が目的の角度方向として検出されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 特に前記請求項のうちいずれか１項に記載の方法を実施するための表示手段を備える制御装置において、前記表示手段は仮想ツールセンターポイントの空間位置を表示するように構成されていることを特徴とする制御装置。
15. 前記表示手段は、測定センサによって測定個所を検出可能である前記基準コンポーネントの測定個所に対して測定センサが空間的近傍に存在しているか存在していないかに関する情報を表示するように構成されていることを特徴とする、請求項１４に記載の制御装置。
16. 前記表示手段は、仮想ツールセンターポイントが前記測定個所に位置するようになるまでロボットを移動させるべき方向に関する情報を表示するように構成されていることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の制御装置。
17. 前記表示手段は、仮想ツールセンターポイントが前記測定個所にいつ位置するかを示す情報を表示するように構成されていることを特徴とする、請求項１４から１６までのいずれか１項に記載の制御装置。

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