机器人校准装置及校准方法、机器人装置及其控制方法

机器人校准装置及校准方法、机器人装置及其控制方法
【专利摘要】本发明提供一种机器人校准装置及校准方法、机器人装置及其控制方法。所述机器人校准装置校准机器人本体2的命令值，所述机器人本体2的位置姿势是基于所述命令值而控制的。所述机器人校准装置包括：运算单元，其被构造为基于所述机器人本体2的理想位置姿势与所述机器人本体2的实际位置姿势之间的差，来计算校准所述命令值的校准函数。基于校准期间使用的校准用的命令值RHTcom或者基于作为根据该命令值的控制的结果的控制结果值来运算所述理想位置姿势，而基于在根据所述校准用的命令值控制所述机器人本体2期间，由相对于所述机器人本体2以规定的相对位置姿势布置的照相机3获取的校准用的测量值RHT'meas来运算所述实际位置姿势。
【专利说明】机器人校准装置及校准方法、机器人装置及其控制方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及包括通过控制多个关节来驱动的多关节臂并利用视觉传感器的机器 人装置中的机器人校准装置及机器人校准方法、机器人装置以及机器人装置的控制方法。

【背景技术】
[0002] 传统上，如下机器人装置已经得到普及，该机器人装置包括垂直多关节臂和末端 执行器（以下，称为机器人本体）以及用于控制这些部件的控制装置，并且还包括安装在臂 梢端部（tip end part)的视觉传感器（以下，也称为照相机）。在该机器人装置中，通过照 相机测量诸如工件的对象，并且控制装置根据测量结果对对象的位置姿势（position and orientation)进行运算，并且基于通过该运算获得的对象的位置姿势，来控制机器人本体 的位置姿势。
[0003] 通常，照相机作为基准采用的测量坐标系与机器人本体作为基准采用的操作坐标 系不同。因此，为了从照相机的测量值获取机器人本体的操作目标值（命令值），需要将照 相机在测量坐标系的测量值变换为操作坐标系的值。为了进行该坐标变换，需要预先进行 测量坐标系与操作坐标系之间的校准操作，并获取校准值（坐标变换式）。
[0004] 作为校准操作的示例，例如，已知称为手眼校准方法的方法。该方 法使机器人本体采用多个位置姿势，并在各位置姿势下使照相机测量校准用 的基准物（参见日本特开平10-063317号公报、以及Radu Horaud and Fadi Dornaika, ^Hand-Eye Calibration^, International Journal of Robotics Research Vol. 14, No. 3, 195-210, 1995)。该方法基于机器人本体的梢端部在该机器人本体的各个位 置姿势下的命令值与来自照相机的校准用的基准物的测量值之间的关系，以使得残差最小 的方式来获取操作坐标系与测量坐标系之间的关系，由此获取校准值。
[0005] 在日本特开平10-063317号公报中记载的坐标校准方法未考虑机器人本体的操 作误差。实际上，由于臂的机械误差或者挠度，而产生操作误差。还存在操作误差以外的、 机器人本体固有的误差；这些误差包括组装误差和透镜畸变。这些误差无法通过传统的坐 标校准方法充分抑制，并且妨碍了对机器人本体的位置姿势的控制的精度的提高。


【发明内容】

[0006] 本发明的目的是提供能够通过对包含操作误差的机器人本体的位置姿势进行运 算，提高对机器人本体的位置姿势的控制的精度的机器人校准装置、机器人校准方法、机器 人装置及机器人装置的控制方法。
[0007] 根据本发明的一方面，提供一种校准机器人本体的命令值的机器人校准装置，所 述机器人本体包括多关节臂，并且所述机器人本体的位置姿势是基于所述命令值而控制 的，所述机器人校准装置包括：运算单元，其被构造为基于所述机器人本体的理想位置姿 势与所述机器人本体的实际位置姿势之间的差，来计算校准所述命令值的校准函数，其中， 基于校准期间使用的校准用的命令值或者基于作为基于该命令值的控制的结果的控制结 果值来运算所述理想位置姿势，而基于在基于所述校准用的命令值控制所述机器人本体期 间，由相对于所述机器人本体以规定的相对位置姿势布置的视觉传感器获取的校准用的测 量值来运算所述实际位置姿势。
[0008] 根据本发明的另一方面，提供一种校准机器人本体的命令值的机器人校准方法， 所述机器人本体包括多关节臂，并且所述机器人本体的位置姿势是基于所述命令值或者基 于作为根据所述命令值的控制的结果的控制结果值而控制的，所述机器人校准方法包括： 计算校准函数，所述计算使运算单元基于所述机器人本体的理想位置姿势与所述机器人本 体的实际位置姿势之间的差，来计算校准所述命令值的校准函数，其中，基于校准期间使用 的校准用的命令值来运算所述理想位置姿势，而基于在基于所述校准用的命令值控制所述 机器人本体期间，由相对于所述机器人本体以规定的相对位置姿势布置的视觉传感器获取 的校准用的测量值来运算所述实际位置姿势。
[0009] 根据本发明的再一方面，提供一种机器人装置，所述机器人装置包括：机器人本 体，其包括多关节臂；视觉传感器，其相对于所述机器人本体以规定的相对位置姿势布置； 以及控制单元，其被构造为运算命令值并控制所述机器人本体的位置姿势，其中，所述控制 单元：获取通过所述视觉传感器测量对象而得到的测量值，基于所述测量值生成临时命令 值，使用校准函数校准所述临时命令值，并生成校准后的命令值，所述校准函数被基于所述 机器人本体的理想位置姿势与所述机器人本体的实际位置姿势之间的差来计算，所述理想 位置姿势被基于校准期间使用的校准用的命令值或者基于作为基于该命令值的控制的结 果的控制结果值来运算，而所述实际位置姿势被根据在基于所述校准用的命令值控制所述 机器人本体期间，由所述视觉传感器获取的校准用的测量值来运算，并且根据所述校准后 的命令值，控制所述机器人本体的位置姿势。
[0010] 根据本发明的再一方面，提供一种机器人装置的控制方法，所述机器人装置包括： 机器人本体，其包括多关节臂；视觉传感器，其相对于所述机器人本体以规定的相对位置姿 势布置；以及控制单元，其被构造为运算命令值并控制所述机器人本体的位置姿势，所述控 制方法包括：获取测量值，其中，所述控制单元获取通过所述视觉传感器测量对象而得到 的测量值；生成临时命令值，其中，所述控制单元基于所述测量值生成临时命令值；进行校 准，其中，所述控制单元使用校准函数校准所述临时命令值，并生成校准后的命令值，所述 校准函数被基于所述机器人本体的理想位置姿势与所述机器人本体的实际位置姿势之间 的差来计算，所述理想位置姿势被基于校准期间使用的校准用的命令值或者基于作为基于 该命令值的控制的结果的控制结果值来运算，而所述实际位置姿势被基于在基于所述校准 用的命令值控制所述机器人本体期间，由所述视觉传感器获取的校准用的测量值来运算； 以及控制位置姿势，其中，所述控制单元根据所述校准后的命令值，控制所述机器人本体的 位置姿势。
[0011] 通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 图1是例示根据本发明的第一实施例的机器人系统的示意性配置的图。
[0013] 图2是例示根据本发明的第一实施例的机器人系统校准坐标并控制机器人本体 的操作过程的流程图。
[0014] 图3是例示根据本发明的第一实施例的机器人系统获取校准用的数据的操作过 程的流程图。
[0015] 图4是例示根据本发明的第一实施例的机器人系统计算校准函数的操作过程的 流程图。
[0016] 图5是例示在根据本发明的第一实施例的机器人系统进行的校准值计算期间机 器人主体的位置姿势的图。
[0017] 图6是例示在根据本发明的第一实施例的机器人系统进行的操作误差计算期间 机器人主体的位置姿势的图。
[0018] 图7是例示在根据本发明的第二实施例的机器人系统的示意性配置的图。
[0019]图8是例示在根据本发明的第二实施例的机器人系统进行的校准值计算期间机 器人主体的位置姿势的图。
[0020] 图9是例示根据本发明的第一实施例的机器人系统的控制装置与机器人校准装 置被构造为彼此独立的变型例的示意性配置的图。

【具体实施方式】
[0021] 现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
[0022] 第一实施例
[0023] 在本实施例的机器人系统1的描述之前，对本说明书中的式表示的定义进行描 述。在本说明书中，在三维坐标系中表示构成机器人系统1的多关节臂20、手21、照相机3 以及工件6的6自由度的位置姿势。通过坐标变换矩阵（齐次变换矩阵）来表示任意两个 坐标系中的相对位置姿势。
[0024] 首先，表示从任意坐标系A到任意坐标系B的相对位置姿势的坐标变换矩阵被表 示为aH b。由坐标变换矩阵aHb指示的相对位置姿势也被表示为相对位置姿势aH b。例如，在 本实施例中，如图1所示，以后述的机器人坐标系R为基准的后述手尖坐标系T的相对位置 姿势被表示为 kHt。以后述的照相机坐标系V为基准的后述工件坐标系W的相对位置姿势 被表不为VH W。
[0025] 使用旋转矩阵Rot和平移矢量t，将相对位置姿势定义为式1。
[0026]

【权利要求】
1. 一种校准机器人本体的命令值的机器人校准装置，所述机器人本体包括多关节臂， 并且所述机器人本体的位置姿势是基于所述命令值而控制的，所述机器人校准装置包括： 运算单元，其被构造为基于所述机器人本体的理想位置姿势与所述机器人本体的实际 位置姿势之间的差，来计算校准所述命令值的校准函数，其中，基于校准期间使用的校准用 的命令值或者基于作为基于该命令值的控制的结果的控制结果值来运算所述理想位置姿 势，而基于在基于所述校准用的命令值控制所述机器人本体期间，由相对于所述机器人本 体以规定的相对位置姿势布置的视觉传感器获取的校准用的测量值来运算所述实际位置 姿势。
2. 根据权利要求1所述的机器人校准装置， 其中，所述视觉传感器是固定在所述机器人本体的梢端部的照相机，并且 所述运算单元基于通过使所述照相机测量相对于所述机器人本体的基端部定位的校 准用基准物而获取的所述校准用的测量值、所述机器人本体的梢端部与所述照相机之间的 相对位置姿势、以及所述机器人本体的基端部与所述校准用基准物之间的相对位置姿势， 来计算所述实际位置姿势。
3. 根据权利要求1所述的机器人校准装置， 其中，所述视觉传感器是相对于所述机器人本体的基端部定位的照相机，并且 所述运算单元基于通过使所述照相机测量相对于所述机器人本体的梢端部定位的校 准用基准物而获取的所述校准用的测量值、所述机器人本体的基端部与所述照相机之间的 相对位置姿势、以及所述机器人本体的梢端部与所述校准用基准物之间的相对位置姿势， 来计算所述实际位置姿势。
4. 一种机器人装置，所述机器人装置包括： 机器人本体，其包括多关节臂； 视觉传感器，其相对于所述机器人本体以规定的相对位置姿势布置；以及 控制单元，其被构造为运算命令值并控制所述机器人本体的位置姿势， 其中，所述控制单元： 获取通过所述视觉传感器测量对象而得到的测量值， 基于所述测量值生成临时命令值， 使用校准函数校准所述临时命令值，并生成校准后的命令值，所述校准函数被基于所 述机器人本体的理想位置姿势与所述机器人本体的实际位置姿势之间的差来计算，所述理 想位置姿势被基于校准期间使用的校准用的命令值或者基于作为基于该命令值的控制的 结果的控制结果值来运算，而所述实际位置姿势被根据在基于所述校准用的命令值控制所 述机器人本体期间，由所述视觉传感器获取的校准用的测量值来运算，并且 根据所述校准后的命令值，控制所述机器人本体的位置姿势。
5. 根据权利要求4所述的机器人装置， 其中，所述视觉传感器是固定在所述机器人本体的梢端部的照相机，并且 所述控制单元使所述照相机测量相对于所述机器人本体的基端部定位的所述对象，并 在所述临时命令值的生成期间，基于所述机器人本体的梢端部与所述照相机之间的相对位 置姿势，对所述临时命令值进行运算。
6. 根据权利要求4所述的机器人装置， 其中，所述视觉传感器是相对于所述机器人本体的基端部定位的照相机，并且 所述控制单元使所述照相机测量相对于所述机器人本体的梢端部定位的所述对象，并 在所述临时命令值的生成期间，基于所述机器人本体的基端部与所述照相机之间的相对位 置姿势，对所述临时命令值进行运算。
7. 根据权利要求4所述的机器人装置，其中，所述控制单元设定在所述机器人本体处 于规定的基准位置姿势期间的命令值作为基准命令值，将所述临时命令值转换为相对于所 述基准命令值的值，使用所述校准函数校准所述转换的临时命令值，并生成所述校准后的 命令值。
8. -种校准机器人本体的命令值的机器人校准方法，所述机器人本体包括多关节臂， 并且所述机器人本体的位置姿势是基于所述命令值或者基于作为根据所述命令值的控制 的结果的控制结果值而控制的， 所述机器人校准方法包括：计算校准函数，所述计算使运算单元基于所述机器人本体 的理想位置姿势与所述机器人本体的实际位置姿势之间的差，来计算校准所述命令值的校 准函数，其中，基于校准期间使用的校准用的命令值来运算所述理想位置姿势，而基于在基 于所述校准用的命令值控制所述机器人本体期间，由相对于所述机器人本体以规定的相对 位置姿势布置的视觉传感器获取的校准用的测量值来运算所述实际位置姿势。
9. 根据权利要求8所述的机器人校准方法， 其中，所述视觉传感器是固定在所述机器人本体的梢端部的照相机，并且 在计算所述校准函数中，所述运算单元基于通过使所述照相机测量相对于所述机器人 本体的基端部定位的校准用基准物而获取的所述校准用的测量值、所述机器人本体的梢端 部与所述照相机之间的相对位置姿势、以及所述机器人本体的基端部与所述校准用基准物 之间的相对位置姿势，来计算所述实际位置姿势。
10. 根据权利要求8所述的机器人校准方法， 其中，所述视觉传感器是相对于所述机器人本体的基端部定位的照相机，并且 在计算所述校准函数中，所述运算单元基于通过使照相机测量相对于所述机器人本体 的梢端部定位的校准用基准物而获取的所述校准用的测量值、所述机器人本体的基端部与 所述照相机之间的相对位置姿势、以及所述机器人本体的梢端部与所述校准用基准物之间 的相对位置姿势，来计算所述实际位置姿势。
11. 一种机器人装置的控制方法，所述机器人装置包括： 机器人本体，其包括多关节臂； 视觉传感器，其相对于所述机器人本体以规定的相对位置姿势布置；以及 控制单元，其被构造为运算命令值并控制所述机器人本体的位置姿势， 所述控制方法包括： 获取测量值，其中，所述控制单元获取通过所述视觉传感器测量对象而得到的测量 值； 生成临时命令值，其中，所述控制单元基于所述测量值生成临时命令值； 进行校准，其中，所述控制单元使用校准函数校准所述临时命令值，并生成校准后的命 令值，所述校准函数被基于所述机器人本体的理想位置姿势与所述机器人本体的实际位置 姿势之间的差来计算，所述理想位置姿势被基于校准期间使用的校准用的命令值或者基于 作为基于该命令值的控制的结果的控制结果值来运算，而所述实际位置姿势被基于在基于 所述校准用的命令值控制所述机器人本体期间，由所述视觉传感器获取的校准用的测量值 来运算；以及 控制位置姿势，其中，所述控制单元根据所述校准后的命令值，控制所述机器人本体的 位置姿势。
12. 根据权利要求11所述的机器人装置的控制方法， 其中，所述视觉传感器是固定在所述机器人本体的梢端部的照相机，并且 在获取测量值中，所述控制单元使所述照相机测量相对于所述机器人本体的基端部定 位的所述对象，并且 在生成临时命令值中，在所述临时命令值的生成期间，所述控制单元基于所述机器人 本体的梢端部与所述照相机之间的相对位置姿势，来对所述临时命令值进行运算。
13. 根据权利要求11所述的机器人的控制方法， 其中，所述视觉传感器是相对于所述机器人本体的基端部定位的照相机， 在所述获取测量值中，所述控制单元使所述照相机测量相对于所述机器人本体的梢端 部定位的所述对象，并且 在所述生成临时命令值中，在所述临时命令值的生成期间，所述控制单元基于所述机 器人本体的基端部与所述照相机之间的相对位置姿势，来对所述临时命令值进行运算。
14. 根据权利要求11所述的机器人装置的控制方法，所述控制方法还包括： 相对化，其中，所述控制单元设定在所述机器人本体处于规定的基准位置姿势期间的 命令值作为基准命令值，并且所述控制单元将所述临时命令值转换为相对于所述基准命令 值的值， 其中，在所述校准中，所述控制单元使用所述校准函数校准所述转换的临时命令值，并 生成所述校准后的命令值。
【文档编号】B25J19/02GK104511900SQ201410504893
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】铃木秀明, 天野新吾 申请人:佳能株式会社