JPH05261686A

JPH05261686A - ロボットアーム長さの温度補正装置

Info

Publication number: JPH05261686A
Application number: JP5005142A
Authority: JP
Inventors: Mun Sang Kim; ▲むん▼ 相金
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1993-10-12
Anticipated expiration: 2015-10-10
Also published as: JP3096875B2; KR940006570B1; KR930016204A

Abstract

(57)【要約】【目的】周囲の温度変化により発生するロボットアーム
の長さ変化量を測定し補正する。【構成】ロボット(1) のハンド(2) に装着されるカメラ
(3a)とＬＤＳ(3b)との結合からなる非接触式センサ(3)
を利用し、カメラ(3a)からの情報に基づいてキャリブレ
ーションジグ(5) 上の測定ポイント(5a') の中心位置を
測定し、ＬＤＳ(3b)からの情報に基づいてハンド(2) と
前記測定ポイント(5a') を含む平面(5a)との距離を測定
し、該測定値と初期値とを比較することで３次元誤差を
検出し、周囲温度変化により発生するロボットアーム長
さ変化量を算出する。これに基づいて、ロボットアーム
長さを補正することができるので、周囲温度が変化した
場合においても、ロボットの作業精密度の低下を防止す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、周囲の温度変化により
発生するロボットアーム長さの変化量を非接触式センサ
で測定し補正するための、ロボットアーム長さの温度補
正装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットシステムを利用した生産ライン
等で周囲の温度変化によりロボットのアーム長さが変化
し、ロボットのハンド部に装着された工具先端(tool ce
nter point) が最初の基準位置から外れるようになる現
象が発生するが、このような現象はロボットを利用した
作業で重要視される作業精密度を低下させ、結局には対
象品の品質悪化を招来するようになる。

【０００３】したがって、ロボットシステムを利用し精
密度が要求される作業を反復遂行しようとする場合に
は、上記のような温度変化によるロボットアーム長さの
変化量を測定して補正をする必要があるが、このような
温度変化に対応するための方法としては、恒温室を設置
し作業周辺の温度を一定に維持させる方法と、センサ等
を利用し位置誤差を検出し局部（Ｌｏｃａｌ）修正をす
る方法等が行なわれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ロボットシス
テムを３次元測定器のように空間上の３次元絶対座標値
の測定に使用する場合、恒温室等の設置をすることがで
きず、補正が不可能になるため、このような場合にロボ
ットアーム長さの温度変化に対する補正をどのような方
式で行なうかの問題が解決されていないのが実情であ
る。

【０００５】そこで、本発明は、上記実情に鑑みなされ
たもので、従来の恒温室設置、或いはセンサ等を利用し
位置誤差を検出し局部（Ｌｏｃａｌ）修正をする方式で
は、ロボットアーム長さの温度変化に対する補正が不可
能な場合等にも適合し得るロボットアーム長さの温度補
正装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明にかか
るロボットアーム長さの温度補正装置は、ロボット(1)
のハンド(2) に、カメラ(3a)とレーザー変位センサ(3b)
とを含んで構成した非接触式センサ(3) を装着し、該非
接触式センサ(3) を利用して、熱膨張係数の小さいキャ
リブレーションジグ(5) 上に表示された測定ポイント(5
a') と対面するよう動作を教示された前記ハンド(2) の
前記測定ポイント(5a') に対する３次元相対位置を測定
する３次元位置測定手段と、該３次元位置測定手段によ
り測定された測定値と、前記ハンド(2) の同一動作にお
ける初期値とを比較することで、周辺温度変化により発
生したロボットアーム長さの変化量を算出するロボット
アーム長さ変化量算出手段と、該算出されたロボットア
ーム長さの変化量に基づいてロボットアーム長さの補正
を行なうロボットアーム長さの補正手段と、を含んで構
成した。

【０００７】ところで、前記３次元位置測定手段は、大
きく分けて、ロボットのハンドに装着する非接触式セン
サと、該非接触式センサの下側に一定距離を置いて設置
され熱膨張係数の小さなキャリブレーションジグと、の
２種の構成部材からなる。前記非接触式センサは、画像
処理装置等との組合せにより画面上の指定された部分に
対する２次元的な位置を求めるのに使用されるカメラ
と、三角法により測定対象迄の距離を測定するレーザー
変位計のセンサ部であるレーザー変位センサ(Laser Dis
placement Sensor、以下 "ＬＤＳ" と略称する) との結
合で構成されるのが好ましい。

【０００８】そして、上記非接触式センサに対応し設置
されるキャリブレーションジグは２つの大小の直６面体
を上下２段に重ね置いた形態を取っても良く、例えば、
上部直６面体の各面の中心部と下部直６面体の各面の角
部には、前記カメラによるセンシングが可能な黒色の円
からなる測定ポイントが表示されるのが好ましい。な
お、かかる測定ポイントは、黒色の円である必要はな
く、カメラによりセンシングが可能であればよく、また
その図心等を要求精度に応じて求めることができるもの
であれば、如何なるものでも構わない。

【０００９】

【作用】かかる構成により、ロボットのハンドに装着さ
れたカメラからの情報によりキャリブレーションジグに
表示された前記測定ポイントの中心位置を求め、ＬＤＳ
からの情報によりロボットハンドとキャリブレーション
ジグの間の３次元相対距離を測定し、該測定値と初期値
とを比較することで３次元誤差量を検知し、該誤差量に
基づいて温度変化によるロボットアーム長さの変化量を
算出し、該変化量に基づいて変化したロボットアーム長
さの補正を遂行する。

【００１０】

【実施例】本発明にかかるロボットアーム長さの温度補
正装置の構造及び測定方法について、添付した図面によ
り詳細に説明すれば、次の通りである。図１は、本発明
にかかるロボットアーム長さの温度補正装置の全体構造
を示したもので、図示したように、ロボット(1) のアー
ム(1a)の先端に取り付けられたハンド(2) に、カメラ(3
a)とＬＤＳ(3b)とを含んで構成される非接触式センサ
(3) ( 図２参照 )が装着される。

【００１１】そして、ハンド(2) の下方に設置された台
（4)上には、大きさの異なる２つの直６面体が重ね置か
れた形態のキャリブレーションジグ(5) が配設されてい
る。ロボットアーム長さの温度補正時には、ハンド(2)
は、キャリブレーションジグ(5) の各面上に表示された
各測定ポイント(5a') に垂直に対面するよう動作を教示
(Teach-in)され、ハンド(2) は前記測定ポイント(5a')
らに従い連続的に移動・停止を繰り返し、前記測定ポイ
ント(5a') 上で停止した状態でセンシングを行なう。

【００１２】このようなセンシング過程を図２乃至図４
を参照して説明する。図２は、ロボット(1) のハンド
(2) に装着された非接触式センサ部分の構造、およびセ
ンシング状態を示したもので、図３はキャリブレーショ
ンジグ(5) を示したものであり、図４は測定原理を説明
したものである。これらの図面に示したように、本発明
における非接触式センサ(3) を利用した測定は、カメラ
(3a)とＬＤＳ(3b)とにより非接触式でなされるが、この
ときカメラ(3a)は、キャリブレーションジグ(5) の平面
(5a)上に表示された黒い円からなる測定ポイント(5a')
と垂直に対面するよう動作を教示され、カメラ(3a)から
の情報が図示しない画像処理装置に送られて、２次元的
な位置を測定する。一方、カメラ(3a)と一体に結合され
たＬＤＳ(3b)からの情報がレーザー変位計に送られて、
三角法によりＬＤＳ(3b)から測定対象迄の距離、換言す
れば、前記ハンド(2) からキャリブレーションジグ(5)
迄の相対距離を測定する。これにより、前記測定ポイン
ト(5a') に対するハンド(2) の３次元相対位置を検知す
るようになる。

【００１３】すなわち、カメラ(3a)からの情報に基づい
て測定ポイント(5a') の中心位置を測定し、ＬＤＳ(3b)
からの情報に基づいてロボットハンド(2) から測定ポイ
ント(5a') の表示された平面(5a)迄の距離を測定するこ
とで３次元相対位置を求めることができるのである。よ
り具体的に言うと、図４に示される如く、カメラ(3a)か
らの情報に基づいてキャリブレーションジグ(5) の各平
面(5a)上に表示されている測定ポイント(5a') の２次元
的な中心位置（Ｘ、Ｙ) を求め、ＬＤＳ(3b)からの情報
に基づいてＬＤＳ(3b)先端から、キャリブレーションジ
グ(5) の平面(5a)迄の相対距離Ｚを測定するのである。

【００１４】このとき、測定ポイント(5a') を構成する
黒色の円の位置は正確に定められる必要はなく、円の大
きさも又基本的に制限されない。実際に、ロボットアー
ム長さの温度補正時に測定された測定値と、初期値（初
期測定値或いは初期入力値）との差異はＸ、Ｙ、Ｚ方向
の３次元誤差で表示され、この誤差量は周囲の温度変化
によるロボットアームの長さ変化により発生するロボッ
トハンド(2) 先端部の３次元微小変化量を表していて、
この誤差量からロボット(1) の各アーム長さの変化量を
逆に算出するのである。

【００１５】測定された誤差量からアーム長さの変化量
を計算するロボットアーム長さ変化量算出手段６とし
て、例えばマイクロコンピュータ等が備えられており、
かかるマイクロコンピュータで行なわれるアーム長さの
変化量の算出のためのアルゴリズム(Algorithm) は次の
通りである。ロボット(1) の動作(Kinematic transform
ation)を決定する機構は、以下の（１）式のように表示
する。

【００１６】 ΔＸ＝Ｆ（θ，ｌ）（１）ここで、Ｘはロボットハンド(2) 先端部の直角座標(Car
tesian Cordination)値を示し、θは関節変化量、ｌは
各アームの長さを各々示す。周辺温度の変化によるアー
ム長さの変化後にキャリブレーションジグ(5) 上の測定
ポイント(5a') における１点を測定することで得られる
３次元の測定値を初期値から引くことで得られる３次元
誤差値をΔｌと定義すれば、微小変化による２変数の関
係式は下の（２）式で表現できる。

【００１７】 ΔＸ＝∂／∂ｌ・ｆ( θ，ｌ）・Δｌ＝Ｊ（θ）・Δｌ（２）ここで、Ｊ（θ）＝∂／∂ｌ・ｆ( θ，ｌ）は、一般的
にヤコビアンマトリックス（Jacobian Matrix)と呼ば
れ、これはロボットのアームの長さの変化量Δｌと３次
元誤差値ΔＸとの線形関係を示している。上の（２）式
からＫ個の互いに異なる位置での値に対する方程式は
（３）式のように表示できる。

【００１８】 ΔＸｉ＝Ｊ（θｉ）・Δｌ（３）ｉ＝１，２，３，・・・・，ＫこのようなＫ個の式は次のような一つの式で表現可能で
ある。 ΔＸ＝Ｊ・Δｌここで、

【００１９】

【数１】

【００２０】Δｌを計算するためには、少なくとも３Ｋ
≧ｎを満足する個数の測定がなされなければならない。
これより、最小自乗法により‖ΔＸ−ＪΔ・ｌ‖の値が
最小となるΔｌの値を求めることができる。マトリック
スＪ値がシンギュラー(Singular)しない場合、次の値Δ
ｌを求めることができる。

【００２１】Δｌ＝(J^TJJ)^-1・J ^T・ΔＸ再言すれば、Δｌは温度変化により発生したロボットア
ーム長さの変化量である。このようにして求められたロ
ボットアーム長さの変化量Δｌを、初期のロボットアー
ム長さｌに加算することで、周囲温度変化によるロボッ
トアーム長さ（ｌ＋Δｌ）に補正することができる。か
かる補正は、マイクロコンピュータ等で構成されるロボ
ットアーム長さの補正手段７によりなされる。

【００２２】なお、この後、ロボットの動作を制御する
ロボットシステムの制御部８において、前記補正された
ロボットアーム長さ（ｌ＋Δｌ）が、ロボットの動作を
決定する（１）式に導入され、新たなロボットの機構へ
変換されることで、周囲温度変化により生じるロボット
アームの長さ変化を考慮したロボットの動作を得ること
ができるのである。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
特に生産ライン等で恒温室等の設置スペースを確保でき
ないような場合等においても、ロボットアーム長さの変
化量を算出することができるようになり、これに基づい
てロボットアーム長さを補正することができるという効
果がある。これにより、周囲温度の変化により生じるロ
ボットアームの長さ変化に伴う作業精密度の低下を防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるロボットアーム長さの温度補
正装置の全体構造を示した側面図。

【図２】図１のセンサ部構造及びセンシング状態を示
した拡大図。

【図３】本発明にかかるロボットアーム長さの温度補
正装置のキャリブレーションジグの斜視図。

【図４】本発明にかかるロボットアーム長さの温度補
正装置の測定原理を示した説明図。

【符号の説明】

１ロボット１ａアーム２ハンド３非接触式センサ３ａカメラ３ｂレーザー変位センサ５キャリブレーションジグ５ａ平面５ａ' 測定ポイント６，７マイクロコンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボット(1) のハンド(2) に、カメラ(3a)
とレーザー変位センサ(3b)とを含んで構成した非接触式
センサ(3) を装着し、該非接触式センサ(3) を利用し
て、熱膨張係数の小さいキャリブレーションジグ(5) 上
に表示された測定ポイント(5a') と対面するよう動作を
教示された前記ハンド(2) の前記測定ポイント(5a') に
対する３次元相対位置を測定する３次元位置測定手段
と、該３次元位置測定手段により測定された測定値と、前記
ハンド(2) の同一動作における初期値とを比較すること
で、周辺温度変化により発生したロボットアーム長さの
変化量を算出するロボットアーム長さ変化量算出手段
と、該算出されたロボットアーム長さの変化量に基づいてロ
ボットアーム長さの補正を行なうロボットアーム長さの
補正手段と、を含んで構成したことを特徴とするロボットアーム長さ
の温度補正装置。
【請求項２】請求項１において、前記キャリブレーショ
ンジグ(5) は、大小２個の直６面体が２段に結合されて
構成され、かつ、該キャリブレーションジグ(5) の各平
面(5a)上には黒い円からなる測定ポイント(5a') が表示
されたことを特徴とするロボットアーム長さの温度補正
装置。
【請求項３】請求項１において、前記３次元位置測定手
段が、前記非接触式センサ(3) を構成するカメラ(3a)か
らの情報に基づいて前記キャリブレーションジグ(5) の
測定ポイント(5a') の中心位置を測定し、レーザー変位
センサ(3b)からの情報に基づいて前記ロボット(1) のハ
ンド(2) から前記測定ポイント(5a') が表示された前記
キャリブレーションジグ(5) の平面(5a)迄の距離を測定
し、前記測定ポイント(5a') に対するハンド(2) の３次
元相対位置を検出することを特徴とするロボットアーム
長さの温度補正装置。
【請求項４】請求項１において、ロボットアーム長さ変
化量算出手段が、前記測定ポイント(5a') における測定
値と初期値との３次元誤差に基づき、最小自乗法により
算出することを特徴とするロボットアーム長さの温度補
正装置。