机器人系统和用于控制该机器人系统的方法
【专利摘要】一种机器人系统和用于控制该机器人系统的方法。在获取用于坐标变换的校准值时不需要手动示教操作并且改进校准准确度的机器人系统包括机器人本体、照相机和控制设备。所述控制设备在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由照相机测量校准板，所述第一位置和朝向组包括基准测量位置和朝向、以及第一偏移范围内的位置和朝向；基于测量值计算第一校准值；在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由照相机测量校准板，第二位置和朝向组包括不同于基准测量位置和朝向的基准操作位置和朝向、以及第二偏移范围内的位置和朝向；基于测量值计算第二校准值；并通过使用第一校准值和第二校准值激活机器人本体。
【专利说明】机器人系统和用于控制该机器人系统的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用通过控制多个关节而被驱动的铰接臂和视觉传感器的机器人系统、以及用于控制该机器人系统的方法。
【背景技术】
[0002]常规的机器人设备设有垂直铰接臂、末端执行器(以下称之为机器人本体)、用于控制它们的控制设备、以及附连到臂的末端的视觉传感器(以下称之为照相机)。在该机器人设备中，照相机测量诸如工件的目标对象，控制设备基于测量结果来计算目标对象的位置和朝向，并基于所计算的目标对象的位置和朝向，控制机器人本体的位置和朝向。
[0003]通常，用于照相机的测量坐标系不同于用于机器人本体的运动坐标系。因此，为了基于照相机的测量值获取机器人本体的运动目标值(命令值)，有必要对照相机的测量值执行从测量坐标系到运动坐标系的坐标变换。为了执行该坐标变换，预先通过对测量坐标系和运动坐标系执行校准操作来获取校准值(坐标变换公式)是必要的。
[0004]作为该校准操作的例子，某种方法在顺序地改变机器人本体的多个位置和朝向的同时通过在机器人本体的每个位置和朝向使用照相机来测量用于校准的基准构件。该校准方法被已知为手眼校准方法(参照日本专利申请公开N0.10-063317和Hand-EyeCalibrationl (Radu Horaud和FadiDornaika, 1995)。基于在机器人本体的每个位置和朝向处对于机器人本体的末端的命令值与来自照相机的用于校准的基准构件的测量值之间的关系，该方法获得运动坐标系与测量坐标系之间的关系以使得残差最小，然后获取校准值。
[0005]关于已知为校准操作的另一个例子的方法，照相机测量基准工件，操作者通过使用示教操纵台使机器人本体靠近基准工件(参照日本专利申请公开N0.6-206186)。该方法在照相机测量基准工件之后使机器人本体靠近基准工件，获得通过照相机获得的测量值与对于机器人本体的命令值之间的关系，并获取用于测量坐标系和运动坐标系的校准值。
[0006]尽管在日本专利申请公开N0.10-063317中所讨论的坐标校准方法没有考虑机器人本体的运动误差，但是运动误差实际上是由于臂上的机械误差和弯曲而产生的。另一方面，在实际操作中，机器人本体的强调工件测量时的测量准确度的测量位置和朝向与机器人本体的实际操作位置和朝向在很大程度上是不同的。因为机器人本体的上述运动误差在很大程度上取决于机器人本体的位置和朝向，所以在上述情况下，即使在执行坐标校准之后，也难以充分地改进准确度。
[0007]可以通过使用与日本专利申请公开N0.6-206186中所讨论的坐标校准方法一样的、操作者向机器人本体示教实际操作位置和朝向的方法来在一定程度上防止机器人本体的这样的位置和朝向误差。然而，日本专利申请公开N0.6-206186中所讨论的坐标校准方法要求操作者进行示教操作，因此，对于坐标调整需要比自动化操作所需的操作时间更长的操作时间。此外，关于相关方法，校准值的准确度可能根据操作者的技能水平而变化。
【发明内容】
[0008]本发明针对一种机器人系统和用于控制该机器人系统的方法,该机器人系统在获取用于具有视觉传感器的机器人中的坐标变换的校准值时不需要手动示教操作，同时改进坐标校准的准确度。
[0009]根据本发明的一方面，一种机器人系统包括:机器人本体，包括铰接臂和由该铰接臂支承的末端执行器；视觉传感器，被设置在机器人本体上；以及控制设备，被配置为控制机器人本体的位置和朝向，并通过使用经由视觉传感器测得的测量值来计算工件的位置和朝向。控制设备执行以下处理:在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由视觉传感器测量基准构件，所述第一位置和朝向组包括机器人本体的第一基准位置和朝向、以及机器人本体在围绕第一基准位置和朝向的第一偏移范围内的位置和朝向；通过使用在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算第一校准值；在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由视觉传感器测量基准构件，所述第二位置和朝向组包括机器人本体的不同于第一基准位置和朝向的第二基准位置和朝向、以及机器人本体在围绕第二基准位置和朝向的第二偏移范围内的位置和朝向，所述第二偏移范围是与第一偏移范围分离的范围，或者是其一部分与第一偏移范围重叠、而另一部分不与第一偏移范围重叠的范围；通过使用在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算第二校准值；经由视觉传感器测量工件；以及通过使用第一校准值和第二校准值来激活机器人本体。
[0010]根据本发明的另一方面，一种用于控制机器人系统的方法，所述机器人系统包括机器人本体、设置在机器人本体上的视觉传感器和控制设备，机器人本体包括铰接臂和由该铰接臂支承的末端执行器，控制设备被配置为控制机器人本体的位置和朝向并通过使用经由视觉传感器测量的测量值来计算工件的位置和朝向，所述方法包括由控制设备执行的以下处理:在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由视觉传感器测量基准构件，所述第一位置和朝向组包括机器人本体的第一基准位置和朝向、以及机器人本体在围绕第一基准位置和朝向的第一偏移范围内的位置和朝向；通过使用在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由视觉传感器测得的基准构件的测量值来计算第一校准值；在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由视觉传感器测量基准构件，所述第二位置和朝向组包括机器人本体的不同于第一基准位置和朝向的第二基准位置和朝向、以及机器人本体在围绕第二基准位置和朝向的第二偏移范围内的位置和朝向，所述第二偏移范围是与第一偏移范围分离的范围，或者是其一部分与第一偏移范围重叠、而另一部分不与第一偏移范围重叠的范围；通过使用在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由视觉传感器测得的基准构件的测量值来计算第二校准值；经由视觉传感器测量工件；并通过使用第一校准值和第二校准值来激活机器人本体。
[0011]根据以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1示意性地示出根据本发明的第一示例性实施例的机器人系统的配置。
[0013]图2是示出用于在根据本发明的第一示例性实施例的机器人系统中执行坐标校准的处理的流程图。[0014]图3示出根据本发明的第一示例性实施例的机器人系统的测量位置和朝向组以及操作位置和朝向组的位置和朝向。
[0015]图4A和4B示出根据本发明的第一示例性实施例的机器人系统。图4A示出基准测量位置和朝向，图4B示出基准操作位置和朝向。
[0016]图5是示出每个位置和朝向组中的位置和朝向偏移的例子的表。
[0017]图6示出当在根据本发明的第一示例性实施例的机器人系统中计算基本校准值时机器人本体的位置和朝向。
[0018]图7示出当在根据本发明的第一示例性实施例的机器人系统中计算基本校准值的残差时机器人本体的位置和朝向。
[0019]图8A、8B和SC示出当工件被根据本发明的第一示例性实施例的机器人系统抓握时机器人本体的位置和朝向。图8A不出用照相机进行测量时的位置和朝向。图8B不出当在不执行校正的情况下移动机器人本体时的位置和朝向。图8C示出当在执行校正的情况下移动机器人本体时的位置和朝向。
[0020]图9示出根据本发明的第二示例性实施例的机器人系统中所使用的组装部件和工件。
[0021]图10是示出用于在根据本发明的第二示例性实施例的机器人系统中执行坐标校准的处理的流程图。
【具体实施方式】
[0022]以下将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。
[0023]在描述根据第一不例性实施例的机器人系统I之前，以下将描述本说明书中对于公式表示的定义。在本说明书中，构成机器人系统I的铰接臂20、手21、照相机3和工件6的位置和朝向(具有六个自由度)用三维坐标系表示。此外，任意两个坐标系之间的相对位置和朝向用坐标变换矩阵(齐次变换矩阵)表示。
[0024]坐标变换矩阵aHb表示从任意坐标系A朝向任意坐标系B的相对位置和朝向。坐标变换矩阵aHb也被描述为相对位置和朝向aHb。例如，在本示例性实施例中，如图1所示，参照机器人坐标系R (以下描述)工具坐标系T存在于相对位置和朝向kHt处，参照照相机坐标系V (以下描述)工件坐标系W存在于相对位置和朝向vHw处。
[0025]相对位置和朝向aHb通过使用旋转矩阵Rot和平移矢量t用公式(I)定义。
【权利要求】
1.一种机器人系统,包括: 机器人本体，包括铰接臂和由所述铰接臂支承的末端执行器； 视觉传感器，被设置在所述机器人本体上；以及 控制设备，被配置为控制所述机器人本体的位置和朝向并通过使用经由所述视觉传感器测量的测量值来计算工件的位置和朝向， 其中，所述控制设备执行以下处理: 在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测量基准构件，所述第一位置和朝向组包括所述机器人本体的第一基准位置和朝向、以及所述机器人本体在围绕第一基准位置和朝向的第一偏移范围内的位置和朝向； 通过使用在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算第一校准值； 在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测量所述基准构件，所述第二位置和朝向组包括所述机器人本体的不同于第一基准位置和朝向的第二基准位置和朝向、以及所述机器人本体在围绕第二基准位置和朝向的第二偏移范围内的位置和朝向，所述第二偏移范围是与第一偏移范围分离的范围，或者是其一部分与第一偏移范围重叠、而另一部分不与第一偏移范围重叠的范围； 通过使用在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来 计算第二校准值； 经由所述视觉传感器测量所述工件；以及 通过使用第一校准值和第二校准值来激活所述机器人本体。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述第一基准位置和朝向是视觉传感器在其处比在第二基准位置和朝向处更正对着所述工件的位置和朝向。
3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述第二基准位置和朝向是末端执行器在其处比在第一基准位置和朝向处更正对着所述工件的位置和朝向。
4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述控制设备进一步执行以下处理: 通过使用在第一位置和朝向组以及第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算基本校准值； 通过使用在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算用于基本校准值的第一校正值； 基于第一校正值和基本校准值来计算第一校准值； 通过使用在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算用于所述基本校准值的第二校正值；以及基于第二校正值和基本校准值来计算第二校准值。
5.根据权利要求1所述的机器人系统， 其中，要被组装到所述工件的组装部件被所述末端执行器抓握，并且所述工件由支承所述铰接臂的基座支承，并且 其中，所述控制设备进一步执行以下处理: 经由所述视觉传感器测量所述组装部件； 通过使用第一校准值和第二校准值对所述组装部件的测量值和所述工件的测量值执行从视觉传感器的坐标系到机器人本体的坐标系的坐标变换；以及 通过使用已经过所述坐标变换的所述组装部件的测量值和所述工件的测量值，来计算用于移动所述机器人本体以使得所述组装部件被组装到所述工件的命令值。
6.一种用于控制机器人系统的方法，所述机器人系统包括: 机器人本体，包括铰接臂和由所述铰接臂支承的末端执行器； 视觉传感器，被设置在所述机器人本体上；以及 控制设备，被配置为控制所述机器人本体的位置和朝向并通过使用经由所述视觉传感器测量的测量值来计算工件的位置和朝向， 所述方法包括: 使所述控制设备在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测量基准构件，所述第一位置和朝向组包括所述机器人本体的第一基准位置和朝向、以及所述机器人本体在围绕第一基准位置和朝向的第一偏移范围内的位置和朝向； 使所述控制设备通过使用在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算第一校准值； 使所述控制设备在第 二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由视觉传感器测量所述基准构件，所述第二位置和朝向组包括所述机器人本体的不同于第一基准位置和朝向的第二基准位置和朝向、以及所述机器人本体在围绕第二基准位置和朝向的第二偏移范围内的位置和朝向，所述第二偏移范围是与第一偏移范围分离的范围，或者是其一部分与第一偏移范围重叠、而另一部分不与第一偏移范围重叠的范围； 使所述控制设备通过使用在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算第二校准值； 使所述控制设备经由所述视觉传感器测量所述工件；以及 使所述控制设备通过使用第一校准值和第二校准值来激活所述机器人本体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一基准位置和朝向是所述视觉传感器在其处比在第二基准位置和朝向处更正对着所述工件的位置和朝向。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二基准位置和朝向是所述末端执行器在其处比在第一基准位置和朝向处更正对着所述工件的位置和朝向。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括: 使所述控制设备通过使用在第一位置和朝向组以及第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算基本校准值； 使所述控制设备通过使用在第一位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算用于所述基本校准值的第一校正值； 使所述控制设备基于第一校正值和基本校准值来计算第一校准值； 使所述控制设备通过使用在第二位置和朝向组的每个位置和朝向处经由所述视觉传感器测得的所述基准构件的测量值来计算用于所述基本校准值的第二校正值；以及使所述控制设备基于第二校正值和基本校准值来计算第二校准值。
10.根据权利要求6所述的方法， 其中，要被组装到所述工件的组装部件被所述末端执行器抓握，并且所述工件由支承所述铰接臂的基座支承，所述方法还包括: 使所述控制设备经由所述视觉传感器测量所述组装部件； 使所述控制设备通过使用第一校准值和第二校准值来对所述组装部件的测量值和所述工件的测量值执行从视觉传感器的坐标系到机器人本体的坐标系的坐标变换；以及使所述控制设备通过使用已经过所述坐标变换的所述组装部件的测量值和所述工件的测量值，来计算用于移动所述机器人本体以使得所述组装部件被组装到所述工件的命令值。
【文档编号】B25J13/08GK103991078SQ201410050567
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2013年2月14日
【发明者】铃木秀明 申请人:佳能株式会社