JP5516974B2 - 視覚センサのマウント装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットを用いた自動生産システムにおける視覚センサのマウント装置と方法に関する。

ロボットを用いた自動生産システムにおいて、ロボットのハンドに種々のツールをマウントする手段として、特許文献１〜３が既に提案されている。

特許文献１のオートツールチェンジャーは、工具取り付け器具に溝を設けて、この溝でロボットのハンドをガイドするものである。
特許文献２の多機能ロボットは、ロボットのハンドにロボットの作業領域が観測出来る視覚センサとツールチェンジャーがマウントされているものである。
特許文献３の把持装置は、情報取得手段と移動経路設定手段と制御手段とを備え、設定された移動経路に沿って、把持手段を移動させ、被把持部材を把持するものである。

特開平０１−２８９６９０号公報、「オートツールチェンジャー」 特開平０２−２３７７８４号公報、「多機能ロボット」 特開２００９−１０７０４３号公報、「把持装置および把持装置制御方法」

上述した特許文献１のオートツールチェンジャーでは、ツールをロボットのハンドにマウントする際に、メカニカルガイドや治具上の溝等を使って取り付け時の位置精度を確保していた。
また、視覚センサを用いる特許文献２，３の手段では、視覚センサの置かれている台とツールの位置関係に厳しい制約があった。

そのため、従来の手段では、ロボットのハンドにマウントするために、視覚センサを正確に位置決めし、その位置と姿勢に基づきハンドを移動する必要があった。
従って、視覚センサの正確な位置と姿勢が不明である場合、或いはその位置又は姿勢が変化している場合には、視覚センサをハンドにマウントできなかった。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、視覚センサの正確な位置と姿勢が不明である場合、或いはその位置又は姿勢が変化している場合でも、視覚センサをロボットのハンドに正確にマウントすることができる視覚センサのマウント装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、ロボット座標系においてハンドを３次元移動可能なロボットと、
視覚センサ座標系においてハンドの位置と姿勢を非接触で検出可能な視覚センサとを備え、
（Ａ）ロボット座標系において視覚センサの検出範囲内にハンドを移動して、視覚センサにより視覚センサ座標系におけるハンドの位置と姿勢を非接触で検出し、
（Ｂ）前記検出結果からハンドと視覚センサの相対位置関係を算出し、
（Ｃ）前記相対位置関係からロボット座標系における視覚センサの位置と姿勢を算出し、
（Ｄ）ロボット座標系において前記ハンドを移動して該ハンドに前記視覚センサをマウントする、ことを特徴とする視覚センサのマウント方法が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記視覚センサは、レーザーレーダ又は撮像カメラである。

また、前記視覚センサは、単独又はその他のツールに固定されている、ことが好ましい。

また本発明によれば、ロボット座標系においてハンドを３次元移動可能なロボットを制御するロボット制御装置と、
視覚センサ座標系においてハンドの位置と姿勢を非接触で検出可能な視覚センサとを備え、前記ロボット制御装置により、
（Ａ）ロボット座標系において視覚センサの検出範囲内にハンドを移動して、視覚センサにより視覚センサ座標系におけるハンドの位置と姿勢を非接触で検出し、
（Ｂ）前記検出結果からハンドと視覚センサの相対位置関係を算出し、
（Ｃ）前記相対位置関係からロボット座標系における視覚センサの位置と姿勢を算出し、
（Ｄ）ロボット座標系において前記ハンドを移動して該ハンドに前記視覚センサをマウントする、ことを特徴とする視覚センサのマウント装置が提供される。

上記本発明の装置と方法によれば、視覚センサをロボットのハンドにマウントする際に、まず視覚センサの視野内にハンドを移動し、そこでハンドを動かしながら視野内でのハンド位置を測定し、その値をもとに視覚センサとハンドの相対位置関係を逆算する。
従って、センサが通常とずれた場所に置かれていたとしても、ハンドが視覚センサの視野内に入るように移動さえすれば、センサを把持する事ができる。そのためこの手段では、ガイド付き治具等の特殊なハードウェアは不要であり、かつ、設置場所の正確な位置出しや教示がいらない。また視野内でハンド位置を変えて複数回測定することにより、単なる位置決めだけでなく、視覚センサ座標系とロボット座標系の統合も行うことができる。

すなわち上記本発明の装置と方法によれば、ロボット制御装置により、視覚センサの検出結果からハンドと視覚センサの相対位置関係を算出し、この関係からロボット座標系における視覚センサの位置と姿勢を算出するので、視覚センサの正確な位置と姿勢が不明である場合、或いはその位置又は姿勢が変化している場合でも、視覚センサをハンドに正確にマウントすることができる。

本発明によるマウント装置を備えたロボットの全体構成図である。 本発明のマウント方法を示すフローチャートである。 本発明のマウント方法の説明図である。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるマウント装置を備えたロボットの全体構成図である。この図において、（Ａ）は全体図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ部説明図である。

図１（Ａ）において、本発明のマウント装置１０は、ロボット制御装置１２と視覚センサ１４を備える。

ロボット制御装置１２は、ロボット座標系Σ_Ｒにおいてハンド１１（ロボットハンド）を３次元移動可能なロボット２を制御する。このロボット２は、ロボットアーム３のアーム先端１にハンド１１を有する。

ここでロボット座標系Σ_Ｒとは、ハンド１１を３次元動作させる際の座標系であり、ロボットの非作動位置（例えばベース中心）を原点とするＸ，Ｙ，Ｚの座標系を有する。

ロボット制御装置１２は、例えばコンピュータであり、ハンド１１を制御するロボットコントローラの機能を備えていることが好ましい。
ロボット制御装置１２は、図示しない記憶装置及び演算装置を備える。

記憶装置は、例えばハードディスク、メモリカード、ＲＯＭ、ＲＡＭ等であり、ロボット座標系Σ_Ｒと視覚センサ座標系Σ_Ｓの相対位置関係、ロボット制御装置１２で実行する計算プログラム等を記憶する。
この相対位置関係、計算プログラム等は、図示しない入力装置、例えばキーボード、メモリリーダから記憶装置に入力されている。
なお、ロボット座標系Σ_Ｒと視覚センサ座標系Σ_Ｓの相対位置関係は、厳密な意味では未知でよく、概略の相対位置関係が既知であればよい。

演算装置は、例えばコンピュータのＣＰＵであり、記憶した計算プログラムと記憶した位置関係から、後述する演算を算出する。

ハンド１１は、この例では２本の把持爪１１ａを開閉して、視覚センサ１４を把持する把持装置である。なお、本発明はこの構成に限定されず、ハンド１１に視覚センサ１４を固定できる限りで、その他の固定手段（例えばマグネット）であってもよい。

視覚センサ１４は、視覚センサ座標系Σ_Ｓにおいてハンド１１の位置と姿勢を非接触で検出可能に構成されている。
視覚センサ１４は、この例では撮像カメラ（例えばＣＣＤカメラ）であるが、レーザで距離を計測するレーザーレーダであってもよい。

また、この例では、視覚センサ１４を単独でハンド１１にマウントするが、本発明はこれに限定されず、視覚センサ１４をその他のツール（例えば、各種工具やセンサ）に固定し、そのツールをハンド１１にマウントしてもよい。
すなわち、種々のツールに視覚センサ１４を固定することで、ツールをハンド１１にマウントするために本発明を用いてもよい。

図１（Ｂ）に示すように、視覚センサ１４の所定の位置を基準とする座標系を視覚センサ座標系Σ_Ｓと呼ぶ。視覚センサ座標系Σ_Ｓも、Ｘ，Ｙ，Ｚの座標を有する。

視覚センサ１４は、ハンド１１の作動範囲において、予め所定の位置（例えばセンサ設置台４）に静置されている。
視覚センサ１４の静置は、センサの視野を塞がない限りで、正確な位置と姿勢が不明であっても、振動その他の原因で静置の位置又は姿勢が変化していてもよい。

図２は、本発明のマウント方法を示すフローチャートである。
図２に示すように、本発明の方法は、Ｓ１〜Ｓ５の各ステップ（工程）からなる。

初めに、ロボット座標系Σ_Ｒにおいて視覚センサ１４の検出範囲内にハンド１１を移動し（Ｓ１）、視覚センサ１４により視覚センサ座標系Σ_Ｓにおけるハンド１１の位置と姿勢を非接触で検出する（Ｓ２）。
Ｓ１，Ｓ２のステップは、例えばハンド１１をロボット座標系Σ_ＲにおいてＸ，Ｙ，Ｚ方向にそれぞれ移動し、その移動量と視覚センサ座標系Σ_Ｓにおけるハンド１１の位置と姿勢を検出するのがよい。

視覚センサ１４が撮像カメラである場合、撮像カメラで検出されるのは２次元画像上の位置であり、その画像上の位置変化とハンド１１の実際の移動量から、視覚センサ座標系Σ_Ｓにおけるハンド１１の３次元位置と姿勢を検出することができる。
また、視覚センサ１４がレーザーレーダである場合、レーザーレーダで検出されるのはハンド１１の３次元位置であり、視覚センサ座標系Σ_Ｓにおけるハンド１１の３次元位置と姿勢を直接検出することができる。

次に、Ｓ２ステップの検出結果からハンド１１と視覚センサ１４の相対位置関係を算出する（Ｓ３）。
すなわち、視覚センサ１４の正確な位置と姿勢が不明である場合、或いはその位置又は姿勢が変化している場合でも、概略の相対位置関係が既知であれば、上記Ｓ１〜Ｓ３のステップにより、ロボット座標系Σ_Ｒと視覚センサ座標系Σ_Ｓの相対位置関係を、厳密な意味で求めることができ、この段階で、視覚センサ座標系Σ_Ｓとロボット座標系Σ_Ｒの統合を行うことができる。

次いで、求めた相対位置関係からロボット座標系における視覚センサの位置と姿勢を算出し（Ｓ４）、ロボット座標系においてハンド１１を移動してハンド１１に視覚センサ１４をマウントする（Ｓ５）。

図３は本発明のマウント方法の説明図である。
この図において、視覚センサ１４は、ハンド１１の作動範囲において、センサの視野を塞がないように、例えばセンサ設置台４に静置されている。
なお、この図で１３は視覚センサ１４の本来あるべき位置であるが、振動その他の原因で静置の位置又は姿勢が変化しており、視覚センサ１４の正確な位置と姿勢は不明である。
また図３において、ハンド１１を動作させるロボット座標系Σ_Ｒと視覚センサ１４を基準とする視覚センサ座標系Σ_Ｓは、互いに独立しており、概略の相対位置関係は既知であるとする。

以下、本発明による装置の動作を説明する。
初めに、ロボットアーム３を動かしてハンド１１を移動させ、視覚センサ１４の視野内にハンド１１が入る状態に持っていく。
予想位置で視野内に映らない場合はハンド１１を動かして視野範囲を探索する。

次に、視覚センサ１４にてハンド１１の位置を計測する。ハンド１１の位置を動かして、この測定を例えば４回繰り返す。
なお視覚センサ１４が撮像カメラである場合、撮像カメラ１４の撮像画像をモニターしながらハンド１１にフィードバックをかけてもいい。
ハンド１１を複数回動かさずに１回の計測で撮れたハンド１１の特徴点（例えばコーナ）４点を使って、時間を節約してもよい。

次に、先の測定結果から、視覚センサ１４とハンド１１の相対位置関係を逆算し、視覚センサ１４の把持場所にハンド１１を移動させて視覚センサ１４を把持（マウント）する。

次に、視覚センサ１４をハンド１１で把持した後、そのままハンド１１を３次元移動させ、この際に、基準マーカ等を視覚センサ１４で計測することにより、把持位置にずれが無い事を確認する。

なお、上述した視覚センサ１４の代わりに、ツール側に磁石、ハンド側にホールプルーブ等の磁場センサを用いて、メカニカルガイドや治具上の溝等を用いずに、ツールをハンドにマウントすることもできる。
視覚センサの場合は把持した後の把持ずれ補正が、視覚センサそのものを使って行えるが、他のツールの場合は外部に置かれている視覚センサ等を利用して補うのがよい。

通常、ロボットの作動範囲を定点に設置した視覚センサで観測するには、大きな視野角と高い解像度が必要となる。一般にこれらはセンサ自体が高コストとなるうえ、読み出しデータが大量となり計算負荷が高くなり、かつ計測誤差が大きくなる問題点がある。
これに対し、本発明の手段により、適宜、視覚センサをハンドにマウントすることにより、ロボットの作動位置に近接して検出できるので、高い解像度を低コストで達成し、かつ計算負荷が低くし、かつ計測誤差を小さくできる。

上述した本発明の装置と方法によれば、視覚センサ１４をロボット２のハンド１１にマウントする際に、まず視覚センサ１４の視野内にハンド１１を移動し、そこでハンド１１を動かしながら視野内でのハンド位置を測定し、その値をもとに視覚センサ１４とハンドの相対位置関係を逆算する。
従って、視覚センサ１４が通常とずれた場所に置かれていたとしても、ハンド１１が視覚センサ１４の視野内に入るように移動さえすれば、視覚センサ１４を把持することができる。そのためこの手段では、ガイド付き治具等の特殊なハードウェアは不要であり、かつ、設置場所の正確な位置出しや教示がいらない。また視野内でハンド位置を変えて複数回測定することにより、単なる位置決めだけでなく、視覚センサ座標系Σ_Ｓとロボット座標系Σ_Ｒの統合も行うことができる。

すなわち上記本発明の装置と方法によれば、ロボット制御装置１２により、視覚センサ１４の検出結果からハンド１１と視覚センサ１４の相対位置関係を算出し、この関係からロボット座標系Σ_Ｒにおける視覚センサ１４の位置と姿勢を算出するので、視覚センサ１４の正確な位置と姿勢が不明である場合、或いはその位置又は姿勢が変化している場合でも、視覚センサ１４をハンド１１に正確にマウントすることができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１ アーム先端、２ ロボット、３ ロボットアーム、
１０ マウント装置、１１ ハンド、１１ａ 把持爪、
１２ ロボット制御装置、
１３ 視覚センサのあるべき位置、
１４ 視覚センサ（撮像カメラ、レーザーレーダ）

Claims (4)

1. ロボット座標系においてハンドを３次元移動可能なロボットと、
   視覚センサ座標系においてハンドの位置と姿勢を非接触で検出可能な視覚センサとを備え、
   （Ａ）ロボット座標系において視覚センサの検出範囲内にハンドを移動して、視覚センサにより視覚センサ座標系におけるハンドの位置と姿勢を非接触で検出し、
   （Ｂ）前記検出結果からハンドと視覚センサの相対位置関係を算出し、
   （Ｃ）前記相対位置関係からロボット座標系における視覚センサの位置と姿勢を算出し、
   （Ｄ）ロボット座標系において前記ハンドを移動して該ハンドに前記視覚センサをマウントする、ことを特徴とする視覚センサのマウント方法。
2. 前記視覚センサは、レーザーレーダ又は撮像カメラである、ことを特徴とする請求項１に記載のマウント方法。
3. 前記視覚センサは、単独又はその他のツールに固定されている、ことを特徴とする請求項１に記載のマウント方法。
4. ロボット座標系においてハンドを３次元移動可能なロボットを制御するロボット制御装置と、
   視覚センサ座標系においてハンドの位置と姿勢を非接触で検出可能な視覚センサとを備え、前記ロボット制御装置により、
   （Ａ）ロボット座標系において視覚センサの検出範囲内にハンドを移動して、視覚センサにより視覚センサ座標系におけるハンドの位置と姿勢を非接触で検出し、
   （Ｂ）前記検出結果からハンドと視覚センサの相対位置関係を算出し、
   （Ｃ）前記相対位置関係からロボット座標系における視覚センサの位置と姿勢を算出し、
   （Ｄ）ロボット座標系において前記ハンドを移動して該ハンドに前記視覚センサをマウントする、ことを特徴とする視覚センサのマウント装置。