JP2005059103A

JP2005059103A - ロボットアームの校正方法及び校正装置

Info

Publication number: JP2005059103A
Application number: JP2003207079A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsuya; 隆史松矢; Takehiko Kondo; 健彦近藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: JP4138599B2

Abstract

【課題】ロボットアームを基準点に位置合わせすることにより、ロボットアームの校正を行うロボットアームの校正方法及び校正装置に関し、ロボットアームを基準点に正確に移動して校正を行うことができるロボットアームの校正方法及び校正装置を実現する。
【解決手段】ビーム発生部３，４からＸ，Ｙ軸方向からロボットアーム２に向けて平行光線を出射し、ロボットアーム２を照射後の平行光線を受光部５，６で検出することにより、ロボットアーム２のＹ，Ｘ軸方向のエッジを求め、このエッジからロボットアーム２先端のＹ，Ｘ座標を算出し、この値が所定の値になるようにロボットアーム２先端をＹ，Ｘ軸方向に移動し、上記移動後のロボットアーム２の先端位置をＸ軸及びＹ軸方向の基準点として、ロボットアーム２の先端位置のＸ軸及びＹ軸方向の校正を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットアームを基準点に位置合わせすることにより、ロボットアームの校正（位置合わせ）を行うロボットアームの校正方法及び校正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、オシロスコープの複数のプローブを電子部品が実装された基板の各部に当て、各部の信号波形を同時に比較観察する場合に、複数のロボットアームを用い、その先端部を上記の各プローブで構成すれば、複数のプローブを自動的に基板上の所定の接触位置に移動できる。
【０００３】
この場合、各プローブの移動先である基板上の接触点の相対位置関係は、基板設計データ（ＣＡＤデータ等）からわかるので、このデータに基づき、各プローブを所定の接触位置に移動させることになる。しかし、各プローブを所定の接触位置に正確に移動させるためには、各プローブの座標上の原点を正確に一致させねばならない。そこで、各ロボットアームの校正が必要になる。
【０００４】
この校正は、各ロボットアームを基準点に実際に移動させ、そのときの各ロボットアームの座標が同じになるように補正することで行う。よって、このような場合の校正の精度は、如何に正確に各ロボットアームを基準点に移動できるかにかかっている。
【０００５】
従来、ロボットアーム（プローブ）を基準点に持って行く際に、基準点にパターンを形成しておき、このパターンとロボットアーム先端との接触により、ロボットアーム先端の基準点への到達を検知していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−０３９７３８公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ロボットアームとパターンとの接触を伴う特許文献１に記載の構成では、ロボットアーム先端やパターンに、摩耗・変形・破損が生じるため、ロボットアーム先端を基準点に正確に移動できず、校正精度が低いという問題がある。
【０００８】
本発明はこの問題を解決しようとするもので、ロボットアーム先端を基準点に正確に移動して校正を行うことができるロボットアームの校正方法及び校正装置を実現することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明（ロボットアームの校正方法）は、Ｘ軸方向からロボットアームに向けて平行光線を出射し、ロボットアームを照射後の平行光線を検出することにより、ロボットアームのＹ軸方向のエッジを求め、このエッジからロボットアームのＹ座標を算出し、この値が所定の値になるようにロボットアーム先端をＹ軸方向に移動し、Ｙ軸方向からロボットアームに向けて平行光線を出射し、ロボットアームを照射後の平行光線を検出することにより、ロボットアームのＸ軸方向のエッジを求め、このエッジからロボットアーム先端のＸ座標を算出し、この値が所定の値になるようにロボットアーム先端をＸ軸方向に移動し、上記移動後のロボットアームの先端位置をＸ軸及びＹ軸方向の基準点として、ロボットアームの先端位置のＸ軸及びＹ軸方向の校正を行うことを特徴とするものである。
【００１０】
この発明では、ロボットアーム先端が基準点に来たか否かを平行光線の照射により検出するので、検出時のロボットアーム先端は非接触状態にある。このため、ロボットアーム先端は変形しておらず、ロボットアーム先端を基準点に正確に移動して校正を行うことができる。
【００１１】
請求項２に係る発明（ロボットアームの校正装置）は、Ｘ軸方向からロボットアームに向けて平行光線を出射する第１ビーム発生部と、Ｙ軸方向からロボットアームに向けて平行光線を出射する第２ビーム発生部と、第１ビーム発生部から出射されロボットアームを照射後の平行光線を検出する第１受光部と、第２ビーム発生部から出射されロボットアームを照射後の平行光線を検出する第２受光部と、第１受光部の出力信号からロボットアームのＹ軸方向のエッジを検出し、ロボットアーム先端のＹ座標を求めるＹ座標計算手段と、第２受光部の出力信号からロボットアームのＸ軸方向のエッジを検出し、ロボットアーム先端のＸ座標を求めるＸ座標計算手段とを有し、Ｙ座標計算手段及びＸ座標計算手段の出力信号が所定の値になるようにロボットアーム先端の移動を行い、この移動後の位置をＸ軸及びＹ軸方向の基準点として、ロボットアームの先端位置のＸ軸及びＹ軸方向の校正を行うことを特徴とするものである。
【００１２】
この発明においても、ロボットアーム先端が基準点に来たか否かを平行光線の照射により検出するので、検出時のロボットアーム先端は非接触状態にあるため、ロボットアーム先端は変形しておらず、ロボットアーム先端を基準点に正確に移動して校正を行うことができる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において、第１又は第２ビーム発生部から出射された平行光線中に、Ｚ軸方向からロボットアーム先端を挿入していった時に、第１又は第２受光部の出力信号が安定した時のロボットアームの位置を、Ｚ軸方向の基準点として、ロボットアームの先端位置のＺ軸方向の校正を行うことを特徴とするものである。
【００１４】
この発明では、Ｘ，Ｙ軸方向だけでなくＺ軸方向についても、ロボットアーム先端を基準点に正確に移動して校正を行うことができる。
【００１５】
【実施の形態】
（第１の実施の形態例）
本発明の第１の実施の形態例を図１〜図４を用いて説明する。これらの図において、平板１上には、Ｘ軸方向からロボットアーム２に向けて平行光線を出射する第１ビーム発生部３と、Ｙ軸方向からロボットアーム２に向けて平行光線を出射する第２ビーム発生部４とが配置されている。
【００１６】
更に、この平板１上には、第１ビーム発生部３から出射されロボットアーム２を照射後の平行光線を検出する第１受光部５と、第２ビーム発生部４から出射されロボットアーム２を照射後の平行光線を検出する第２受光部６とが配置されている。
【００１７】
本形態例における第１ビーム発生部３は、図３中に示すように、半導体レーザ等のレーザ光源１１から出たレーザビームを、Ｚ軸と平行な軸を中心に時計方向に定速回転するポリゴンミラー（回転多面鏡）１２に入射させて回転させ、この回転ビーム（反射光）をコリメータレンズ（ｆθレンズ）１３でＸ軸方向の平行ビームに変換し、これをＹ軸方向に一定速度で移動させるものである。
【００１８】
第１ビーム発生部３からＸ軸方向に出射したレーザビームのＹ軸方向の移動は、ポリゴンミラー１２の反射面が切り替わる毎に繰り返される。受光素子１４はこのＹ軸方向の移動の始点を決めるもので、レーザビームが走査開始端を通過することを検知すると、その旨を示す同期信号を出力する。
【００１９】
第２ビーム発生部４も、レーザビームの移動方向が第１ビーム発生部３と異なるだけで、基本的には、同じ構造を有している。この構成により、第１ビーム発生部３の出力ビームと第２ビーム発生部４の出力ビームとは、Ｘ−Ｙ平面と平行なそれぞれの平面上で移動する。本形態例では、第１ビーム発生部３と第２ビーム発生部４の直交する出力ビームが重ならない程度に、両ビームの移動平面がＺ方向にずれるように構成している（両ビームが重なるように配置してもよい）。
【００２０】
本形態例における第１受光部５は、図３中に示すように、第１ビーム発生部３から出射されロボットアーム２を照射後の平行光線を集束させる受光レンズ２１と、受光レンズ２１の焦点位置にて受光量を検出する受光素子２２と、受光素子２２の出力を一定の閾値で二値化する二値化回路２３とから構成されている。
【００２１】
第１ビーム発生部３（コリメータレンズ１３）から出射された平行ビームがロボットアーム２により遮られない場合には、第１受光部５の出力信号はハイレベル（又はローレベル）を維持するが、ロボットアーム２により遮られる場合には、ローレベル（又はハイレベル）になる。従って、第１受光部５の出力信号の変化から、レーザビームがロボットアーム２のＹ軸方向のエッジを通過する時刻を知ることができる。
【００２２】
校正制御部１０内のＹ座標計算手段７は、第１受光部５の出力信号からロボットアーム２のＹ軸方向のエッジを検出し、ロボットアーム２先端のＹ座標Ｙｃを求めるものである。具体的には、受光素子１４の同期信号を受けた時刻をｔ０、第１受光部５の出力信号がハイレベルになった時刻をｔ１、第１受光部５の出力信号が再びローレベルになった時刻をｔ２としたとき、ｔ１−ｔ０を測定し、この値にレーザビームのＹ軸方向の移動速度を掛けることにより、ロボットアーム２のＹ軸方向の上側エッジ（受光素子１４側のエッジ）のＹ座標Ｙａ（図２参照）を求めることができ、ｔ２−ｔ０を測定し、この値にレーザビームのＹ軸方向の移動速度を掛けることにより、ロボットアーム２のＹ軸方向の下側エッジ（受光素子１４側のエッジ）のＹ座標Ｙｂ（図２参照）を求めることができる。ここで、ロボットアーム２の先端形状が図２に示すように円錐形であれば、ロボットアーム２先端のＹ座標Ｙｃは、Ｙｃ＝（Ｙａ＋Ｙｂ）／２となる。
【００２３】
第２受光部６も、第１受光部５と同様な構成を有し、第２ビーム発生部４から出射されロボットアーム２を照射後の平行光線を検出している。そして、第２ビーム発生部４から出射された平行ビームがロボットアーム２により遮られない場合には、第２受光部６の出力信号はハイレベル（又はローレベル）を維持するが、ロボットアーム２により遮られる場合には、ローレベル（又はハイレベル）になる。従って、第２受光部６の出力信号の変化から、レーザビームがロボットアーム２のＸ軸方向の左側及び右側エッジを通過する時刻を知ることができる。
【００２４】
校正制御部１０内のＸ座標計算手段８は、第２受光部６の出力信号からロボットアーム２のＸ軸方向の２つのエッジを検出し、ロボットアーム２先端のＸ座標Ｘｃを求めるもので、Ｙ座標計算手段７と同様の構成を有している。そして、ロボットアーム２のＸ軸方向の右側エッジのＸ座標Ｘａ（図２参照）と左側エッジのＸ座標Ｘｂ（図２参照）を求めることにより、ロボットアーム２先端のＸ座標Ｘｃ＝（Ｘａ＋Ｘｂ）／２を計算している。
【００２５】
校正制御部１０は、上記Ｙ座標計算手段７及びＸ座標計算手段８を有し、これら計算手段７，８の出力信号を受け、ロボットアーム２先端のＸ座標ＸｃとＹ座標Ｙｃが所定の値になるように、ロボットアーム２先端を移動させるものである。この校正制御部１０は、アクチュエータ制御部３０を介して、Ｘ軸方向駆動部３１及びＹ軸方向駆動部３２を制御し、Ｙ座標計算手段７とＸ座標計算手段８にて求められるロボットアーム２先端のＸ座標Ｘｃ，Ｙ座標Ｙｃが、それぞれ、所定の値Ｘｐ，Ｙｐになるまで、ロボットアーム２先端を移動させる。
【００２６】
この移動後の座標位置（Ｘｐ，Ｙｐ）は基準点Ｐ（図２参照）の座標であり、ロボットアーム２が、その停止位置の座標を（Ｘｐ，Ｙｐ）であると正しく認識できるように、ロボットアーム２の位置制御系を校正する。尚、ロボットアーム２はＺ軸方向駆動部３３にＺ軸方向に駆動可能に搭載され、Ｚ軸方向駆動部３３はＹ軸方向駆動部３２にＹ軸方向に移動可能に搭載され、Ｙ軸方向駆動部３２はＸ軸方向駆動部３１にＸ軸方向に移動可能に搭載されており、これにより、ロボットアーム２の３次元方向の駆動が確保されている。
【００２７】
上記形態例において、Ｚ軸方向の位置合わせは、校正制御部１０が、アクチュエータ制御部３０を介して、Ｚ軸方向駆動部３３を駆動制御し、図４に示すように、第１ビーム発生部３から出射された平行光線Ｈ中に、Ｚ軸方向からロボットアーム２を挿入していくことにより行う。図４（ａ）の状態では、ロボットアーム２の挿入がなされていないので、当然ながら第１受光部５の出力信号には変化がない。一方、図４（ｂ）の状態になると、ロボットアーム２一部が平行光線Ｈ中に挿入されるため、受光素子２２の出力信号に変化が出る。しかし、遮られる光線が少ないため、第１受光部５の出力信号（測定値）の揺れやバラツキが大きい。
【００２８】
図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態を経て、更に挿入すると、第１受光部５の出力信号が安定する。この安定した時のロボットアーム２の位置（図４（ｃ）の状態）に到達した時点で、ロボットアーム２を停止させる。そして、この位置をＺ軸方向の基準点として、ロボットアーム２の先端位置のＺ軸方向の校正を行う。
【００２９】
ここで、第１受光部５の出力信号は、上記の通り、第１ビーム発生部３（コリメータレンズ１３）から出射された平行光線がロボットアーム２により遮られた場合にローレベルになるが、受光素子２２の出力信号がどれだけ低下したときにローレベルとなるかは、二値化回路２３の閾値により決まる。そして、第１受光部５の出力信号が安定した時（図４（ｃ）の状態）のロボットアーム２の先端位置も、この閾値により変化する。
【００３０】
本形態例では、第１ビーム発生部３から出射された平行光線Ｈ中へのロボットアーム２先端の挿入完了時（平行光線Ｈの図４（ｃ）における上下方向の全幅Ｔにわたって、ロボットアーム２の先端が差し込まれた時）に、第１受光部５の出力信号が安定するように、上記閾値が選ばれている。このＺ軸方向の位置合わせは、Ｘ，Ｙ軸方向の位置合わせの前でも後でもよい。
【００３１】
上記形態例では、複数のロボットアーム２先端を一つの基準点に移動して、校正を行う。そして、ロボットアーム２先端が基準点に来たか否かの検出は、平行光線の照射により行うので、検出時のロボットアーム２先端は非接触状態にある。このため、ロボットアーム２先端は変形しておらず、ロボットアーム２先端を基準点に正確に移動して校正を行うことができる。
【００３２】
又、本形態例において、第１及び第２ビーム発生部３，４から同時にレーザビームを出射するようにし、且つ、この時に両平行光線中にロボットアーム２先端が挿入されているように構成すれば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の双方に関する位置合わせを同時に行うことができる。又、上記形態例のように、第１ビーム発生部３と第２ビーム発生部４の直交する出力ビームが重ならない程度に、両ビームの移動平面をＺ方向にずらせた場合、第１ビーム発生部３ではなく第２ビーム発生部４から出射された各平行光線中にロボットアーム２先端を挿入し、上記Ｚ軸方向の位置合わせを行うようにしてもよい。
（第２の実施の形態例）
第２の実施の形態例は、ロボットアーム２が傾斜して設けられたもので、その特徴は、Ｙ座標計算手段７とＸ座標計算手段８でのロボットアーム２先端のＹ座標，Ｘ座標の算出方法にあり、その他の構成は、第１の実施の形態例と同様である。そこで、相違点であるロボットアーム２先端の座標Ｘｓの算出方法についてのみ説明する。
【００３３】
まず、Ｘ座標計算手段８でのロボットアーム２先端のＸ座標の算出方法を図５を用いて説明する。図５中の円錐形のロボットアーム２の先端形状、Ｙ軸方向から見たときのロボットアーム２先端の傾斜角θ、平行光線Ｈの幅Ｔは既知である。ロボットアーム２のＸ軸方向の右上側エッジＣのＸ座標ＸＣ、左上側エッジＢのＸ座標ＸＢ、先端ＡのＸ座標ＸＡとしたとき、右上側エッジＣと先端Ａとの中点ｎのＸ座標Ｘｎと、左上側エッジＢと先端Ａとの中点ｍのＸ座標Ｘｍとは、次式のようになる。
【００３４】
Ｘｎ＝（ＸＡ＋ＸＣ）／２
Ｘｍ＝（ＸＡ＋ＸＢ）／２
第２受光部６の出力信号からロボットアーム２のＸ軸方向のエッジを検出するが、ここで検出されたＸ軸方向の右側エッジのＸ座標は中点ｎのＸ座標Ｘｎに等しいと推定され、Ｘ軸方向の右側エッジのＸ座標は中点ｍのＸ座標Ｘｍに等しいと推定される。
【００３５】
又、アームセンターＳのＸ座標Ｘｓは、中点ｎと中点ｍとの中点であることから、次式のようになる。
【００３６】
Ｘｓ＝（Ｘｎ＋Ｘｍ）／２
そこで、このアームセンターＳとロボットアーム２の先端Ａとの距離をＬとし、ロボットアーム２先端ＡのＸ座標ＸＡとアームセンターＳとのＸ座標Ｘｓの差をΔとすれば、次の関係が成り立つ。
【００３７】
Δ＝Ｌ・ｓｉｎθ
よって、ロボットアーム２の先端ＡのＸ座標ＸＡは、次式のようになる。
【００３８】
ＸＡ＝Ｘｓ＋Δ
＝（Ｘｎ＋Ｘｍ）／２＋Ｌ・ｓｉｎθ
ここで、Ｘｎ，Ｘｍは第２受光部６の出力信号から求まり、Ｌ・ｓｉｎθはロボットアーム２の先端形状（ＸＡ，ＸＢ，ＸＣ），Ｔ，θから求まる。Ｘ座標計算手段８は、上式からロボットアーム２の先端ＡのＸ座標ＸＡを計算する。一方、ロボットアーム２の先端ＡのＹ座標ＹＡについては、Ｙ座標計算手段７が、全く同様にして、第１受光部５の出力信号等を用いて計算する。
【００３９】
本形態例における校正制御部１０は、アクチュエータ制御部３０を介して、Ｘ軸方向駆動部３１及びＹ軸方向駆動部３２を制御し、Ｙ座標計算手段７とＸ座標計算手段８にて求められるロボットアーム２先端のＸ座標ＸＡ，Ｙ座標ＹＡが、それぞれ、所定の値Ｘｐ，Ｙｐになるまで、ロボットアーム２先端を移動させることになる。
（上記以外の実施の形態例）
本発明は上記の各実施の形態例に限定されるものではない。例えば、上記形態例では、図３に示したようなポリゴンミラー１２等を用いた高速走査光学系を用いたが、一本のレーザビームを出射する第１及び第２ビーム発生部３，４を用い、図６に示すように、第１ビーム発生部３と第１受光部５とが同期してＹ軸方向に走行するようにガイドシャフト４１，４３でもって案内され、第２ビーム発生部４と第２受光部６とが同期してＸ軸方向に走行できるようにガイドシャフト４２，４４でもって案内されるように構成してもよい。
【００４０】
又、上記各形態例は、レーザビームを走査してロボットアーム２のエッジを検出したが、ロボットアーム２を覆う程度の広がりを持った平行光線を同時に照射し、ロボットアーム２を通過後の平行光線を撮像素子で受け、その画像からロボットアーム２のエッジを検出し、ロボットアーム２先端のＸ，Ｙ座標を求めるようにしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る校正方法の発明では、ロボットアーム先端が基準点に来たか否かを平行光線の照射により検出するので、検出時のロボットアーム先端は非接触状態にある。このため、ロボットアーム先端は変形しておらず、ロボットアーム先端を基準点に正確に移動して校正を行うことができる。
【００４２】
請求項２に係る校正装置の発明においても、ロボットアーム先端が基準点に来たか否かを平行光線の照射により検出するので、検出時のロボットアーム先端は非接触状態にあるため、ロボットアーム先端は変形しておらず、ロボットアーム先端を基準点に正確に移動して校正を行うことができる。
【００４３】
請求項３に係る校正装置の発明では、Ｘ，Ｙ軸方向だけでなくＺ軸方向についても、ロボットアーム先端を基準点に正確に移動して校正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例を示す図である。
【図２】Ｘ，Ｙ座標計算の説明図である。
【図３】ビーム発生部及び受光部の構成図である。
【図４】Ｚ軸方向の位置合わせの説明図である。
【図５】傾斜しているロボットアームでの座標計算の説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態例を示す図である。
【符号の説明】
１平板
２ロボットアーム
３第１ビーム発生部
４第２ビーム発生部
５第１受光部
６第２受光部
７Ｙ座標計算手段
８Ｘ座標計算手段
１０校正制御部
１１光源
１２ポリゴンミラー
１３コリメータレンズ
１４受光素子
２１受光レンズ
２２受光素子
２３二値化回路
３０アクチュエータ制御部
３１Ｘ軸方向駆動部
３２Ｙ軸方向駆動部
３３Ｚ軸方向駆動部

Claims

Ｘ軸方向からロボットアームに向けて平行光線を出射し、ロボットアームを照射後の平行光線を検出することにより、ロボットアームのＹ軸方向のエッジを求め、このエッジからロボットアームのＹ座標を算出し、この値が所定の値になるようにロボットアーム先端をＹ軸方向に移動し、
Ｙ軸方向からロボットアームに向けて平行光線を出射し、ロボットアームを照射後の平行光線を検出することにより、ロボットアームのＸ軸方向のエッジを求め、このエッジからロボットアーム先端のＸ座標を算出し、この値が所定の値になるようにロボットアーム先端をＸ軸方向に移動し、
上記移動後のロボットアームの先端位置をＸ軸及びＹ軸方向の基準点として、ロボットアームの先端位置のＸ軸及びＹ軸方向の校正を行うロボットアームの校正方法。
Ｘ軸方向からロボットアームに向けて平行光線を出射する第１ビーム発生部と、
Ｙ軸方向からロボットアームに向けて平行光線を出射する第２ビーム発生部と、
第１ビーム発生部から出射されロボットアームを照射後の平行光線を検出する第１受光部と、
第２ビーム発生部から出射されロボットアームを照射後の平行光線を検出する第２受光部と、
第１受光部の出力信号からロボットアームのＹ軸方向のエッジを検出し、ロボットアーム先端のＹ座標を求めるＹ座標計算手段と、
第２受光部の出力信号からロボットアームのＸ軸方向のエッジを検出し、ロボットアーム先端のＸ座標を求めるＸ座標計算手段と
を有し、
Ｙ座標計算手段及びＸ座標計算手段の出力信号が所定の値になるようにロボットアーム先端の移動を行い、この移動後の位置をＸ軸及びＹ軸方向の基準点として、ロボットアームの先端位置のＸ軸及びＹ軸方向の校正を行うロボットアームの校正装置。
第１又は第２ビーム発生部から出射された平行光線中に、Ｚ軸方向からロボットアーム先端を挿入していった時に、第１又は第２受光部の出力信号が安定した時のロボットアームの位置を、Ｚ軸方向の基準点として、ロボットアームの先端位置のＺ軸方向の校正を行うことを特徴とする請求項２記載のロボットアームの校正装置。