JPH06137850A - Ultrasonic three-dimensional robot position / orientation measuring device and its measuring method - Google Patents
Ultrasonic three-dimensional robot position / orientation measuring device and its measuring methodInfo
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 超音波パルスの伝播時間測定による距離計測
を応用し、3個の超音波発信器、3個又は4個の受波器
を用いてロボットの位置・姿勢を計測することにより、
簡便にして安価なロボットの位置・姿勢計測装置を構成
するとともに、精度の向上を図る。
【構成】 超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計
測にあたり、ロボット1のハンド2に取り付けられる3
個の電気火花を用いた超音波パルスを発する超音波発信
器T1 〜T3 と、この超音波発信器からの超音波パルス
を受ける所定位置に固定される3個の受波器R1 〜R3
とを設け、超音波パルスの伝播時間測定による距離を用
いた三角測量により、ロボットの3次元位置・姿勢計測
を行う。
(57) [Abstract] [Purpose] Measuring the position and orientation of a robot using three ultrasonic wave transmitters and three or four wave receivers by applying distance measurement by measuring the propagation time of ultrasonic pulses. By doing
A simple and inexpensive robot position / orientation measuring device is configured, and accuracy is improved. [Structure] When measuring the three-dimensional position / orientation of the robot by ultrasonic waves, the robot is attached to the hand 2 of the robot 1
Ultrasonic transmitters T 1 to T 3 for emitting ultrasonic pulses using individual electric sparks, and three receivers R 1 to R 1 fixed to predetermined positions for receiving ultrasonic pulses from the ultrasonic transmitters. R 3
Is provided, and the three-dimensional position / orientation of the robot is measured by triangulation using the distance obtained by measuring the propagation time of the ultrasonic pulse.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、超音波によるロボット
の3次元位置・姿勢計測装置及びその計測方法に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot and a measuring method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、このような分野の技術文献として
は、以下のようなものを挙げることができる。 (1)「産業用ロボットの標準化に関する調査研究」成
果報告書,(社)日本産業用ロボット工業会,(198
8) 6頁〜31頁 (2)斉藤正樹: ロボットの実際の挙動を確認するチ
ェック・システム,自動化技術,Vol.18,No.
11,(1986)117頁〜122頁 (3)K.Lau,R.J.Hocken and
W.C.Haight:Automatic lase
r tracking interferometer
system for robot metrolo
gy, Precision Engineerin
g,Vol.8,No.1,(1986)3頁〜8頁 (4)GP−8−3D Sonic Digitize
r Operator’s, Manual,Scie
nce Accessories Corp.,(19
85) 1頁〜85頁 (5)後藤充夫,谷村吉久,黒澤俊郎: 追尾式レーザ
干渉計による座標計測システム −基本設計と要素の試
作−, 昭和63年度精密工学会秋季大会学術講演会講
演論文集,(1988) 315頁〜316頁 (6)工業技術院大型プロジェクト 極限作業ロボット
研究開発技術報告書,極限作業ロボット技術研究組合,
(1990) 168頁〜173頁 (7)下河辺 明,馬 樹元: 断続超音波の多重位相
差による3次元座標の測定,精密工学会誌,Vol.5
3,No.9,(1987) 72頁〜77頁(通卷の
頁数は1408頁〜1413頁) (8)松川真美,大谷隆彦: 放電インパルス音源にお
ける放電回路条件の影響,超音波研究会資料,(198
8) 37頁〜44頁 (9)佐々木 健,小野勝久,高野政晴: ロボットの
ための高精度超音波センサの開発研究,精密機械,Vo
l.51,No.6,(1985) 142頁〜147
頁(通卷の頁数は1238頁〜1243頁) (10)D.E.Whitney,C.A.Lozin
ski and J.M.Rourke:Indust
rial Robot Forward Calibr
ation Method and Results,
Transactions of the ASME,
Journal ofDynamic System
s,Measurement and Contro
l,Vol.108,No.1,(1986) 1頁〜
8頁 (11)古屋 信幸,牧野 洋: SCARAロボット
諸元のティーチングによる校正,精密機械, Vol.
49,No.9,(1983) 69頁〜74頁(通卷
の頁数は1223頁〜1228頁) ロボットがピックアンドプレイス等の単純な作業のみで
なく、組立等の高い精度が要求される作業にも用いられ
つつある現在、メーカ、ユーザの双方にとってロボット
の運動性能を正確に評価することは重要な課題である。2. Description of the Related Art Conventionally, the following can be cited as technical literature in such a field. (1) Report of "Survey and Research on Standardization of Industrial Robots", Japan Industrial Robot Manufacturers Association, (198)
8) Pages 6 to 31 (2) Masaki Saito: Check system for confirming the actual behavior of the robot, automation technology, Vol. 18, No.
11, (1986) pp. 117-122 (3) K. Lau, R .; J. Hocken and
W. C. Height: Automatic case
r tracking interferometer
system for robot metrolo
gy, Precision Engineering
g, Vol. 8, No. 1, (1986) pp. 3-8 (4) GP-8-3D Sonic Digitize
r Operator's, Manual, Scie
nce Accessories Corp. , (19
85) pp. 1-85 (5) Mitsuo Goto, Yoshihisa Tanimura, Toshiro Kurosawa: Coordinate measurement system by tracking laser interferometer-Basic design and trial production of elements-, 1988 Autumn Meeting of Precision Engineering Society Conference Shu, (1988) pp. 315 to 316 (6) Large-scale project of the Agency of Industrial Science and Technology, Extreme work robot research and development technical report, Extreme work robot technology research association,
(1990) pp. 168 to 173 (7) Akira Shimokawa, Aki Ma: Measurement of three-dimensional coordinates by multiple phase differences of intermittent ultrasonic waves, Journal of Precision Engineering, Vol. 5
3, No. 9, (1987) 72 to 77 pages (the number of pages in a regular page is 1408 to 1413 pages) (8) Mami Matsukawa, Takahiko Otani: Influence of discharge circuit conditions in discharge impulse sound source, Ultrasonic Research Group materials, (198
8) Pages 37-44 (9) Ken Sasaki, Katsuhisa Ono, Masaharu Takano: Research and development of high-precision ultrasonic sensors for robots, precision machinery, Vo
l. 51, No. 6, (1985) pp. 142-147.
Pages (The number of pages in the regular page is 1238 to 1243) (10) D. E. Whitney, C.I. A. Lozin
ski and J. M. Rourke: Indust
Rial Robot Forward Calibr
ation Method and Results,
Transactions of the ASME,
Journal of Dynamic System
s, Measurement and Contro
1, Vol. 108, No. 1, (1986) page 1-
Page 8 (11) Nobuyuki Furuya, Hiroshi Makino: Calibration of SCARA robot specifications by teaching, precision machinery, Vol.
49, No. 9, (1983) pages 69 to 74 (the number of pages in a regular page is 1223 to 1228) The robot is used not only for simple work such as pick and place, but also for work that requires high precision such as assembly. Nowadays, accurate evaluation of robot motion performance is an important issue for both manufacturers and users.
【0003】特に、ロボットの絶対位置決め精度の評価
はマニュアル教示の代替として期待されているオフライ
ンプログラミングの前提となるので重要である。しか
し、広い3次元空間内を任意の軌道をとりながら移動す
るロボットの位置・姿勢を、非接触で、かつリアルタイ
ムに、しかも高精度で計測する測定機器は現状では実用
段階に至っていない。In particular, evaluation of the absolute positioning accuracy of the robot is important because it is a prerequisite for off-line programming, which is expected as an alternative to manual teaching. However, at present, a measuring device for measuring the position / orientation of a robot moving in a wide three-dimensional space while taking an arbitrary trajectory in a non-contact manner in real time and with high accuracy is not in practical use at present.
【0004】そのため現在ロボットの運動性能の評価と
して、空間上の数点への繰返し位置決め精度を近接セン
サで評価することが一般に行われている。Therefore, at present, as a motion performance evaluation of a robot, it is generally performed to evaluate the repetitive positioning accuracy at several points in space by a proximity sensor.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかし、この方式は測
定精度は比較的高いが静的な測定であり、しかも局所的
なデータしか得られず、ロボットの運動性能の評価には
十分とはいえない。一方、3次元座標の非接触測定装置
として、従来よりLED光、レーザビーム、超音波を用
いたシステムが研究されており、一部が商品化されてい
る。However, this method has relatively high measurement accuracy but is static measurement, and only local data can be obtained, which is not sufficient for evaluating the motion performance of the robot. Absent. On the other hand, as a three-dimensional coordinate non-contact measuring device, a system using LED light, a laser beam, and an ultrasonic wave has been researched, and a part thereof has been commercialized.
【0006】このうち前二者は、後述するように、角度
を用いた三角測量を行うため、広い測定範囲においては
位置精度が出にくい。しかも画像処理装置やレーザ干渉
計が必要なので、システムが大がかりで高価になり、各
メーカ、ユーザが独自でシステムを所有するのは困難で
ある。レーザを用い距離による三角測量を行った報告も
あるが、システムが高価になりロボットの計測には適さ
ない。Of these, the former two perform triangulation using angles, as will be described later, and therefore the position accuracy is difficult to obtain in a wide measurement range. Moreover, since an image processing device and a laser interferometer are required, the system is large and expensive, and it is difficult for each manufacturer and user to own their own system. There is a report that the laser is used for triangulation, but the system is expensive and not suitable for robot measurement.
【0007】ところで、現在の産業用ロボットの位置繰
返し精度は、6自由度垂直多関節型のもので±0.3m
m程度であるが、絶対位置決め精度については通常カタ
ログに表示されておらず、比較的高精度なDDロボット
やスカラ型ロボット以外のロボットではかなり悪いと言
われてる。この原因として、リンク長、各軸の芯ずれ等
の機構の寸法誤差や減速器のバックラッシ等が挙げられ
る。従って、2m四方程度の3次元空間内の座標を、±
0.3mm程度の測定精度で簡便・安価に計測するシス
テムがあれば、絶対位置決め精度、姿勢精度、経路繰返
し精度、絶対経路精度、速度精度等のロボットの運動性
能の評価に有効である。By the way, the position repeatability of the current industrial robot is ± 0.3 m for the 6-DOF vertical articulated type robot.
Although it is about m, the absolute positioning accuracy is not usually shown in the catalog, and it is said that robots other than the DD robot and SCARA robot with relatively high accuracy are considerably bad. Causes of this include dimensional error of the mechanism such as link length, misalignment of each axis, backlash of the speed reducer, and the like. Therefore, the coordinates in the three-dimensional space of about 2 m square are ±
If there is a system that can easily and inexpensively measure with a measurement accuracy of about 0.3 mm, it is effective for evaluating the robot's motion performance such as absolute positioning accuracy, posture accuracy, path repeatability, absolute path accuracy, and speed accuracy.
【0008】超音波距離計は温度や空気の局所的な揺ら
ぎ等の影響を受けやすい音速を利用するため、密閉しな
い通常の室内で測定を行う場合、やや距離測定精度が悪
くなるという問題点はあるが、精度的には許容範囲内で
あり、超音波を用いた計測システムは、ロボットの性能
評価に十分有効であると考えられる。本方式は、計測原
理として距離を用いた三角測量を用いているが、その他
に、角度を用いた三角測量を用いる計測方式もある。角
度を用いた三角測量の例として、レーザヘッドからのビ
ームを基準点に設置した2軸回りに回転可能なミラーで
反射させ、コーナキューブ等のターゲットに照射するシ
ステムについて考える。Since the ultrasonic distance meter uses a sound velocity that is easily affected by temperature, local fluctuations of air, etc., when the measurement is performed in an ordinary room which is not hermetically sealed, the distance measurement accuracy is slightly deteriorated. However, the accuracy is within the allowable range, and it is considered that the measurement system using ultrasonic waves is sufficiently effective for the performance evaluation of the robot. This method uses triangulation using distance as a measurement principle, but there is another measurement method that uses triangulation using angle. As an example of triangulation using an angle, consider a system in which a beam from a laser head is reflected by a mirror rotatable around two axes installed at a reference point and a target such as a corner cube is irradiated with the beam.
【0009】この場合、ターゲットの移動に伴うビーム
の位置ずれを、光位置検出器で検出し、それをなくする
ように、ミラーの回転角度を常に制御し、この回転角度
からターゲットの存在する方位角を知り位置を計算する
方式がとられる。このシステムでは、例えば基準点から
1m離れたターゲットを±0.2mmの精度で計測する
ために、tan-1(±0.2/1000)=±0.01
°の高い角度測定精度が要求される。更に、検出器がこ
の角度精度を持っているとしても、ターゲットを正確に
この角度精度でリアルタイムに追尾するには、極めて高
度な制御技術が必要であり、システムの開発費等も膨大
なものになる。In this case, the positional deviation of the beam due to the movement of the target is detected by the optical position detector, and the rotation angle of the mirror is constantly controlled so as to eliminate it. The method of knowing the corner and calculating the position is adopted. In this system, for example, in order to measure a target 1 m away from the reference point with an accuracy of ± 0.2 mm, tan −1 (± 0.2 / 1000) = ± 0.01
High angle measurement accuracy of ° is required. Further, even if the detector has this angle accuracy, extremely advanced control technology is required to accurately track the target in real time with this angle accuracy, and the development cost of the system becomes enormous. Become.
【0010】また、超音波を用いて距離を測定する方法
に、数十波長の超音波を断続的に送信し、発信波形と受
信波形との位相差より距離を求める方法がある。この方
法は振幅変調した数種類の音波を送信する必要があり、
また不要な反射波を除去する必要があるので1回の座標
の測定に時間がかかるという問題点がある。本発明は、
上記した状況を鑑みて、超音波パルスの伝播時間測定に
よる距離計測を応用し、3個の発信器、3個又は4個の
受波器を用いてロボットの位置・姿勢を計測することに
より、簡便にして安価に構成でき、しかも精度の向上を
図り得る超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計測
装置及びその計測方法を提供することを目的とする。Further, as a method of measuring a distance using ultrasonic waves, there is a method of intermittently transmitting ultrasonic waves of several tens of wavelengths and obtaining the distance from the phase difference between the transmitted waveform and the received waveform. This method requires the transmission of several types of amplitude modulated sound waves,
Further, since it is necessary to remove unnecessary reflected waves, there is a problem that it takes time to measure the coordinates once. The present invention is
In view of the above situation, by applying the distance measurement by measuring the propagation time of the ultrasonic pulse and measuring the position / orientation of the robot by using three transmitters, three or four wave receivers, An object of the present invention is to provide an ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot, which can be simply constructed at low cost, and can improve accuracy, and a measuring method thereof.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 (A)超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計測装
置において、ロボットのハンドに取り付けられる3個の
電気火花を用いた超音波パルスを発生する超音波発信器
と、該超音波発信器からの超音波パルスを受ける所定位
置に固定される3個の受波器と、超音波パルスの伝播時
間測定により求められる距離を用いた三角測量により、
ロボットの3次元位置・姿勢計測を行う計測手段を具備
する。In order to achieve the above object, the present invention provides: (A) In a robot three-dimensional position / orientation measuring apparatus using ultrasonic waves, three electric sparks attached to a robot hand are provided. The ultrasonic wave generator that generates the ultrasonic wave pulse used, the three wave receivers that are fixed at predetermined positions to receive the ultrasonic wave pulse from the ultrasonic wave oscillator, and the ultrasonic wave propagation time are obtained. By triangulation using distance,
A measuring means for measuring the three-dimensional position / orientation of the robot is provided.
【0012】また、以下の従属的な構成を有する。 (1)前記受波器はコンデンサマイクロホンを用いる。 (2)前記受波器の俯仰角及び旋回角の調整装置を有す
る。 (3)前記超音波発信器の発信時間を検出する発信時間
検出回路を具備する。 (4)前記受波器からの受信アナログ信号をデジタル信
号に変換するA/Dコンバータと、該A/Dコンバータ
に接続される前記発信時間検出回路と、前記A/Dコン
バータに接続される演算処理装置を具備する。Further, it has the following subordinate structure. (1) The receiver uses a condenser microphone. (2) It has a device for adjusting the depression and elevation angle and the turning angle of the wave receiver. (3) A transmission time detection circuit for detecting the transmission time of the ultrasonic transmitter is provided. (4) A / D converter that converts a received analog signal from the wave receiver into a digital signal, the transmission time detection circuit connected to the A / D converter, and an operation connected to the A / D converter A processing device is provided.
【0013】(5)前記演算処理装置に接続される音速
モニタリングユニットを具備する。 (B)超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計測方
法において、ロボットのハンドに3個の電気火花を用い
た超音波パルスを発する超音波発信器を設置し、該超音
波発信器からの超音波パルスを所定位置に固定される3
個の受波器で受信し、前記超音波パルスの伝播時間を測
定し、距離を用いた三角測量により、ロボットの3次元
位置・姿勢計測を行うようにしたものである。(5) A sound velocity monitoring unit connected to the arithmetic processing unit is provided. (B) In the three-dimensional position / orientation measuring method of a robot using ultrasonic waves, an ultrasonic wave transmitter that emits ultrasonic pulses using three electric sparks is installed in the robot hand, and the ultrasonic wave from the ultrasonic wave transmitter is transmitted. Sound wave pulse is fixed in place 3
The three-dimensional position / orientation of the robot is measured by measuring the propagation time of the ultrasonic pulse, which is received by each wave receiver, and by triangulation using the distance.
【0014】また、以下の従属的な構成を有する。 (1)前記超音波発信器の発信時間を検出するととも
に、前記受波器は電気火花によるパルス波の振幅が閾値
を越えた後の第1のゼロクロス点を検出し、これに基づ
いて超音波パルスの伝播時間を測定する。 (2)音速補正を測定位置の近傍で行う。Further, it has the following subordinate structure. (1) While detecting the transmission time of the ultrasonic transmitter, the receiver detects the first zero-cross point after the amplitude of the pulse wave due to electric spark exceeds a threshold value, and based on this, the ultrasonic wave is detected. Measure the transit time of the pulse. (2) Sound velocity correction is performed near the measurement position.
【0015】(3)前記受波器を用いて、該受波器間の
距離を計測する。 (C)超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計測装
置において、ロボットのハンドに取り付けられる3個の
電気火花を用いた超音波パルスを発生する超音波発信器
と、該超音波発信器からの超音波パルスを受ける所定位
置に固定される4個の受波器と、超音波パルスの伝播時
間測定により前記超音波発信器のX,Y,Z座標ならび
に測定空間内における音速の4変数を計算し、距離を用
いた三角測量により、ロボットの3次元位置・姿勢計測
を行う計測手段を具備する。(3) The distance between the wave receivers is measured using the wave receivers. (C) In a three-dimensional position / orientation measuring device for a robot using ultrasonic waves, an ultrasonic transmitter for generating ultrasonic pulses using three electric sparks attached to the hand of the robot, and the ultrasonic transmitter Calculate four variables of X, Y and Z coordinates of the ultrasonic transmitter and the speed of sound in the measurement space by measuring the propagation time of the ultrasonic pulse and four receivers fixed at predetermined positions for receiving the ultrasonic pulse. However, it is provided with a measuring means for measuring the three-dimensional position / orientation of the robot by triangulation using the distance.
【0016】また、以下の従属的な構成を有する。 (1)前記受波器はコンデンサマイクロホンである。 (2)前記受波器の俯仰角及び旋回角の調整装置を具備
する。 (3)前記超音波発信器からの電気火花を発生させる電
気火花タイミング制御ボードと、前記発信器からの発信
時間を読み込むとともに、前記受波器からの受信信号に
基づき距離を求める4チャンネル距離計算ボードと、こ
れらに接続される演算処理装置を具備する。Further, it has the following subordinate structure. (1) The wave receiver is a condenser microphone. (2) A device for adjusting the depression angle and the turning angle of the wave receiver is provided. (3) Electric spark timing control board that generates electric sparks from the ultrasonic transmitter, and a four-channel distance calculation that reads the transmission time from the transmitter and calculates the distance based on the received signal from the receiver A board and an arithmetic processing unit connected to these are provided.
【0017】(4)前記演算処理装置に接続される音速
モニタリングユニットを具備する。 (D)超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計測方
法において、ロボットのハンドに3個の電気火花を用い
た超音波パルスを発する超音波発信器を設置し、該超音
波発信器からの超音波パルスを所定位置に固定される4
個の受波器で受信し、前記超音波パルスの伝播時間を測
定し、前記超音波発信器のX,Y,Z座標ならびに測定
空間内における音速の4変数を計算し、距離を用いた三
角測量により、ロボットの3次元位置・姿勢計測を行う
ようにしたものである。(4) A sound velocity monitoring unit connected to the arithmetic processing unit is provided. (D) In the method of measuring the three-dimensional position / orientation of a robot using ultrasonic waves, an ultrasonic wave transmitter that emits ultrasonic pulses using three electric sparks is installed in the robot hand, and the ultrasonic wave from the ultrasonic wave transmitter is transmitted. Sound wave pulse is fixed in place 4
It is received by each of the wave receivers, the propagation time of the ultrasonic pulse is measured, four variables of the X, Y, Z coordinates of the ultrasonic transmitter and the sound velocity in the measurement space are calculated, and a triangle using the distance is calculated. The 3D position / orientation of the robot is measured by surveying.
【0018】また、以下の従属的な構成を有する。 (1)前記超音波発信器の発信時間を検出するととも
に、前記受波器は電気火花によるパルス波の振幅が閾値
を越えた後の第1のゼロクロス点を検出し、これに基づ
いて超音波パルスの伝播時間を測定する。 (2)測定空間内における音速を、前記超音波発信器か
ら前記4個の受波器への超音波パルスの伝播時間から推
定計算する。Further, it has the following subordinate structure. (1) While detecting the transmission time of the ultrasonic transmitter, the receiver detects the first zero-cross point after the amplitude of the pulse wave due to electric spark exceeds a threshold value, and based on this, the ultrasonic wave is detected. Measure the transit time of the pulse. (2) The sound velocity in the measurement space is estimated and calculated from the propagation time of the ultrasonic pulse from the ultrasonic transmitter to the four receivers.
【0019】(3)前記受波器を用いて、該受波器間の
距離を計測し、初期座標系を校正する。 (4)前記初期座標系の校正において、音速モニタリン
グユニットを用いる。(3) Using the wave receiver, the distance between the wave receivers is measured to calibrate the initial coordinate system. (4) A sound velocity monitoring unit is used in the calibration of the initial coordinate system.
【0020】[0020]
【作用】本発明によれば、図1に示すように、ロボット
1のハンド2に取り付けられる3個の電気火花を用いた
超音波パルスを発生する超音波発信器T1 〜T3 と、そ
の超音波発信器T1 〜T3 からの超音波パルスを受ける
所定位置に固定される3個の受波器R1 〜R3 とを設
け、前記超音波パルスの伝播時間を測定し、前記超音波
発信器のX,Y,Z座標ならびに測定空間における音速
の4変数を計算し、距離を用いた三角測量により、ロボ
ットの3次元位置・姿勢計測を行う。According to the present invention, as shown in FIG. 1, ultrasonic transmitters T 1 to T 3 for generating ultrasonic pulses using three electric sparks attached to the hand 2 of the robot 1 and the ultrasonic transmitters thereof. Three ultrasonic wave receivers R 1 to R 3 fixed at predetermined positions for receiving the ultrasonic wave pulses from the ultrasonic wave transmitters T 1 to T 3 are provided, and the propagation time of the ultrasonic wave pulse is measured. Three variables of the X, Y, Z coordinates of the sound wave transmitter and the sound velocity in the measurement space are calculated, and the three-dimensional position / orientation of the robot is measured by triangulation using the distance.
【0021】また、図13に示すように、ロボット45
のハンド46に取り付けられる3個の電気火花を用いた
超音波パルスを発生する超音波発信器T1 〜T3 と、そ
の超音波発信器T1 〜T3 からの超音波パルスを受ける
所定位置に固定される4個の受波器R1 〜R4 とを設
け、前記超音波パルスの伝播時間を測定し、距離を用い
た三角測量により、ロボットの3次元位置・姿勢計測を
行う。Also, as shown in FIG.
Of the ultrasonic transmitters T 1 to T 3 for generating ultrasonic pulses using three electric sparks attached to the hand 46 of the robot, and a predetermined position for receiving the ultrasonic pulses from the ultrasonic transmitters T 1 to T 3. Four wave receivers R 1 to R 4 fixed to the robot are provided, the propagation time of the ultrasonic pulse is measured, and the three-dimensional position / orientation of the robot is measured by triangulation using the distance.
【0022】したがって、安価な超音波発信器及び受波
器を用いるため簡便にして、安価に構成でき、測定空間
内における音速を常に正確に計算し、距離を用いた三角
測量を行うため、測定精度もロボットの計測に必要な水
準を得ることができる。Therefore, since inexpensive ultrasonic transmitters and receivers are used, the structure can be simplified and inexpensive, the sound velocity in the measurement space is always accurately calculated, and the triangulation using the distance is performed. The accuracy can also be obtained at the level required for robot measurement.
【0023】[0023]
【実施例】以下、本発明の第1実施例について図を参照
しながら詳細に説明する。図1は本発明の第1実施例を
示す超音波パルスを用いた計測システムの原理図、図2
はその計測システムの発信器の一部分解斜視図、図3は
その計測システムの発信器の電気回路図、図4はその計
測システムの受波器の斜視図、図5はその発信器から送
出される電気的スパーク放電の受信されたパルス波形図
である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a principle diagram of a measurement system using ultrasonic pulses showing a first embodiment of the present invention, FIG.
Is a partially exploded perspective view of the transmitter of the measurement system, FIG. 3 is an electric circuit diagram of the transmitter of the measurement system, FIG. 4 is a perspective view of the receiver of the measurement system, and FIG. FIG. 5 is a received pulse waveform diagram of an electric spark discharge according to the present invention.
【0024】ロボットは様々な位置・姿勢をとるので、
超音波発信器は測定精度および指向性の観点から無指向
性点音源であることが望ましい。そこで本発明において
は、超音波発信器として、無指向性点音源近似できる電
気火花を用いる。図2に示すように、超音波発信器10
は、ベークライト製のスタンド11の両端にV溝12が
形成される支持部11aを有し、この支持部11aのV
溝12に、螺子15によってホルダ14を押さえつける
ことにより、中央部にギャップ25(例えば、30μ
m)を有するように放電針13が固定される。因みに、
図2において、L1 は80mm、L2 は10mm、φ1
は1mmである。Since the robot takes various positions and postures,
The ultrasonic transmitter is preferably an omnidirectional point sound source from the viewpoint of measurement accuracy and directivity. Therefore, in the present invention, an electric spark that can approximate an omnidirectional point sound source is used as the ultrasonic transmitter. As shown in FIG. 2, the ultrasonic transmitter 10
Has a support portion 11a in which V grooves 12 are formed at both ends of a stand 11 made of bakelite.
By pressing the holder 14 against the groove 12 with the screw 15, a gap 25 (for example, 30 μm) is formed in the central portion.
m), the discharge needle 13 is fixed. By the way,
In FIG. 2, L 1 is 80 mm, L 2 is 10 mm, and φ 1
Is 1 mm.
【0025】そこで、図3に示すように、ギャップ25
に衝撃的な高電圧を印加する。すなわち、電源21の直
流電圧30Vをコンデンサ22(44μF)に印加し、
その蓄積電荷をFET23でトリガして、スイッチング
を行い、その断続電流をイグニッションコイル24(コ
イル比は1:100)の1次側に流すことにより、イグ
ニッションコイル24の2次側で衝撃的な高電圧を発生
させ、ギャップ25に電気火花を生じさせる。すると、
それに伴い超音波パルスが発生する。Therefore, as shown in FIG.
A shocking high voltage is applied to. That is, the DC voltage 30V of the power source 21 is applied to the capacitor 22 (44 μF),
The accumulated charges are triggered by the FET 23 to perform switching, and the intermittent current is caused to flow to the primary side of the ignition coil 24 (coil ratio is 1: 100), so that the secondary side of the ignition coil 24 has a shocking high level. A voltage is generated to cause an electric spark in the gap 25. Then,
Along with that, an ultrasonic pulse is generated.
【0026】受波器は、図4に示すように、共振周波数
85kHzのコンデンサマイクロホン31を用いる。3
3はこのコンデンサマイクロホン31の支持軸であり、
更にこの支持軸33はL字形状の支持板34で支持さ
れ、この支持板34は支持軸35を有している。そこ
で、コンデンサマイクロホン31はDCサーボモータ
(図示なし)が駆動し、支持軸33により、俯仰角を調
整可能である。更に、その支持軸33を含むコンデンサ
マイクロホン31はDCサーボモータ(図示なし)が駆
動し、支持軸35は旋回角を調整可能である。つまり、
コンデンサマイクロホン31は受波器の向きを調整する
ことができる。ここで、例えば、コンデンサマイクロホ
ン31の受波面は直径26mmの円形面に構成する。As shown in FIG. 4, the wave receiver uses a condenser microphone 31 having a resonance frequency of 85 kHz. Three
3 is a support shaft of this condenser microphone 31,
Further, the support shaft 33 is supported by an L-shaped support plate 34, and the support plate 34 has a support shaft 35. Therefore, the condenser microphone 31 is driven by a DC servomotor (not shown), and the depression / elevation angle can be adjusted by the support shaft 33. Further, the condenser microphone 31 including the support shaft 33 is driven by a DC servo motor (not shown), and the support shaft 35 can adjust the turning angle. That is,
The condenser microphone 31 can adjust the direction of the wave receiver. Here, for example, the wave receiving surface of the condenser microphone 31 is configured as a circular surface having a diameter of 26 mm.
【0027】図5に電気火花により生じた超音波パルス
の受信波形を示す。波形は超音波パルスが到達した瞬間
をとらえるのに十分な鋭い立ち上がりを持ち、その音圧
はロボットへの応用に必要な2m程度の距離測定に十分
である。10万回放電した後の電極表面を顕微鏡で観察
したところ、微小なクレータ状の損耗がみられたもの
の、電極の消耗に伴う受信波形の変化は微小であり、測
定精度に影響を及ぼさない程度であった。FIG. 5 shows a received waveform of an ultrasonic pulse generated by an electric spark. The waveform has a sharp rise enough to catch the moment when the ultrasonic pulse arrives, and its sound pressure is sufficient for distance measurement of about 2 m necessary for application to a robot. Microscopic observation of the electrode surface after 100,000 discharges revealed a slight crater-like wear, but the change in the received waveform due to electrode wear was very small and did not affect the measurement accuracy. Met.
【0028】以下、距離の測定方法について詳細に説明
する。図5に示すように、本発明の距離計は超音波パル
スの到達した時点として、パルス波の振幅が閾値を超え
た後の第1のゼロクロス点を用いることにより、測定距
離の変化等に伴う振幅の影響を受け難くしている。この
距離計は超音波パルスの到達時間に音速を乗じて距離を
求めるため、既知の一定距離(約1350mm)を超音
波パルスが伝播する時間をリアルタイムでモニタして正
確な音速を求めている。The distance measuring method will be described in detail below. As shown in FIG. 5, the rangefinder of the present invention uses the first zero-cross point after the amplitude of the pulse wave exceeds the threshold value as the time when the ultrasonic pulse arrives, so that the measurement distance is changed. It is difficult to be affected by the amplitude. Since this distance meter multiplies the arrival time of the ultrasonic pulse by the sound velocity to obtain the distance, the time when the ultrasonic pulse propagates over a known fixed distance (about 1350 mm) is monitored in real time to obtain the accurate sound velocity.
【0029】この距離計の計測精度を1μmの位置決め
精度を持つNC工作機械を校正基準として検証した。図
6(a)に示すように、発信器TをNC工作機械のベッ
ドに固定し、ベッドを1軸方向上の50mmごと800
mmまでの各点で1μmの精度で位置決めし、各点にお
ける発信器Tと受波器Rの間の距離をこの距離計により
1000回ずつ計算した。The measurement accuracy of this range finder was verified using an NC machine tool having a positioning accuracy of 1 μm as a calibration standard. As shown in FIG. 6A, the transmitter T is fixed to the bed of the NC machine tool, and the bed is moved every 50 mm in one axis direction by 800 mm.
Positioning was performed with an accuracy of 1 μm at each point up to mm, and the distance between the transmitter T and the wave receiver R at each point was calculated 1000 times with this range finder.
【0030】受波器Rを最初の発信器の位置から約20
0mm離して設置した場合(ケースA)と約1200m
m離して設置した場合(ケースB)について測定を行っ
た。最初の測定点を原点とし、各点での測定距離から原
点での測定距離を差し引いたものを相対座標として求め
た結果を図6(b)、(c)に示す。ここで、●は10
00回の測定における測定誤差の平均値Ex、○は標準
偏差σxを示している。The receiver R is placed approximately 20 from the position of the first transmitter.
Approximately 1200 m when installed 0 mm apart (Case A)
The measurement was carried out for the case where they were installed at a distance of m (case B). FIGS. 6B and 6C show the results of the relative coordinates obtained by subtracting the measurement distance at the origin from the measurement distance at each point with the first measurement point as the origin. Where ● is 10
The average value Ex of the measurement error in the measurement of 00 times, and the symbol ◯ indicate the standard deviation σx.
【0031】この距離計の測定誤差の平均値は1mの測
定範囲で、±0.1mm以内、2mの測定範囲で±0.
3mm以内であり、標準偏差は1mの測定範囲で0.1
mm以下、2mの測定範囲で0.2mm以下であった。
測定誤差の要因は、測定を行う場所と音速補正用の距離
計の設置場所が実験の都合上1mほど離れており、恒温
化や空気の安定化がなんら考慮されていない工場内で測
定したためであり、気温・湿度、空気の流れ等が双方の
場所において異なってしまい、正確な音速の補正が行わ
れなかったためと考える。The average value of the measurement error of this rangefinder is within ± 0.1 mm within a measuring range of 1 m, and within ± 0 mm within a measuring range of 2 m.
Within 3 mm, the standard deviation is 0.1 in the measuring range of 1 m.
It was 0.2 mm or less in a measuring range of 2 mm or less.
The cause of the measurement error is that the place where the measurement is performed and the place where the distance meter for sound velocity correction is installed are separated by about 1 m for the sake of the experiment, and the measurement was performed in the factory where constant temperature and air stabilization were not considered at all. This is because the temperature / humidity, air flow, etc. were different at both places, and the sound velocity was not corrected accurately.
【0032】測定誤差のばらつきは測定空間における空
気の揺らぎに起因する。比較のため音速補正用の距離計
を含めたこの距離計を密閉された風洞装置内に設置し、
近似的な無風状態で約2mの距離を約4時間にわたって
1000回計測した。その結果、気温の変化による音速
のドリフトにもかかわらず、測定誤差の標準偏差は0.
07mm、測定誤差の最大値と最小値の差は0.34m
mと密閉しない場合に比べて高い精度が得られた。これ
により、測定誤差のばらつきは、発信器である電気火花
の放電位置のばらつき等ではなく、測定空間の空気の揺
らぎに起因することがわかる。The variation of the measurement error is caused by the fluctuation of air in the measurement space. For comparison, this rangefinder including the rangefinder for sound velocity correction was installed in the closed wind tunnel device.
A distance of about 2 m was measured 1000 times over about 4 hours in an approximately windless state. As a result, the standard deviation of the measurement error is 0.
07mm, the difference between the maximum and minimum measurement error is 0.34m
Higher accuracy was obtained compared to the case where the m was not closed. From this, it is understood that the variation in the measurement error is caused by the fluctuation of the air in the measurement space, not the variation in the discharge position of the electric spark as the transmitter.
【0033】したがって、音速補正を測定位置の近傍で
行い、測定空間の空気の安定化を配慮すれば、本発明の
距離計の精度はさらに向上すると思われる。次に、本発
明のロボットの3次元位置・姿勢計測原理について説明
する。ここでは3個の発信器と3個の受波器を用いた位
置・姿勢の計測原理について述べる。Therefore, it is considered that the accuracy of the distance meter of the present invention is further improved if the sound velocity is corrected near the measurement position and the air in the measurement space is stabilized. Next, the principle of three-dimensional position / orientation measurement of the robot of the present invention will be described. Here, the principle of position / orientation measurement using three transmitters and three receivers will be described.
【0034】図7に示すように、3個の受波器R1 〜R
3 と3個の発信器T1 〜T3 を配置し、3個の発信器T
1 〜T3 のうち1番目の発信器T1 (X1 ,Y1 ,
Z1 )と受波器Ri (xi ,yi ,zi )の間の測定さ
れた距離をLi とする。ここで、i=1〜3である。こ
のとき、(X1 −xi )2 +(Y1 −yi )2 +(Z1
−zi )2 =Li 2 を解くことにより、発信器T1 の3次元位置が求まる。As shown in FIG. 7, three wave receivers R 1 to R
3 and 3 transmitters T 1 to T 3 are arranged, and 3 transmitters T
First transmitter of 1 ~T 3 T 1 (X 1 , Y 1,
Let L i be the measured distance between Z 1 ) and the receiver R i (x i , y i , z i ). Here, i = 1 to 3. In this case, (X 1 -x i) 2 + (Y 1 -y i) 2 + (Z 1
By solving -z i ) 2 = L i 2 , the three-dimensional position of the oscillator T 1 is obtained.
【0035】残りの発信器T2 (X2 ,Y2 ,Z2 )、
発信器T3 (X3 ,Y3 ,Z3 )の3次元位置も同様に
して求めることができる。ここで計測に先立ち3個の発
信器の構成する三角形の重心Gとハンドの先端が一致す
るように位置決めされているとすると、重心Gの座標は
発信器T1 ,T2,T3 の測定された座標より計算して
求めることができる。The remaining transmitters T 2 (X 2 , Y 2 , Z 2 ),
The three-dimensional position of the transmitter T 3 (X 3 , Y 3 , Z 3 ) can be obtained in the same manner. Here, assuming that the center of gravity G of the triangle formed by the three transmitters and the tip of the hand are positioned before the measurement, the coordinates of the center of gravity G are measured by the transmitters T 1 , T 2 , and T 3 . It can be calculated and obtained from the coordinates.
【0036】次に、3次元姿勢計算を以下のようにして
行う。図7に示すように、基準ベクトルe1 ,e2 ,e
3 をとり、これでロボットの姿勢を表すとする。まず、Next, the three-dimensional posture calculation is performed as follows. As shown in FIG. 7, the reference vectors e 1 , e 2 , e
Take 3 and let this represent the pose of the robot. First,
【0037】[0037]
【数1】 [Equation 1]
【0038】を計算する。qは発信器T1 ,T2 ,T3
及びハンドの先端Gで構成される平面上でp1 と直交す
るベクトルである。これらを用いて基準ベクトルe1 ,
e2 ,e3 は、以下のように求めることができる。 e1 =p1 /|p1 | e2 =q/|q| e3 =e1 ×e2 以上のように、ロボットの位置・姿勢は3個の発信器と
3個の受波器を用いることにより一意に求めることがで
きる。Calculate q is a transmitter T 1 , T 2 , T 3
And a vector orthogonal to p 1 on the plane formed by the tip G of the hand. Using these, the reference vector e 1 ,
e 2 and e 3 can be obtained as follows. e 1 = p 1 / | p 1 | e 2 = q / | q | e 3 = e 1 × e 2 As described above, the position / orientation of the robot is 3 transmitters and 3 receivers. It can be uniquely obtained by using it.
【0039】計測した位置・姿勢をロボット座標系(図
7のXR ,YR ,ZR )での値に変換する場合、ロボッ
ト座標系と測定座標系との相対位置関係を校正する必要
が生ずるが、この手法としてロボットに数点への位置決
めを行わせ、その各点での計測座標値と各関節のエンコ
ーダの読みを利用する方法が種々提案されている。次
に、本発明の超音波によるロボットの3次元位置・姿勢
計測システムの概要とその特長について述べる。When converting the measured position / orientation into values in the robot coordinate system (X R , Y R , Z R in FIG. 7), it is necessary to calibrate the relative positional relationship between the robot coordinate system and the measurement coordinate system. Although this occurs, various methods have been proposed as this method in which the robot is made to perform positioning at several points and the measured coordinate value at each point and the reading of the encoder of each joint are used. Next, the outline and features of the ultrasonic three-dimensional robot position / orientation measuring system according to the present invention will be described.
【0040】図8に示すように、前記した電気火花によ
る超音波パルスを発生する3個の発信器T1 〜T3 を設
け、各発信器T1 〜T3 は発信時間検出回路41に接続
される。発信時間検出回路は、各発信器T1 〜T3 の発
信時間に基づいて、トリガを発生し、A/Dコンバータ
42に送信する。一方、3個の発信器T1 〜T3 から送
信される超音波パルスは、3個の受波器R1 〜R3 で受
信されて、その受信された超音波パルスはA/Dコンバ
ータ42に送られて、ディジタル信号に変換される。As shown in FIG. 8, three transmitters T 1 to T 3 for generating ultrasonic pulses by the electric sparks described above are provided, and each transmitter T 1 to T 3 is connected to a transmission time detection circuit 41. To be done. The transmission time detection circuit generates a trigger based on the transmission time of each of the transmitters T 1 to T 3 and transmits it to the A / D converter 42. On the other hand, the ultrasonic wave pulses transmitted from the three transmitters T 1 to T 3 are received by the three wave receivers R 1 to R 3 , and the received ultrasonic wave pulses are A / D converter 42. And converted into a digital signal.
【0041】そのディジタル信号は、演算処理装置44
において、演算処理が行われる。また、演算処理装置4
4には測定位置の近傍に設けられる音速モニタリングユ
ニット43からの出力信号が入力され、音速補正を測定
位置の近傍で行うように構成されている。更に、本発明
において、受波器Rは、回転可能に構成されている。The digital signal is processed by the arithmetic processing unit 44.
At, arithmetic processing is performed. In addition, the arithmetic processing device 4
An output signal from a sound velocity monitoring unit 43 provided in the vicinity of the measurement position is input to 4 and the sound velocity is corrected in the vicinity of the measurement position. Further, in the present invention, the wave receiver R is configured to be rotatable.
【0042】すなわち、受波器の指向性が半減角6°と
鋭いため、図4に示したように、受波器を支持軸35の
回転駆動により、水平方向に、支持軸33の回転駆動に
より、鉛直方向に回転可能にして、発信器Tに対し正面
を向くようにしている。これにより、従来の固定された
超音波受波器を用いるシステムに共通な受波器に指向性
があるため、測定可能な空間が制限されるという問題が
解消され、それらに比べて高い精度で計測できる空間が
拡大された。That is, since the directivity of the wave receiver is as sharp as a half angle of 6 °, as shown in FIG. 4, the wave receiver is horizontally driven to rotate the support shaft 33 by rotating the support shaft 35. Thus, it is made rotatable in the vertical direction and faces the front of the transmitter T. This solves the problem that the measurable space is limited due to the directivity of the receiver common to the system using the conventional fixed ultrasonic receiver, and with higher accuracy than those. The measurable space has been expanded.
【0043】更に、指向性のかなり鋭い受波器を発信器
に対して正面を向かせることにより、発信器以外から飛
来する超音波領域周波数のノイズの防止が可能となっ
た。次に、図7に示す発信器を配置する半径rについて
説明する。ここでは、計測のリアルタイム性を考え、受
波器を3個の発信器の正面に逐一向かせず、ハンドの先
端Gの正面を向かせたままで3個の発信器の位置を計測
する。Furthermore, by directing the wave receiver with a fairly sharp directivity to the front of the oscillator, it is possible to prevent noise in the ultrasonic frequency range from coming from other than the oscillator. Next, the radius r for arranging the oscillator shown in FIG. 7 will be described. Here, in consideration of real-time measurement, the positions of the three transmitters are measured while the wave receivers are not directed to the front faces of the three transmitters one by one, but with the front ends of the tips G of the hands.
【0044】このため受波器が正確に発信器までの距離
を計測できる許容振れ角をα、受波器からハンドの先端
Gまでの距離をLとすると、半径rはr<Ltanαを
満たす必要がある。ここで、Lは|R2 G|である。一
方、半径rが大きいほど姿勢測定誤差は小さくなる。例
として、図7中、発信器T1 の位置測定誤差がδdであ
る場合、δθ=tan-1(δd/r)の角度誤差を伴っ
てe1 は測定される。Therefore, when the allowable deflection angle at which the wave receiver can accurately measure the distance to the transmitter is α and the distance from the wave receiver to the tip G of the hand is L, the radius r must satisfy r <Ltan α. There is. Here, L is | R 2 G |. On the other hand, the larger the radius r, the smaller the attitude measurement error. As an example, in FIG. 7, when the position measurement error of the oscillator T 1 is δd, e 1 is measured with an angle error of δθ = tan −1 (δd / r).
【0045】この発明のシステムの超音波距離計は受波
器の半減角6°の誤差内で、受波器が発信器に対し正面
を向いていれば、受波器の大きさの測定精度への影響は
500mmの測定範囲で0.2mm程度であった。そこ
で、この発明のシステムでは受信波形及び音圧をもと
に、±3°程度の誤差で受波器がハンドの先端Gに対し
正面を向くようにしてこの影響を取り除いている。The ultrasonic range finder of the system of the present invention has an accuracy of measuring the size of the receiver if the receiver is facing the front of the transmitter within the error of the half angle of the receiver of 6 °. The influence was about 0.2 mm in the measurement range of 500 mm. Therefore, in the system of the present invention, this effect is removed by making the receiver face the front of the tip G of the hand with an error of about ± 3 ° based on the received waveform and sound pressure.
【0046】したがって、このシステムでは、α=3
°,L=500mmと仮定した場合の条件r<26.0
mmより、r=25.0mmとした。このとき、δd=
0.1mmと仮定すると、姿勢計測誤差はδθ=0.2
3°で見積もられる。次に、初期座標系の校正は以下の
ように行う。計測に先立ち、3個の受波器の相対位置関
係を知ることが必要である。この実施例のシステムで
は、受波器自体が振動膜として能動的に超音波パルスを
発信できるので、受波器同士でパルスをやりとりし、相
互に距離を測定することにより相対位置が求まる。Therefore, in this system, α = 3
Condition r <26.0 assuming L = 500 mm
From mm, r = 25.0 mm. At this time, δd =
Assuming 0.1 mm, the attitude measurement error is δθ = 0.2
Estimated at 3 °. Next, the calibration of the initial coordinate system is performed as follows. Prior to measurement, it is necessary to know the relative positional relationship of the three wave receivers. In the system of this embodiment, since the receiver itself can actively transmit ultrasonic pulses as a vibrating membrane, the receiver and receiver exchange pulses and the relative position is determined by measuring the mutual distance.
【0047】したがって、図9に示すように、3個の受
波器R1 〜R3 を適当な位置に配置して、R1 (0,
0,0),R2 (a,0,0)、R3 (b,c,0)と
し、各受波器間の相互測定距離をp,q,rとして、 a=p b=(r2 −q2 +p2 )/2p, c=√{r2 −〔(r2 −q2 +p2 )/2p〕2 }に
より、a,b,cを求め基準座標系を校正する。Therefore, as shown in FIG. 9, three wave receivers R 1 to R 3 are arranged at appropriate positions, and R 1 (0,
0, 0), R 2 (a, 0, 0), R 3 (b, c, 0), and the mutual measurement distances between the receivers are p, q, r, a = p b = (r 2− q 2 + p 2 ) / 2p, c = √ {r 2 − [(r 2 −q 2 + p 2 ) / 2p] 2 } is used to obtain a, b, and c, and the reference coordinate system is calibrated.
【0048】受波器同士の間の距離の測定に際しては受
波面同士を平行に保ったので、受波器の大きさ及び指向
性は測定精度に影響を与えなかった。このように、この
実施例のシステムは内部で校正を行うため、外部から初
期座標系を校正する必要がなく、また、受波器を任意の
位置に配置できるため、測定対象の変化に対して大きな
柔軟性があるという特長を持つ。Since the receiving surfaces were kept parallel during the measurement of the distance between the wave receivers, the size and directivity of the wave receivers did not affect the measurement accuracy. As described above, since the system of this embodiment calibrates internally, it is not necessary to calibrate the initial coordinate system from the outside, and since the receiver can be arranged at any position, it is possible to respond to changes in the measurement target. It has a great flexibility.
【0049】次に、この実施例による位置・姿勢計測精
度の検証実験を行った。ここで、図10(a)は実験条
件を示し、図10(b)は実験結果を示している。すな
わち、図10(a)に示すような、空間回転アームの円
軌道上の数点におけるアーム先端位置(精度±0.06
mm)と、アーム姿勢(精度±30arcsec)を校
正基準とし、それを測定することにより、この発明のシ
ステムの3次元位置・姿勢計測精度を検証した。なお、
アームの駆動には、リゾルバ付きDDモータ(位置決め
精度±30arcsec)を用いた。Next, a verification experiment of the position / orientation measurement accuracy according to this embodiment was conducted. Here, FIG. 10A shows the experimental conditions, and FIG. 10B shows the experimental results. That is, as shown in FIG. 10A, the arm tip positions (accuracy ± 0.06) at several points on the circular orbit of the space rotating arm.
mm) and the arm posture (accuracy ± 30 arcsec) as calibration standards, and by measuring them, the three-dimensional position / orientation measurement precision of the system of the present invention was verified. In addition,
A DD motor with a resolver (positioning accuracy ± 30 arcsec) was used to drive the arm.
【0050】アームの運動は平面内で行われたが、測定
座標系のXY平面とは一致しておらず計測は立体的であ
る。計測に際しては定盤、ジグ等を用いて両平面が平行
になるよう留意した。平行精度が比較的良好であったこ
とは、図12に示すZ座標の測定結果からも確認でき
る。3個の発信器の位置を順次計測して重心(ハンドの
先端)Gの座標を求めた。最初の2つの重心Gの測定X
Y座標と、アーム座標を合致させることにより、測定シ
ステムの座標系からアーム座標系への2次元での座標変
換式を求めた。以下3番目の点からはこの式にしたがっ
て測定座標をアーム座標に変換した。姿勢角は、図10
(a)中のP1 を求め、このXY成分を同様にアーム座
標系に変換することにより得た。Although the movement of the arm is performed in the plane, the measurement is three-dimensional because it does not coincide with the XY plane of the measurement coordinate system. At the time of measurement, care was taken to make both planes parallel by using a surface plate, a jig, and the like. It can be confirmed from the measurement result of the Z coordinate shown in FIG. 12 that the parallel accuracy was relatively good. The coordinates of the center of gravity (tip of the hand) G were obtained by sequentially measuring the positions of the three transmitters. Measurement X of the first two center of gravity G
By matching the Y coordinate and the arm coordinate, a two-dimensional coordinate conversion formula from the coordinate system of the measurement system to the arm coordinate system was obtained. From the third point below, the measurement coordinates were converted into arm coordinates according to this formula. The posture angle is shown in FIG.
It was obtained by obtaining P 1 in (a) and similarly converting this XY component into the arm coordinate system.
【0051】図10(b)および図11、図12に結果
を示す。図12中、ZM およびEZの欄には測定Z座標
の平均値−22.1mmからの偏差を示した。図10
(b)において、実線はリゾルバの読みより求めた正確
なアームの位置・姿勢を表したもので、破線は本発明の
システムの測定誤差を図中に示す倍率で拡大して測定結
果を表示したものである。位置測定誤差は0.4mm以
下であった。標準偏差が小さいことを考慮すると、第1
点、第2点だけでなく、更に多くの点を合致させること
により、座標変換の精度を向上させれば、位置測定精度
は改善されると考えられる。The results are shown in FIGS. 10 (b), 11 and 12. In FIG. 12, deviations from the average value of the measured Z coordinates of −22.1 mm are shown in the columns of Z M and E Z. Figure 10
In (b), the solid line shows the accurate position / orientation of the arm obtained from the reading of the resolver, and the broken line shows the measurement result by enlarging the measurement error of the system of the present invention by the magnification shown in the figure. It is a thing. The position measurement error was 0.4 mm or less. Considering that the standard deviation is small,
It is considered that the accuracy of position measurement is improved if the accuracy of coordinate conversion is improved by matching not only the point and the second point but also more points.
【0052】姿勢角測定誤差は0.4°以下であり、標
準偏差は0.2°以下であった。なお、図11におい
て、θA はアーム姿勢角(校正基準)、θM は計測され
た姿勢角、Eθ、σθは計測された姿勢角の誤差と標準
偏差である。また、図12において、(X,Y,Z)A
はアーム座標(校正基準)、(X,Y,Z)M は計測さ
れた座標、EX ,EY ,EZ は計測された座標の誤差、
σX ,σY ,σZ は計測された座標の標準偏差であり、
位置G及びアーム姿勢角は各データ毎に100回計測し
た。The attitude angle measurement error was 0.4 ° or less, and the standard deviation was 0.2 ° or less. In FIG. 11, θ A is the arm posture angle (calibration standard), θ M is the measured posture angle, and Eθ and σθ are the error and standard deviation of the measured posture angle. Also, in FIG. 12, (X, Y, Z) A
Is the arm coordinate (calibration standard), (X, Y, Z) M is the measured coordinate, E X , E Y , E Z is the error of the measured coordinate,
σ X , σ Y , σ Z are standard deviations of the measured coordinates,
The position G and the arm posture angle were measured 100 times for each data.
【0053】以上の結果より、本発明の第1実施例の計
測システムが実際のロボットの計測に対応できる可能性
を持つことが確認された。次に、本発明の第2実施例に
ついて図を参照しながら詳細に説明する。図13は本発
明の第2実施例を示す超音波パルスを用いた計測システ
ムの原理図、図14は本発明の第2実施例を示すロボッ
トの3次元位置・姿勢計測原理の説明図、図15はその
ロボットの3次元位置・姿勢計測システムのブロック図
である。From the above results, it was confirmed that the measuring system of the first embodiment of the present invention has a possibility of being able to cope with the actual measurement of the robot. Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 13 is a principle diagram of a measuring system using ultrasonic pulses showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 14 is an explanatory diagram of a principle of measuring a three-dimensional position / orientation of a robot showing a second embodiment of the present invention. 15 is a block diagram of the three-dimensional position / orientation measuring system of the robot.
【0054】この実施例では、3次元座標の計算方法と
して受波器を4個用いて測定空間内の音速をパラメータ
として正確に推定計算する手法(以下、音速推定法とい
う)を開発し、それを採用するようにしている。図13
及び図14に示すように、4個の受波器R1 〜R4 を配
置し、ロボット45のハンド46に設けられる1番目の
発信器T1 (X1 ,Y1 ,Z1 )と、受波器Ri の間の
超音波パルス伝播時間の測定値をti とする(i =1〜
4)。この時、音速をCとして以下の4式が成立する。In this embodiment, as a method for calculating three-dimensional coordinates, a method for accurately estimating and calculating the sound velocity in the measurement space as a parameter using four wave receivers (hereinafter referred to as sound velocity estimation method) was developed. Is adopted. FIG.
As shown in FIG. 14, four wave receivers R 1 to R 4 are arranged, and a first transmitter T 1 (X 1 , Y 1 , Z 1 ) provided on the hand 46 of the robot 45, Let t i be the measured value of the ultrasonic pulse propagation time between the receivers R i ( i = 1 to 1).
4). At this time, the following four expressions are established with the sound velocity as C.
【0055】 X1 2 +Y1 2 +Z1 2 =(C・t1 )2 …(1) (X1 −a)2 +Y1 2 +Z1 2 =(C・t2 )2 …(2) (X1 −b)2 +(Y1 −c)2 +Z1 2 =(C・t3 )2 …(3) (X1 −d)2 +(Y1 −e)2 +(Z1 −f)2 =(C・t4 )2 …(4) (1)ー(2)式、(1)−(3)式及び(1)−
(4)式より、T1 (X1 ,Y1 ,Z1 )は次式で表さ
れる。X 1 2 + Y 1 2 + Z 1 2 = (C · t 1 ) 2 (1) (X 1 −a) 2 + Y 1 2 + Z 1 2 = (C · t 2 ) 2 (2) ( X 1 -b) 2 + (Y 1 -c) 2 + Z 1 2 = (C · t 3) 2 ... (3) (X 1 -d) 2 + (Y 1 -e) 2 + (Z 1 -f ) 2 = (C · t 4 ) 2 (4) (1)-(2), (1)-(3) and (1)-
From the equation (4), T 1 (X 1 , Y 1 , Z 1 ) is represented by the following equation.
【0056】[0056]
【数2】 [Equation 2]
【0057】逆行列は4個の受波器が同一平面上に無い
場合、計測に先だって求められる。前記(5)式を前記
(1)式に代入し直すと、C2 についての2次式がで
き、Cは解析的に容易に求まる(計算式は省略)。この
Cを前記(5)式に代入することにより、T1 (X1 ,
Y1 ,Z1 )が求まる。この手法は、測定空間の音速を
変数として実時間で計算するので、常に正確な音速の補
正を行うことができる。また、4個目の受波器を測定空
間の上方に設置するので、z座標の測定精度が受波器を
3個のみ用いる手法に比べて高いという特長を持つ。更
に、音速補正センサを別に必要としないのでシステムを
簡便化できる。The inverse matrix is obtained prior to measurement when the four wave receivers are not on the same plane. By substituting the equation (5) into the equation (1) again, a quadratic equation for C 2 is created, and C can be easily obtained analytically (calculation formula is omitted). By substituting this C into the equation (5), T 1 (X 1 ,
Y 1 , Z 1 ) is obtained. In this method, the sound velocity in the measurement space is used as a variable for real-time calculation, so that accurate sound velocity correction can always be performed. Further, since the fourth wave receiver is installed above the measurement space, the z-coordinate measurement accuracy is higher than the method using only three wave receivers. Furthermore, since a sound velocity correction sensor is not required separately, the system can be simplified.
【0058】上記の方法と同様にして残りの2つの発信
器の座標T2 (X2 ,Y2 ,Z2 ),T3 (X3 ,
Y3 ,Z3 )も求めることができる。ここで計測に先立
ち3個の発信器の構成する三角形の重心とハンドの先端
Gが一致するように位置決めされているとすると、Gの
座標はT1 ,T2 ,T3 の測定された座標より計算し求
めることができる。Similar to the above method, the coordinates T 2 (X 2 , Y 2 , Z 2 ) and T 3 (X 3 ,
Y 3 , Z 3 ) can also be determined. Here, assuming that the center of gravity of the triangle formed by the three transmitters and the tip G of the hand are positioned so as to coincide with each other before the measurement, the coordinates of G are the measured coordinates of T 1 , T 2 , and T 3. It can be calculated and obtained.
【0059】図14に示すように、基準ベクトルe1 ,
e2 ,e3 をとり、これでロボットの姿勢を表すとす
る。まず、As shown in FIG. 14, the reference vectors e 1 ,
Let e 2 and e 3 be taken to represent the posture of the robot. First,
【0060】[0060]
【数3】 [Equation 3]
【0061】を計算する。qはT1 ,T2 ,T3 及びG
で構成される平面上でe1 と直交するベクトルである。
これらを用いて基準ベクトルは、 e1 =p1 /|p1 | e2 =q/|q| e3 =e1 ×e2 …(7) のように求めることができる。以上のように、ロボット
の位置・姿勢は3個の発信器と4個の受波器を用いるこ
とにより一意に求めることができる。Calculate q is T 1 , T 2 , T 3 and G
Is a vector orthogonal to e 1 on the plane constituted by
Using these, the reference vector can be obtained as follows: e 1 = p 1 / | p 1 | e 2 = q / | q | e 3 = e 1 × e 2 (7) As described above, the position / orientation of the robot can be uniquely obtained by using three transmitters and four wave receivers.
【0062】次に、計測システムの構成について説明す
る。受波器としては、前記した第1実施例の図4に示さ
れると同様のものを用いる。つまり、受波器の指向性が
半減角6°と鋭いため、受波器をDCサーボモータで水
平、鉛直方向に回転可能にし、発信器に対し常に正面を
向くようにした。これにより従来の固定された超音波受
波器を用いるシステムに共通な受波器に指向性があるた
め、測定可能な空間が制限されるという問題が解消さ
れ、それらに比べて高い精度で計測される空間が拡大さ
れた。Next, the structure of the measuring system will be described. As the wave receiver, the same one as shown in FIG. 4 of the first embodiment is used. That is, since the directivity of the wave receiver is as sharp as a half-angle of 6 °, the wave receiver can be rotated horizontally and vertically by the DC servo motor so that the wave receiver always faces the front. This eliminates the problem that the measurable space is limited due to the directivity of the receiver that is common to the conventional systems that use fixed ultrasonic receivers. The space to be played was expanded.
【0063】図15に示すように、この実施例の計測シ
ステムは、発信器60から受波器64への超音波パルス
の到達時間を4チャンネル到達時間計測ボードによりハ
ードウェアでリアルタイムに検出するように構成する。
演算処理装置50は高精度タイマ52、電気火花タイミ
ング制御ボード53、音速計算ボード54、4チャンネ
ル到達時間計測ボード55、パラレルインターフェース
及びインターラプト56を具備する拡張ユニット51を
有する。As shown in FIG. 15, in the measurement system of this embodiment, the arrival time of the ultrasonic pulse from the transmitter 60 to the receiver 64 is detected in real time by hardware by the 4-channel arrival time measurement board. To configure.
The arithmetic processing unit 50 has a high precision timer 52, an electric spark timing control board 53, a sound velocity calculation board 54, a four-channel arrival time measurement board 55, an expansion unit 51 having a parallel interface and an interrupt 56.
【0064】電気火花タイミング制御ボード53からの
信号により、電気火花用電源58からイグニッション回
路59を介して高電圧を発信器60に印加して、超音波
パルスを発信する。この発信器60からの発信時間は発
信時間検出器57で検知され、その発信時間は高精度タ
イマ52及び4チャンネル到達時間計測ボード55に入
力される。In response to a signal from the electric spark timing control board 53, a high voltage is applied from the electric spark power source 58 to the transmitter 60 via the ignition circuit 59 to emit an ultrasonic pulse. The transmission time from the transmitter 60 is detected by the transmission time detector 57, and the transmission time is input to the high precision timer 52 and the 4-channel arrival time measuring board 55.
【0065】一方、4個の受波器64に超音波パルスが
受信されると、その受信信号はプリアンプ63を介して
4チャンネル到達時間計測ボード55に読み込まれる。
また、音速計算ボード54にはプリアンプ61を介して
音速モニタリングユニット62が接続され、音速の監視
を行うように構成されている。更に、演算処理装置70
は、カウンタ72、D/Aコンバータ73、パラレルイ
ンターフェース及びインターラプト74を具備する拡張
ユニット71に接続され、カウンタ72とD/Aコンバ
ータ73は、モータ信号分配回路75に接続され、この
モータ信号分配回路75はモータ駆動回路76に接続さ
れ、このモータ駆動回路76はDCサーボモータ77に
接続される。なお、パラレルインターフェース及びイン
ターラプト56と、パラレルインターフェース及びイン
ターラプト74間はパラレル通信が行われるように構成
されている。また、各受波器は、2個のDCサーボモー
タで水平、鉛直方向に回転可能である。On the other hand, when the ultrasonic wave pulse is received by the four wave receivers 64, the received signal is read into the 4-channel arrival time measuring board 55 via the preamplifier 63.
Further, a sonic velocity monitoring unit 62 is connected to the sonic velocity calculation board 54 via a preamplifier 61, and is configured to monitor the sonic velocity. Further, the arithmetic processing unit 70
Is connected to an expansion unit 71 having a counter 72, a D / A converter 73, a parallel interface and an interrupt 74, and the counter 72 and the D / A converter 73 are connected to a motor signal distribution circuit 75. The circuit 75 is connected to a motor drive circuit 76, and the motor drive circuit 76 is connected to a DC servo motor 77. Note that parallel communication is performed between the parallel interface and interrupt 56 and the parallel interface and interrupt 74. Further, each wave receiver can be horizontally and vertically rotated by two DC servo motors.
【0066】そこで、演算処理装置50は発信信号の到
達時間を4チャンネル到達時間計測ボード55から読み
込み、前記した原理により発信器の位置を算出する。次
に、発信器T1 〜T3 の位置より、各受波器R1 〜R4
の水平、鉛直方向の回転角度を算出し、それをパラレル
ボートに送出する。演算処理装置70は、受波器R1 〜
R4 を回転させるDCサーボモータ77の制御を行って
おり、拡張ユニット51からモータの指令順が送られて
くると割り込みがかかり、回転角度の目標値を更新す
る。Therefore, the arithmetic processing unit 50 reads the arrival time of the transmitted signal from the 4-channel arrival time measuring board 55 and calculates the position of the transmitter according to the above-mentioned principle. Next, from the positions of the transmitters T 1 to T 3 , the wave receivers R 1 to R 4 are placed.
It calculates the horizontal and vertical rotation angles and sends them to the parallel boat. The arithmetic processing unit 70 includes the wave receivers R 1 to R 1 .
The DC servomotor 77 that rotates R 4 is controlled, and when the motor command order is sent from the expansion unit 51, an interrupt occurs and the target value of the rotation angle is updated.
【0067】計測に先立ち、4個の受波器R1 〜R4 の
相対位置関係を知ることが必要である。ここでは、受波
器自体が振動膜として能動的に超音波パルスを発信でき
るので、受波器同士でパルスをやりとりし、相互に距離
を測定することにより、相対位置が求まる。したがっ
て、図16に示すように、4個の受波器R1 〜R4 を適
当な位置に配置して、R1 (0,0,0),R2 (a,
0,0),R3 (b,c,0),R4 (d,e,f)と
し、各受波器間の相互測定距離をp,q,r,s,t,
uとして、 a=p b=(r2 −q2 +p2 )/2p c=√{r2 −〔(r2 −q2 +p2 )/2p〕2 } d=(s2 −t2 +a2 )/2a e=(s2 −u2 +b2 +c2 −2bd)/2c f=√(s2 −d2 −e2 )により、a,b,c,d,
e,fを求め基準座標系を校正する。Prior to measurement, it is necessary to know the relative positional relationship of the four wave receivers R 1 to R 4 . Here, since the wave receiver itself can actively transmit ultrasonic pulses as a vibrating film, the relative position can be obtained by exchanging the pulses between the wave receivers and measuring the mutual distance. Therefore, as shown in FIG. 16, four wave receivers R 1 to R 4 are arranged at appropriate positions, and R 1 (0,0,0) and R 2 (a,
0,0), R 3 (b, c, 0), R 4 (d, e, f), and the mutual measurement distances between the receivers are p, q, r, s, t,
As u, a = p b = (r 2 −q 2 + p 2 ) / 2p c = √ {r 2 − [(r 2 −q 2 + p 2 ) / 2p] 2 } d = (s 2 −t 2 + a 2 ) / 2a e = (s 2 −u 2 + b 2 + c 2 −2bd) / 2c f = √ (s 2 −d 2 −e 2 ) so that a, b, c, d,
Obtain e and f and calibrate the reference coordinate system.
【0068】このように、この計測システムは、内部で
校正を行うため、外部から初期座標系を校正する必要が
なく、また、受波器を任意の位置に配置できるため測定
対象の変化に対して大きな柔軟性があるという特徴を持
つ。次に、この実施例による3次元位置計測精度の検証
実験を行った。ここでは、この計測システムの計測精度
を精度1μmのNC工作機械を用いて検証した。As described above, since this measuring system calibrates internally, it is not necessary to calibrate the initial coordinate system from the outside, and since the receiver can be arranged at any position, it is possible to cope with changes in the measuring object. It has the characteristic of having great flexibility. Next, a verification experiment of three-dimensional position measurement accuracy according to this example was conducted. Here, the measurement accuracy of this measurement system was verified using an NC machine tool with an accuracy of 1 μm.
【0069】発信器をNC工作機械のチャックに固定
し、図17に示すように、ベッドに3個の受波器R1 〜
R3 を固定し、4個目の受波器R4 をベッドの上方に固
定する。発信器を、36個の格子点上で静止させ、各点
の座標を測定した。ここで、X,Y,ZはNC座標系、
X′,Y′,Z′は計測座標系を示している。測定誤差
及び計測座標の標準偏差の実験結果を図18(a)及び
図18(b)にそれぞれ示す。結果の解析においては、
図中、○印のついた点における計測座標とNC座標がも
っとも一致するような座標変換式を最小二乗法を用いて
求め、それにしたがって全ての計測座標をNC座標系で
の値に変換した。The transmitter is fixed to the chuck of the NC machine tool, and as shown in FIG. 17, three wave receivers R 1 to R 1 are attached to the bed.
Fix R 3 and fix the fourth receiver R 4 above the bed. The oscillator was stationary on 36 grid points and the coordinates of each point were measured. Where X, Y, Z are NC coordinate systems,
X ', Y', and Z'indicate measurement coordinate systems. Experimental results of the measurement error and the standard deviation of the measurement coordinates are shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b), respectively. In analyzing the results,
In the figure, a coordinate conversion formula in which the measured coordinates at the points marked with a circle and the NC coordinates best match was obtained by using the least squares method, and all the measured coordinates were converted into values in the NC coordinate system accordingly.
【0070】ここで、図18(a)は3次元座標計測の
誤差の平均を、図18(b)は3次元座標計測の標準偏
差を示している。この結果より、この計測システムが、
xyzが900×400×400mmの比較的広い空間
内においてxyz座標を誤差±0.3mm以下、標準偏
差0.2mm以内で計測できることが確認できた。Here, FIG. 18A shows the average error of the three-dimensional coordinate measurement, and FIG. 18B shows the standard deviation of the three-dimensional coordinate measurement. From this result, this measurement system
It has been confirmed that xyz coordinates can be measured with an error of ± 0.3 mm or less and a standard deviation of 0.2 mm or less in a relatively wide space where xyz is 900 × 400 × 400 mm.
【0071】次に、6自由度多関節型ロボットの絶対位
置決め精度の計測について説明する。ここでは、実際に
6自由度多関節型ロボットを測定対象として、そのハン
ド先端の絶対位置決め精度を計測した結果について述べ
る。図19に示す6自由度多関節型ロボットの手先に発
信器を固定し、図20に示すような36点の格子点座標
にロボットを位置決めさせ、その位置をこの計測システ
ムで計測した。結果を図21に示す。Next, the measurement of the absolute positioning accuracy of the 6-DOF articulated robot will be described. Here, the result of actually measuring the absolute positioning accuracy of the hand tip of a 6-DOF articulated robot will be described. The transmitter was fixed to the hand of the 6-DOF articulated robot shown in FIG. 19, the robot was positioned at the grid point coordinates of 36 points as shown in FIG. 20, and the position was measured by this measuring system. The results are shown in Fig. 21.
【0072】この結果より、34〜36番目の位置決め
点において、x座標の位置決め精度が1mm以上とかな
り悪いが、これは実験の都合上、4番目の受波器R4 の
設置条件が悪く、発信器がロボット手首の影に隠れて受
波器R4 が回折音を拾ったためと思われる。これら計測
システム側に問題があったと思われる点を除いては、6
自由度多関節型ロボットの絶対位置決め精度は、600
×400×200mm四方の空間内で、ほぼ±0.7m
m以内であった。From this result, the positioning accuracy of the x coordinate at the 34th to 36th positioning points is 1 mm or more, which is considerably poor. However, this is because the experimental condition of the 4th receiver R 4 is bad, It seems that the transmitter R 4 picked up the diffracted sound because the transmitter was hidden behind the shadow of the wrist of the robot. Except that there seems to be a problem with these measurement systems, 6
The absolute positioning accuracy of a multi-degree-of-freedom robot is 600
Approx. ± 0.7m in a space of × 400 × 200mm square
It was within m.
【0073】このように、特に、3個の発信器と4個の
受波器を用いたロボットの3次元位置・姿勢計測原理を
提案し、それに基づき計測システムを構築した。この計
測システムによれば、測定空間内における音速をリアル
タイムに正確に補正することができる。また、精度1μ
mのNC工作機械を校正基準とし、この計測システムの
3次元座標計測精度を検証した。その結果、xyzが9
00×400×400mm程度の比較的広い空間内の3
次元座標をxyz各座標とも誤差±0.3mm以下、標
準偏差0.2mm以内で計測することが確認できた。As described above, in particular, the three-dimensional position / orientation measuring principle of a robot using three transmitters and four wave receivers was proposed, and a measuring system was constructed based on the principle. According to this measurement system, the sound velocity in the measurement space can be accurately corrected in real time. Also, the accuracy is 1μ
The NC machine tool of m was used as a calibration standard to verify the three-dimensional coordinate measurement accuracy of this measurement system. As a result, xyz is 9
3 in a relatively large space of about 00 x 400 x 400 mm
It was confirmed that the dimensional coordinates were measured with an error of ± 0.3 mm or less for each xyz coordinate and a standard deviation of 0.2 mm or less.
【0074】更に、6自由度多関節型ロボットの絶対位
置決め精度を測定した。その結果、6自由度多関節型ロ
ボットの絶対位置決め精度は1m四方程度の空間内でほ
ぼ±0.7mm以内であることが判明した。このよう
に、本発明によれば、ロボットの運動性能を評価するシ
ステムとして、超音波パルスの伝播時間計測を応用した
簡便な3次元位置・姿勢計測装置及びその計測方法を提
供することができた。Further, the absolute positioning accuracy of the 6-DOF articulated robot was measured. As a result, it has been found that the absolute positioning accuracy of the 6-DOF articulated robot is within ± 0.7 mm within a space of about 1 m square. As described above, according to the present invention, as a system for evaluating the motion performance of a robot, a simple three-dimensional position / orientation measuring device to which ultrasonic pulse propagation time measurement is applied and a measuring method therefor can be provided. .
【0075】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these modifications are not excluded from the scope of the present invention.
【0076】[0076]
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。 (1)超音波素子が安価であり、距離を用いた三角測量
を行うので精度が出やすい、つまり3次元座標の計測精
度は距離計測精度により決定されるので、測定空間の大
小にかかわらず高い精度を得ることが容易であり、ロボ
ットの運動性能の評価に最適である。As described in detail above, according to the present invention, the following effects can be achieved. (1) Since the ultrasonic element is inexpensive and the triangulation using the distance is performed, the accuracy is easy to be obtained, that is, the measurement accuracy of the three-dimensional coordinate is determined by the distance measurement accuracy, so that it is high regardless of the size of the measurement space. It is easy to obtain accuracy and is most suitable for evaluation of robot's motion performance.
【0077】(2)電気火花を発信器とし、ゼロクロス
点検出及びリアルタイム音速補正を行う超音波パルスの
伝播時間計測を行うようにしたので、信号処理が容易で
あり、測定時間が短く、しかも反射波の影響も受け難く
なり、計測精度を高めることができる。因みに、測定誤
差の平均値は1mの測定範囲で±0.1mm以内、2m
の測定範囲で±0.3mm以内、測定誤差の標準偏差は
1mの測定範囲で0.1mm以下、2mの測定範囲で
0.2mm以下であった。(2) Since an electric spark is used as a transmitter to measure the propagation time of an ultrasonic pulse for zero-cross point detection and real-time sound velocity correction, signal processing is easy, measurement time is short, and reflection It is less likely to be affected by waves, and the measurement accuracy can be improved. By the way, the average value of the measurement error is within ± 0.1 mm within the measurement range of 1 m, 2 m
Within ± 0.3 mm in the measurement range, and the standard deviation of the measurement error was 0.1 mm or less in the measurement range of 1 m and 0.2 mm or less in the measurement range of 2 m.
【0078】(3)指向性の鋭い受波器を用いて、常に
受波面が発信器に対して正面を向くように、俯仰角、旋
回角を制御するので、高い精度で座標が測定できる空間
を広くとることができる。 (4)3個の発信器と3個の受波器を用いたロボットの
3次元位置・姿勢計測であり、初期座標系の決定が容易
で、受波器を自由な位置に配置できるため測定対象の変
化に対して大きな柔軟性を持つ。(3) The angle of elevation and the turning angle are controlled so that the wave-receiving surface always faces the front of the transmitter by using the wave-receiver having a sharp directivity, so that the coordinates can be measured with high accuracy. Can be widely used. (4) Three-dimensional position / orientation measurement of a robot using three transmitters and three wave receivers. It is easy to determine the initial coordinate system and the wave receivers can be placed at any position for measurement. Has great flexibility in changing the target.
【0079】(5)3個の発信器と4個の受波器を用い
たロボットの3次元位置・姿勢計測原理を提案し、それ
に基づき計測システムを構築した。この計測システムに
よれば、測定空間内における音速をリアルタイムに正確
に補正することができる。 (6)また、精度1μmのNC工作機械を校正基準と
し、この計測システムの3次元座標計測精度を検証し
た。その結果、この計測システムがxyzが900×4
00×400mm程度の比較的広い空間内の3次元座標
をxyz各座標とも誤差±0.3mm以下、標準偏差
0.2mm以内で計測できることが確認できた。(5) A three-dimensional position / orientation measuring principle of a robot using three transmitters and four wave receivers was proposed, and a measuring system was constructed based on this. According to this measurement system, the sound velocity in the measurement space can be accurately corrected in real time. (6) Further, the NC machine tool having an accuracy of 1 μm was used as a calibration standard to verify the three-dimensional coordinate measurement accuracy of this measuring system. As a result, this measurement system has xyz of 900 × 4.
It was confirmed that the three-dimensional coordinates in a relatively wide space of about 00 × 400 mm can be measured with an error of ± 0.3 mm or less and a standard deviation of 0.2 mm or less for each xyz coordinate.
【0080】(7)更に、6自由度多関節型ロボットの
絶対位置決め精度を測定した。その結果、6自由度多関
節型ロボットの絶対位置決め精度は1m四方程度の空間
内でほぼ±0.7mm以内であることが判明した。(7) Further, the absolute positioning accuracy of the 6-DOF articulated robot was measured. As a result, it has been found that the absolute positioning accuracy of the 6-DOF articulated robot is within ± 0.7 mm within a space of about 1 m square.
【図1】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの原理図である。FIG. 1 is a principle diagram of a measurement system using ultrasonic pulses according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの発信器の一部分解斜視図である。FIG. 2 is a partially exploded perspective view of a transmitter of a measurement system using ultrasonic pulses according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの発信器の電気回路図である。FIG. 3 is an electric circuit diagram of a transmitter of a measurement system using ultrasonic pulses according to the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの受波器の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a receiver of the measurement system using the ultrasonic pulse according to the first embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第1実施例を示す超音波パルスを用い
た計測システムの発信器から送信される電気的スパーク
放電の受信されたパルス波形図である。FIG. 5 is a received pulse waveform diagram of electric spark discharge transmitted from the transmitter of the measurement system using the ultrasonic pulse according to the first embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第1実施例の距離計の効果を説明する
図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of the rangefinder according to the first embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第1実施例を示すロボットの3次元位
置・姿勢計測原理の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of a three-dimensional position / orientation measuring principle of the robot according to the first embodiment of the present invention.
【図8】本発明の第1実施例を示す超音波によるロボッ
トの3次元位置・姿勢計測システムの概要全体構成図で
ある。FIG. 8 is a schematic overall configuration diagram of a three-dimensional ultrasonic position / orientation measurement system for a robot using ultrasonic waves according to the first embodiment of the present invention.
【図9】本発明の第1実施例を示す受波器同士の間の距
離の測定方法の説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram of a method for measuring the distance between the wave receivers according to the first embodiment of the present invention.
【図10】本発明の第1実施例の効果確認の説明図であ
る。FIG. 10 is an explanatory diagram of confirmation of effects of the first embodiment of the present invention.
【図11】本発明の第1実施例の効果確認による角度測
定の結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a result of angle measurement by confirming effects of the first embodiment of the present invention.
【図12】本発明の第1実施例の効果確認による位置測
定の結果を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a result of position measurement by confirming effects of the first embodiment of the present invention.
【図13】本発明の第2実施例を示す超音波パルスを用
いた計測システムの原理図である。FIG. 13 is a principle diagram of a measurement system using ultrasonic pulses according to a second embodiment of the present invention.
【図14】本発明の第2実施例を示すロボットの3次元
位置・姿勢計測原理の説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram of a three-dimensional position / orientation measurement principle of the robot according to the second embodiment of the present invention.
【図15】本発明の第2実施例を示すロボットの3次元
位置・姿勢計測システムのブロック図である。FIG. 15 is a block diagram of a robot three-dimensional position / orientation measuring system according to a second embodiment of the present invention.
【図16】本発明の第2実施例を示す受波器同士の間の
距離の測定方法の説明図である。FIG. 16 is an explanatory diagram of a method for measuring the distance between the wave receivers according to the second embodiment of the present invention.
【図17】本発明の第2実施例を示す効果確認のための
発信器及び受波器の配置を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing an arrangement of a transmitter and a wave receiver for confirming the effect of the second embodiment of the present invention.
【図18】本発明の第2実施例を示すNC座標計測の効
果確認の説明図である。FIG. 18 is an explanatory diagram for confirming the effect of NC coordinate measurement according to the second embodiment of the present invention.
【図19】本発明の第2実施例を示す絶対位置決め精度
の計測を行う対象である6自由度多関節型ロボットの斜
視図である。FIG. 19 is a perspective view of a 6-degree-of-freedom articulated robot that is a target for measuring absolute positioning accuracy according to the second embodiment of the present invention.
【図20】本発明の第2実施例を示す効果確認ための発
信器及び受波器の配置を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing the arrangement of transmitters and receivers for confirming the effects of the second embodiment of the present invention.
【図21】本発明の第2実施例を示す6自由度多関節型
ロボットの絶対位置決め精度測定の効果確認の説明図で
ある。FIG. 21 is an explanatory diagram for confirming the effect of absolute positioning accuracy measurement of a 6-DOF articulated robot according to the second embodiment of the present invention.
1,45 ロボット 2,46 ハンド 10,T1 ,T2 ,T3 ,60 超音波発信器 R1 ,R2 ,R3 ,R4 ,64 受波器 11 スタンド 11a 支持部 12 V溝 13 放電針 14 ホルダ 15 螺子 21 電源 22 コンデンサ 23 FET 24 イグニッションコイル 25 ギャップ 31 コンデンサマイクロホン 33,35 支持軸 34 支持板 41 発信時間検出回路 42 A/Dコンバータ 43 音速モニタリングユニット 44,50,70 演算処理装置 52 高精度タイマ 53 電気火花タイミング制御ボード 54 音速計算ボード 55 4チャンネル到達時間計測ボード 56,74 パラレルインターフェース及びインター
ラプト 51,71 拡張ユニット 58 電気火花用電源 59 イグニッション回路 57 発信時間検出器 61,63 プリアンプ 62 音速モニタリングユニット 72 カウンタ 73 D/Aコンバータ 75 モータ信号分配回路 76 モータ駆動回路 77 DCサーボモータ1,45 Robot 2,46 Hand 10, T 1 , T 2 , T 3 , 60 Ultrasonic transmitter R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , 64 Wave receiver 11 Stand 11a Support 12 V groove 13 Discharge Needle 14 Holder 15 Screw 21 Power supply 22 Condenser 23 FET 24 Ignition coil 25 Gap 31 Condenser microphone 33, 35 Support shaft 34 Support plate 41 Transmission time detection circuit 42 A / D converter 43 Sound velocity monitoring unit 44, 50, 70 Processing unit 52 High-precision timer 53 Electric spark timing control board 54 Sound velocity calculation board 55 4-channel arrival time measurement board 56,74 Parallel interface and interrupt 51,71 Expansion unit 58 Electric spark power supply 59 Ignition circuit 57 Emission time detector 61,63 Amplifier 62 sound speed monitoring unit 72 Counter 73 D / A converter 75 motor signal distribution circuit 76 a motor drive circuit 77 DC servomotors
Claims (20)
勢計測装置において、(a)ロボットのハンドに取り付
けられる3個の電気火花を用いた超音波パルスを発生す
る超音波発信器と、(b)該超音波発信器からの超音波
パルスを受ける所定位置に固定される3個の受波器と、
(c)超音波パルスの伝播時間測定により求められる距
離を用いた三角測量により、ロボットの3次元位置・姿
勢計測を行う計測手段を具備することを特徴とする超音
波によるロボットの3次元位置・姿勢計測装置。1. An ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot, comprising: (a) an ultrasonic transmitter for generating ultrasonic pulses using three electric sparks attached to a robot hand; ) Three wave receivers fixed in position to receive the ultrasonic pulse from the ultrasonic transmitter,
(C) A three-dimensional position of the robot by means of ultrasonic waves, characterized by comprising a measuring means for measuring the three-dimensional position and orientation of the robot by triangulation using the distance obtained by measuring the propagation time of the ultrasonic pulse. Attitude measuring device.
ある請求項1記載の超音波によるロボットの3次元位置
・姿勢計測装置。2. The ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot according to claim 1, wherein the wave receiver is a condenser microphone.
置を具備する請求項1又は2記載の超音波によるロボッ
トの3次元位置・姿勢計測装置。3. The ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot according to claim 1 or 2, further comprising a device for adjusting a depression angle and a turning angle of the wave receiver.
発信時間検出回路を具備する請求項1記載の超音波によ
るロボットの3次元位置・姿勢計測装置。4. The ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot according to claim 1, further comprising a transmission time detection circuit for detecting a transmission time of the ultrasonic transmitter.
ジタル信号に変換するA/Dコンバータと、該A/Dコ
ンバータに接続される前記発信時間検出回路と、前記A
/Dコンバータに接続される演算処理装置を具備する請
求項4記載の超音波によるロボットの3次元位置・姿勢
計測装置。5. An A / D converter for converting an analog signal received from the wave receiver into a digital signal, the transmission time detection circuit connected to the A / D converter, and the A / D converter.
The robot ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus according to claim 4, further comprising an arithmetic processing unit connected to the / D converter.
タリングユニットを具備する請求項5記載の超音波によ
るロボットの3次元位置・姿勢計測装置。6. The ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot according to claim 5, further comprising a sound velocity monitoring unit connected to the arithmetic processing unit.
勢計測方法において、(a)ロボットのハンドに3個の
電気火花を用いた超音波パルスを発する超音波発信器を
設置し、(b)該超音波発信器からの超音波パルスを所
定位置に固定される3個の受波器で受信し、(c)前記
超音波パルスの伝播時間を測定し、距離を用いた三角測
量により、ロボットの3次元位置・姿勢計測を行うこと
を特徴とする超音波によるロボットの3次元位置・姿勢
計測方法。7. A method of measuring a three-dimensional position and orientation of a robot using ultrasonic waves, comprising: (a) installing an ultrasonic wave transmitter for emitting ultrasonic pulses using three electric sparks in a hand of the robot; The robot receives the ultrasonic pulse from the ultrasonic transmitter by three receivers fixed at predetermined positions, (c) measures the propagation time of the ultrasonic pulse, and triangulates the distance to make the robot 3D position / orientation measurement method of a robot by ultrasonic wave, which is characterized by performing 3D position / orientation measurement.
とともに、前記受波器は電気火花によるパルス波の振幅
が閾値を越えた後の第1のゼロクロス点を検出し、これ
に基づいて超音波パルスの伝播時間を測定することを特
徴とする請求項7記載の超音波によるロボットの3次元
位置・姿勢計測方法。8. The ultrasonic receiver detects the transmission time of the ultrasonic transmitter, and the receiver detects a first zero-cross point after the amplitude of the pulse wave due to the electric spark exceeds a threshold value, and based on this detection. The method for measuring a three-dimensional position / orientation of a robot using ultrasonic waves according to claim 7, characterized in that the propagation time of ultrasonic pulses is measured.
特徴とする請求項7記載の超音波によるロボットの3次
元位置・姿勢計測方法。9. The method for measuring a three-dimensional position / orientation of a robot by ultrasonic waves according to claim 7, wherein the sound velocity correction is performed in the vicinity of the measurement position.
離を計測し、初期座標系を校正することを特徴とする請
求項7記載の超音波によるロボットの3次元位置・姿勢
計測方法。10. The three-dimensional position / orientation of the robot by ultrasonic waves according to claim 7, wherein the receiver is used to measure the distance between the receivers and calibrate the initial coordinate system. Measuring method.
姿勢計測装置において、(a)ロボットのハンドに取り
付けられる3個の電気火花を用いた超音波パルスを発生
する超音波発信器と、(b)該超音波発信器からの超音
波パルスを受ける所定位置に固定される4個の受波器
と、(c)超音波パルスの伝播時間測定により、前記超
音波発信器のX,Y,Z座標ならびに測定空間における
音速の4変数を計算し、距離を用いた三角測量により、
ロボットの3次元位置・姿勢計測を行う計測手段を具備
することを特徴とする超音波によるロボットの3次元位
置・姿勢計測装置。11. A three-dimensional position of a robot by ultrasonic waves.
In the attitude measuring device, (a) an ultrasonic transmitter that generates ultrasonic pulses using three electric sparks attached to the hand of the robot; and (b) a predetermined ultrasonic pulse that receives the ultrasonic pulses from the ultrasonic transmitters. By measuring the four wave receivers fixed at the positions and (c) the ultrasonic pulse propagation time measurement, four variables of the X, Y, Z coordinates of the ultrasonic transmitter and the sound velocity in the measurement space are calculated, and the distance is calculated. By triangulation using
A three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot using ultrasonic waves, comprising a measuring means for measuring the three-dimensional position / orientation of the robot.
である請求項11記載の超音波によるロボットの3次元
位置・姿勢計測装置。12. The ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot according to claim 11, wherein the wave receiver is a condenser microphone.
装置を具備する請求項11又は12記載の超音波による
ロボットの3次元位置・姿勢計測装置。13. The ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot according to claim 11 or 12, further comprising a device for adjusting a depression angle and a turning angle of the wave receiver.
生させる電気火花タイミング制御ボードと、前記発信器
からの発信時間を読み込むとともに、前記受波器からの
受信信号に基づき超音波パルスの到達時間を求める4チ
ャンネル到達時間計測ボードと、これらに接続される演
算処理装置を具備する請求項11記載の超音波によるロ
ボットの3次元位置・姿勢計測装置。14. An electric spark timing control board for generating electric sparks from the ultrasonic wave transmitter, and reading of a transmission time from the transmitter, and arrival of an ultrasonic pulse based on a received signal from the wave receiver. The ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot according to claim 11, comprising a four-channel arrival time measuring board for obtaining time, and an arithmetic processing unit connected to these boards.
ニタリングユニットを具備する請求項14記載の超音波
によるロボットの3次元位置・姿勢計測装置。15. The ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring apparatus for a robot according to claim 14, further comprising a sound velocity monitoring unit connected to the arithmetic processing unit.
姿勢計測方法において、(a)ロボットのハンドに3個
の電気火花を用いた超音波パルスを発する超音波発信器
を設置し、(b)該超音波発信器からの超音波パルスを
所定位置に固定される4個の受波器で受信し、(c)前
記超音波パルスの伝播時間を測定し、前記超音波発信器
のX,Y,Z座標ならびに測定空間における音速の4変
数を計算し、距離を用いた三角測量により、ロボットの
3次元位置・姿勢計測を行うことを特徴とする超音波に
よるロボットの3次元位置・姿勢計測方法。16. A three-dimensional position of a robot by ultrasonic waves
In the posture measuring method, (a) an ultrasonic transmitter that emits ultrasonic pulses using three electric sparks is installed in a robot hand, and (b) the ultrasonic pulse from the ultrasonic transmitter is placed at a predetermined position. Receiving with four fixed receivers, (c) measuring the propagation time of the ultrasonic pulse, and calculating four variables of the X, Y, Z coordinates of the ultrasonic transmitter and the sound velocity in the measurement space. A method of measuring a three-dimensional position / orientation of a robot by ultrasonic waves, which is configured to measure a three-dimensional position / orientation of the robot by triangulation using a distance.
るとともに、前記受波器は電気火花によるパルス波の振
幅が閾値を越えた後の第1のゼロクロス点を検出し、こ
れに基づいて超音波パルスの伝播時間を測定することを
特徴とする請求項16記載の超音波によるロボットの3
次元位置・姿勢計測方法。17. The ultrasonic receiver detects a transmission time of the ultrasonic transmitter, and the receiver detects a first zero-cross point after the amplitude of the pulse wave due to the electric spark exceeds a threshold value, and based on this detection. 17. The ultrasonic robot 3 according to claim 16, wherein the propagation time of the ultrasonic pulse is measured.
Dimensional position / orientation measurement method.
波発信器から前記4個の受波器への超音波パルスの伝播
時間より推定計算することにより、音速モニタリングユ
ニットを用いずに音速の補正を行うことを特徴とする請
求項16記載の超音波によるロボットの3次元位置・姿
勢計測方法。18. Compensation of sound velocity without using a sound velocity monitoring unit by estimating and calculating sound velocity in a measurement space from propagation times of ultrasonic pulses from the ultrasonic transmitter to the four receivers. The method for measuring a three-dimensional position / orientation of a robot by ultrasonic waves according to claim 16, wherein
離を計測し、初期座標系を校正することを特徴とする請
求項16記載の超音波によるロボットの3次元位置・姿
勢計測方法。19. The three-dimensional position / orientation of an ultrasonic robot according to claim 16, wherein the wave receiver is used to measure the distance between the wave receivers and calibrate the initial coordinate system. Measuring method.
モニタリングユニットを用いることを特徴とする請求項
19記載の超音波によるロボットの3次元位置・姿勢計
測方法。20. The ultrasonic three-dimensional position / orientation measuring method for a robot according to claim 19, wherein a sound velocity monitoring unit is used in the calibration of the initial coordinate system.
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