專利名稱：計(jì)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)于安裝在機(jī)械手的臂的前端部的工具計(jì)量工具前端點(diǎn)相對(duì)工具安裝面的位置的計(jì)量裝置，特別涉及在機(jī)械手上配合照相機(jī)或者PSD(位置檢測(cè)型檢測(cè)器Position Sensing Detector；下同)那樣的受光設(shè)備來計(jì)量工具前端點(diǎn)相對(duì)工具安裝面的位置的計(jì)量裝置。
背景技術(shù)：
作為計(jì)量工具前端點(diǎn)(TCPTool Center Point)相對(duì)機(jī)械手的工具安裝面的位置的計(jì)量方法，眾所周知的方法有采用3點(diǎn)接觸或者6點(diǎn)接觸的方法。圖1表示用于該方式的典型的配置，如該圖所示，機(jī)械手1連接在控制它的機(jī)械手控制裝置5上，工具30安裝在機(jī)械手1的臂前端。在機(jī)械手1上設(shè)定有固定在機(jī)械手底座上的坐標(biāo)系(以下稱機(jī)械手坐標(biāo)系)∑b和固定在工具安裝面32上的坐標(biāo)系(以下稱機(jī)械界面坐標(biāo)系)∑f；在機(jī)械手控制裝置5內(nèi)，可以隨時(shí)知道機(jī)械界面坐標(biāo)系的原點(diǎn)的位置·姿勢(shì)(當(dāng)前位置)。另外，在機(jī)械手控制裝置5上連接具有眾所周知的手動(dòng)操作鍵的示范操作盤18，操作員操作手動(dòng)操作鍵，就可以操作機(jī)械手1。
以接觸方式求出工具30的前端點(diǎn)(工具前端點(diǎn))31的位置時(shí)，準(zhǔn)備例如具有尖頂點(diǎn)的觸針6，將其固定在通過機(jī)械手的動(dòng)作工具30的前端可達(dá)范圍的合適的地方。由此，觸針6的頂點(diǎn)就對(duì)應(yīng)于空間上固定的1點(diǎn)。例如操作示范操作盤18的手動(dòng)操作鍵，在微動(dòng)進(jìn)給中以不同的姿勢(shì)(例如3姿勢(shì)或6姿勢(shì))使工具前端點(diǎn)31與觸針6接觸，根據(jù)各接觸時(shí)的機(jī)械手位置(機(jī)械界面坐標(biāo)系的位置·姿勢(shì))，可以求得工具前端點(diǎn)31相對(duì)于機(jī)械手1的工具安裝面(用機(jī)械界面坐標(biāo)系代表)32的位置。
但是在這種方法中存在下面的問題。
(1)如上上述，雖然在接觸時(shí)以微動(dòng)進(jìn)給移動(dòng)機(jī)械手，從而使接觸針的前端與機(jī)械手的工具前端點(diǎn)吻合，但是由于此時(shí)機(jī)械手采取的姿勢(shì)的好壞以及操作者的熟練程度而引起的吻合程度的優(yōu)劣，最終得到的工具的前端點(diǎn)位置的定位精度容易出現(xiàn)差異。
(2)因?yàn)樵撐恢玫奈呛贤ㄟ^目測(cè)進(jìn)行，所以即使是熟練工給出的精度也低。
(3)因?yàn)槭褂|針的前端接近工具前端點(diǎn)一直到極限位置，因此工具前端點(diǎn)會(huì)與觸針的前端碰撞，容易引起工具或者觸針的損壞。
然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)記載有能夠簡(jiǎn)便解決這種問題的技術(shù)的公開文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題。即，本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)量裝置，能夠穩(wěn)定地高精度地測(cè)定工具前端點(diǎn)相對(duì)于工具安裝面的位置，而無須使用觸針。
本發(fā)明的基本考慮是，用設(shè)置在機(jī)械手周圍的受光設(shè)備(典型的是照相機(jī)或者PSD；下同)的受光面捕捉來自工具前端點(diǎn)的光，移動(dòng)機(jī)械手使其映射在規(guī)定處(例如在照相機(jī)圖像中心或者PSD的原點(diǎn)位置)，由此來取得機(jī)械手的位置，以這樣的功能為基礎(chǔ)，使工具取各種姿勢(shì)并配合使移動(dòng)機(jī)械手，從而可以計(jì)量工具前端點(diǎn)(TCP)相對(duì)機(jī)械手的工具安裝面的位置。
更具體說，按照本發(fā)明的第一實(shí)施例，包含在臂前端部安裝了工具的機(jī)械手和受光設(shè)備的計(jì)量裝置中具備把上述機(jī)械手定位在初始位置的部件；用上述受光設(shè)備捕捉安裝在上述機(jī)械手的臂前端部的工具的前端點(diǎn)來求得在上述受光設(shè)備的受光面上成像的工具的前端點(diǎn)的上述受光面上的位置的部件；求出使上述工具的前端點(diǎn)的上述受光面上的位置移動(dòng)到上述受光面上的規(guī)定位置那樣的上述機(jī)械手的移動(dòng)量的部件；根據(jù)上述移動(dòng)量移動(dòng)上述機(jī)械手的部件；獲取并存儲(chǔ)上述移動(dòng)后的上述機(jī)械手的位置的部件；以及在給出多個(gè)上述初始位置的情況下用移動(dòng)并存儲(chǔ)了上述機(jī)械手到每一初始位置的上述機(jī)械手的位置來求出上述工具的前端點(diǎn)相對(duì)上述機(jī)械手的工具安裝面的位置的部件。
這里，可以設(shè)置在上述移動(dòng)之后，取得并存儲(chǔ)上述機(jī)械手的位置之前，判定在上述受光設(shè)備的受光面上成像的工具的前端點(diǎn)的位置和上述受光面上的規(guī)定位置是否在規(guī)定的誤差內(nèi)一致的一致判定部件(第二實(shí)施例)。在這種情況下，可以確實(shí)地使上述受光設(shè)備的受光面上成像的工具的前端點(diǎn)的位置和上述受光面上的規(guī)定位置一致。
另外，也可以設(shè)置在用上述一致判定部件未能判定在上述規(guī)定的誤差內(nèi)一致的情況下把上述機(jī)械手的位置再次作為初始位置的部件(第三實(shí)施例)。這種情況下，反復(fù)移動(dòng)機(jī)械手，就可以進(jìn)一步確實(shí)地使受光設(shè)備的受光面上成像的工具的前端點(diǎn)的位置和上述受光面上的規(guī)定位置一致。
在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，設(shè)置有使用上述工具的姿勢(shì)一致且僅該工具和受光設(shè)備的距離不同的至少兩個(gè)上述機(jī)械手的位置來求出上述受光設(shè)備的視線相對(duì)于上述機(jī)械手的坐標(biāo)系的方向的部件。由此，來提供求出受光設(shè)備的視線相對(duì)于機(jī)械手的方向的具體結(jié)構(gòu)。
這里，可以設(shè)置根據(jù)上述求得的上述受光設(shè)備的視線相對(duì)于上述機(jī)械手的坐標(biāo)系的方向、使用使包含圍繞平行于該視線的方向的軸旋轉(zhuǎn)的上述工具的姿勢(shì)變化的至少兩個(gè)上述機(jī)械手的位置來求出上述受光設(shè)備的視線相對(duì)于上述機(jī)械手的坐標(biāo)系的位置的部件(第五實(shí)施例)。這種情況下，可以提供求出受光設(shè)備的視線相對(duì)于機(jī)械手的位置的具體結(jié)構(gòu)。
另外，在這里，可以設(shè)置根據(jù)上述求得的相對(duì)于上述機(jī)械手的坐標(biāo)系的上述受光設(shè)備的視線的位置及方向使用改變包含圍繞垂直于該視線方向的軸旋轉(zhuǎn)的上述工具的姿勢(shì)的至少兩個(gè)上述機(jī)械手的位置來求出上述工具的前端點(diǎn)相對(duì)于上述機(jī)械手的工具安裝面的位置的部件(第六實(shí)施例)。這種情況下，可以提供求出工具的前端點(diǎn)相對(duì)于上述機(jī)械手的工具安裝面的位置的具體結(jié)構(gòu)。
在以上任何一個(gè)發(fā)明的實(shí)施例中，在進(jìn)行計(jì)量時(shí)也可以把受光設(shè)備設(shè)置在該機(jī)械手周圍的任意位置，而在計(jì)量結(jié)束后再收起來(第七實(shí)施例)。另外，可以使用拍攝2維圖像的照相機(jī)(第八實(shí)施例)或者求受光量分布重心的PSD(第九實(shí)施例)作為受光設(shè)備。而第十實(shí)施例是進(jìn)一步設(shè)置通過追加計(jì)量距工具的前端點(diǎn)有規(guī)定的位置關(guān)系的工具上的1點(diǎn)到2點(diǎn)來求出上述工具的前端點(diǎn)相對(duì)于上述機(jī)械手的工具安裝面的位置及方向的部件。由此，可以提供求出工具的前端點(diǎn)相對(duì)于上述機(jī)械手的工具安裝面的位置和姿勢(shì)的具體結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，可以消除使工具前端點(diǎn)接觸觸針時(shí)由于機(jī)械手采取的姿勢(shì)或者操作者的熟練程度而引起的TCP位置的離散。另外，可以消除由于使用目測(cè)進(jìn)行位置吻合而引起的TCP位置的誤差。進(jìn)而，由于進(jìn)行非接觸計(jì)量，可以避免接觸時(shí)的觸碰事故。這些優(yōu)點(diǎn)最終可以高精度安全地進(jìn)行穩(wěn)定的計(jì)量。
此外，如上上述，因?yàn)榭梢杂煤?jiǎn)便的方法求得照相機(jī)的視線，即使因機(jī)械手和照相機(jī)的相對(duì)關(guān)系改變而處于暫時(shí)不能計(jì)量的狀態(tài)，也可以容易地返回能夠計(jì)量的狀態(tài)。即，可以僅在需要計(jì)量時(shí)設(shè)置照相機(jī)，計(jì)量一結(jié)束就收回照相機(jī)(參照第七實(shí)施例)。這意味著，實(shí)際上機(jī)械手使用安裝在臂前端部的工具進(jìn)行作業(yè)的情況下，可以不必考慮照相機(jī)的存在。
從在附圖所示的本發(fā)明的典型的實(shí)施例的詳細(xì)說明，可以進(jìn)一步明了本發(fā)明的這些目的、特征和優(yōu)點(diǎn)以及其他的目的、特征及優(yōu)點(diǎn)。


圖1是求工具前端點(diǎn)的現(xiàn)有技術(shù)(接觸方式)所使用的典型的配置圖。
圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)略圖。
圖3是實(shí)施例中使用的機(jī)械手控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是實(shí)施例中使用的圖像處理裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是使用監(jiān)視器畫面表示把工具前端點(diǎn)移動(dòng)到受光設(shè)備的受光面的中心點(diǎn)的情況的示圖。
圖6是有關(guān)步驟T4的處理的說明圖。
圖7a是有關(guān)步驟T8的說明圖，表示通過旋轉(zhuǎn)移動(dòng)使坐標(biāo)系∑v1移動(dòng)的情況。
圖7b是有關(guān)步驟T8的說明圖，表示旋轉(zhuǎn)移動(dòng)與坐標(biāo)系∑v2的位置關(guān)系。
圖8是有關(guān)求工具前端點(diǎn)的位置的處理的說明圖。
圖9是規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理概況的流程圖。
圖10是按照本實(shí)施例進(jìn)行的處理整體概況的流程圖。
圖11a是關(guān)于通過追加計(jì)量來求出工具的姿勢(shì)的方法的說明圖，表示追加計(jì)量時(shí)的配置和向監(jiān)視器畫面上顯示圖像的情況。
圖11b是關(guān)于通過追加計(jì)量求出工具的姿勢(shì)的方法的說明圖，說明使用在監(jiān)視器畫面上映射出來的圖像進(jìn)行追加計(jì)量的點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
以下按順序參照?qǐng)D2到圖10說明本發(fā)明的實(shí)施例。首先，圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)略圖。如該圖所示，機(jī)械手1連接在控制它的機(jī)械手控制裝置5上，工具30安裝在機(jī)械手1的臂前端(工具安裝面32)。在機(jī)械手1上，設(shè)定有固定在機(jī)械手底座上的機(jī)械手坐標(biāo)系∑b和固定在工具安裝面32上的機(jī)械界面坐標(biāo)系∑f，在機(jī)械手控制裝置5內(nèi)可以隨時(shí)知道機(jī)械界面坐標(biāo)系的原點(diǎn)的位置·姿勢(shì)(當(dāng)前位置)。另外，在機(jī)械手控制裝置5上連接具有眾所周知的手動(dòng)操作鍵的示范操作盤18，操作員操作手動(dòng)操作鍵就可以操作機(jī)械手1。
機(jī)械手1是眾所周知的典型的機(jī)械手，機(jī)械手控制裝置5具有如圖3所示的眾所周知的框圖結(jié)構(gòu)。即，在連接主CPU(以下簡(jiǎn)稱CPU)11的總線17上并行連接由RAM、ROM、非易失性存儲(chǔ)器等組成的存儲(chǔ)器12、示范操作盤用接口13、外部裝置用的輸入輸出接口16、伺服控制部15以及通信接口14。
連接在示范操作盤用接口13上的示范操作盤18具有通常的顯示功能，操作員通過該示范操作盤18的手動(dòng)操作，除進(jìn)行機(jī)械手的動(dòng)作程序的制作、修改、登錄或者各種參數(shù)的設(shè)定外，還進(jìn)行示范過的動(dòng)作程序的重放運(yùn)行、微動(dòng)進(jìn)給等。支持機(jī)械手以及機(jī)械手控制裝置的基本功能的系統(tǒng)程序被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器12的ROM中。另外，根據(jù)應(yīng)用程序示范的機(jī)械手的動(dòng)作程序(例如點(diǎn)焊程序)以及有關(guān)設(shè)定的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器12的非易失性存儲(chǔ)器中。
用于后述各種處理(求出與TCP關(guān)聯(lián)的機(jī)械手移動(dòng)以及為此而進(jìn)行的與圖像處理裝置的通信等處理)中的程序、參數(shù)等的數(shù)據(jù)也存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器12的非易失性存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器12的RAM用作臨時(shí)存儲(chǔ)主CPU11進(jìn)行的各種運(yùn)算處理中的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域。伺服控制部15具有伺服控制器#1～#n(n機(jī)械手的總軸數(shù)，這里假設(shè)n＝6)，接受經(jīng)用于機(jī)械手控制的運(yùn)算處理(軌道計(jì)劃的制作以及基于該計(jì)劃的插入、逆變換等)作成的移動(dòng)指令，并與從附屬于各軸的脈沖編碼器(圖中省略)接收的反饋信號(hào)合并后，向伺服放大器A1～An輸出轉(zhuǎn)矩指令。各伺服放大器A1～An根據(jù)各轉(zhuǎn)矩指令向各軸的伺服電動(dòng)機(jī)M1～Mn供給電流，驅(qū)動(dòng)這些伺服電動(dòng)機(jī)M1～Mn。通信接口14連接在圖像處理裝置2上(參照?qǐng)D2)，經(jīng)該通信接口14在與機(jī)械手控制裝置之間進(jìn)行與后述計(jì)量關(guān)聯(lián)的指令、計(jì)量結(jié)果數(shù)據(jù)等的交接。
返回圖2，用三角架等把照相機(jī)4設(shè)置在可拍攝工具30的工具前端點(diǎn)31的位置上。照相機(jī)4例如是CCD照相機(jī)，是一種具有通過拍攝而在受光面(CCD陣列面上)上檢測(cè)出二維圖像的功能的眾所周知的受光設(shè)備(如后述，作為受光設(shè)備也可以使用PSD)。照相機(jī)4連接在具有由LCD、CRT等組成的監(jiān)視器3的圖像處理裝置2上。
圖像處理裝置2具有如圖4所示眾所周知的框圖結(jié)構(gòu)。即，圖像處理裝置2具有由微處理器構(gòu)成的CPU20，圖像處理處理器22、照相機(jī)接口23、監(jiān)視器接口24、輸入輸出設(shè)備(I/O)25、幀存儲(chǔ)器(圖像存儲(chǔ)器)26、非易失性存儲(chǔ)器27、RAM28以及通信接口29經(jīng)總線50分別連接在CPU20上。
在照相機(jī)接口23上連接有作為拍攝裝置的照相機(jī)(這里是照相機(jī)4；參照?qǐng)D2)，經(jīng)照相機(jī)接口23發(fā)送拍攝指令時(shí)，設(shè)定在照相機(jī)4上的電子快門功能執(zhí)行拍攝，并經(jīng)照相機(jī)接口23把影像信號(hào)以灰度級(jí)信號(hào)的形式保存在幀存儲(chǔ)器26中。在監(jiān)視器接口24上連接有監(jiān)視器(這里是監(jiān)視器3；參照?qǐng)D2)，根據(jù)需要顯示照相機(jī)拍攝過程中的圖像、保存在幀存儲(chǔ)器26中的過去的圖像、接受過圖像處理處理器22進(jìn)行的處理的圖像等。
再次回到圖2，在本實(shí)施例中，雖然是計(jì)量機(jī)械手1的工具安裝面32和工具前端點(diǎn)31的相對(duì)關(guān)系，但是如上上述，工具安裝面32的位置·姿勢(shì)可以由在同一面上固定的機(jī)械界面坐標(biāo)系∑f來代表。因此，求出對(duì)工具安裝面32的工具前端點(diǎn)31的位置就歸結(jié)為求出在機(jī)械界面坐標(biāo)系∑f上的工具前端點(diǎn)31的位置。同樣，在求工具前端點(diǎn)31相對(duì)工具安裝面32的“位置及姿勢(shì)”的情況下，也可以求在機(jī)械界面坐標(biāo)系∑f上的工具前端點(diǎn)31的位置及姿勢(shì)。
對(duì)應(yīng)于工具前端點(diǎn)31的實(shí)體有可能是工具30本身具備的形狀特征，也有可能是設(shè)置在工具30的前端點(diǎn)31上的位置計(jì)量用的基準(zhǔn)標(biāo)志。不管是哪一個(gè)，后面都會(huì)詳述，用照相機(jī)4把工具前端點(diǎn)31收到視野中進(jìn)行拍攝，用圖像處理裝置2分析該圖像。用圖像處理處理器22來分析保存在幀存儲(chǔ)器26中的工具前端點(diǎn)31的圖像的影像信號(hào)，來求出三維位置(后面詳述)。此外，為此所用的程序、參數(shù)等存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器27中。RAM28用于臨時(shí)存儲(chǔ)CPU20執(zhí)行的各種處理所需要的數(shù)據(jù)。通信接口29經(jīng)上述機(jī)械手控制裝置側(cè)的通信接口14被連接在機(jī)械手控制裝置上。
在圖2中，記載有照相機(jī)4的視線，該視線是從照相機(jī)4的代表點(diǎn)(例如受光面的中心)到工具前端點(diǎn)31的直線，這里用符號(hào)40表示。與視線40相關(guān)聯(lián)，在圖2中記載有坐標(biāo)系∑v。即，坐標(biāo)系∑v是表示從照相機(jī)4的代表點(diǎn)(例如受光面的中心)到工具前端點(diǎn)31的視線40的坐標(biāo)系，原點(diǎn)處在視線40上，假設(shè)其一個(gè)坐標(biāo)軸(例如Z軸)與視線40一致。另外，如上上述，坐標(biāo)系∑b是固定在機(jī)械手的基座上的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系∑f是機(jī)械手的機(jī)械界面坐標(biāo)系。
如上上述，機(jī)械界面坐標(biāo)系∑f是代表工具安裝面32的位置·姿勢(shì)的坐標(biāo)系，但是，在這里，同時(shí)也用作“代表機(jī)械手1的位置·姿勢(shì)的坐標(biāo)系”。即，只要不特別指明，所謂“機(jī)械手位置”就是“機(jī)械界面坐標(biāo)系∑f的原點(diǎn)的機(jī)械手坐標(biāo)系∑b上的位置”，認(rèn)為包含姿勢(shì)時(shí)，就是指“機(jī)械手坐標(biāo)系∑b上的機(jī)械界面坐標(biāo)系∑f的原點(diǎn)位置及姿勢(shì)”。
在上述的結(jié)構(gòu)中，設(shè)受光設(shè)備是拍攝2維圖像的CCD照相機(jī)，但是也可以是具有同等功能的別的設(shè)備(CMOS照相機(jī)等)，在把工具前端點(diǎn)31視為點(diǎn)光源的情況下，也可以是求受光量的重心位置(2維位置)的PSD等。但是在采用那樣的變形結(jié)構(gòu)的情況下，圖像處理裝置2當(dāng)然也要根據(jù)情況置換為適合的裝置。例如，在采用2維PSD的情況下，可以使用具有處理其輸出信號(hào)并求出受光量的重心位置(2維位置)的功能的處理裝置。
以下，使用本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思，說明求工具前端點(diǎn)31的位置的步驟的例子。取連接在圖像處理裝置2上的照相機(jī)(CCD照相機(jī))作為受光設(shè)備作了說明，當(dāng)然，如上上述，也可以適宜地替換為其他受光設(shè)備和與其適合的信號(hào)處理裝置。在本實(shí)施例中執(zhí)行的處理整體的概要表示在圖10的流程圖中。以下，沿該流程圖的流向進(jìn)行說明。在說明中，把“工具前端點(diǎn)31相對(duì)于工具安裝面32(用機(jī)械界面坐標(biāo)系∑f代表)的位置(根據(jù)情況，指位置和姿勢(shì))”適當(dāng)簡(jiǎn)稱為“工具前端點(diǎn)31的相對(duì)位置(根據(jù)情況指相對(duì)位置和相對(duì)姿勢(shì))”。
在使用上述結(jié)構(gòu)求工具前端點(diǎn)31的相對(duì)位置(根據(jù)情況指相對(duì)位置和相對(duì)姿勢(shì))的情況下，基本上是“求視線40”。一般，為求得視線，眾所周知的方法是所謂照相機(jī)校準(zhǔn)法，但是在本發(fā)明中不必采用這樣的現(xiàn)有方法。即，為不依賴現(xiàn)有的照相機(jī)校準(zhǔn)法來獲得關(guān)于視線40的信息，基本上是使機(jī)械手移動(dòng)，而使工具前端點(diǎn)31的受光面上的位置朝向(到達(dá))受光面上的規(guī)定位置處。這里，由于“受光面上的規(guī)定位置處”預(yù)先被具體定義為例如“受光面上的中心點(diǎn)(幾何學(xué)的重心位置)”作為“規(guī)定的點(diǎn)”，所以以下把該處理稱為“規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理”。
首先，在步驟T1，使機(jī)械手1移動(dòng)到照相機(jī)4可以把工具前端點(diǎn)31納入視野的適宜的初始位置(把機(jī)械手定位在初始位置)；接著，執(zhí)行如下上述的規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理(步驟T2)，即，沿受光設(shè)備(照相機(jī)，PSD等)捕捉到的工具前端點(diǎn)31朝向“受光面上的規(guī)定點(diǎn)”那樣的方向移動(dòng)工具30(用機(jī)械手移動(dòng))，實(shí)際上，執(zhí)行在受光面上在規(guī)定的誤差內(nèi)使工具前端點(diǎn)31與規(guī)定點(diǎn)一致的處理。
這里采用“受光面(CCD陣列)的中心點(diǎn)”作為“受光面上的規(guī)定點(diǎn)”。圖5是使用監(jiān)視器畫面表示把工具前端點(diǎn)31移動(dòng)到受光面的中心點(diǎn)的情況的圖。在該圖中，監(jiān)視器3的畫面被設(shè)定為點(diǎn)M對(duì)應(yīng)于照相機(jī)4的受光面的中心?，F(xiàn)在，假設(shè)在把機(jī)械手1定位在適當(dāng)?shù)某跏嘉恢玫臓顟B(tài)下，工具前端點(diǎn)31的像31a影射在圖示這樣的位置上。
這種情況下，當(dāng)然只要使像31a在畫面上朝點(diǎn)M沿左斜下方向移動(dòng)的方向上移動(dòng)機(jī)械手1就可以，但是因?yàn)樵陂_始一系列的處理前全然不知機(jī)械手1與照相機(jī)4的相對(duì)關(guān)系，所以從畫面上的位置關(guān)系不能決定機(jī)械手1應(yīng)該移動(dòng)的方向。因此，為使工具前端點(diǎn)31的像31a沿希望的方向(這里是朝向點(diǎn)M的方向)移動(dòng)，需要首先知道在空間內(nèi)使機(jī)械手1如何動(dòng)才行。
這是比較簡(jiǎn)單的，具體說，可以例如嘗試沿圖2中的機(jī)械界面坐標(biāo)系∑f的XY平面內(nèi)任意幾個(gè)方向(多個(gè)方向)使機(jī)械手1運(yùn)動(dòng)，觀察每次工具前端點(diǎn)31的像31a在圖像上在哪個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，求得機(jī)械手1的移動(dòng)方向和圖像上的工具前端點(diǎn)的移動(dòng)方向的關(guān)系以及機(jī)械手的移動(dòng)量和圖像上的工具前端點(diǎn)的移動(dòng)量的關(guān)系。
因?yàn)橛眠@樣的方法求移動(dòng)方向和移動(dòng)量比的本身是眾所周知的，因此省略詳細(xì)說明，在以下的說明中假設(shè)已經(jīng)完成了至此為止的準(zhǔn)備。在圖9的流程圖中表示使由照相機(jī)4拍攝的工具前端點(diǎn)(像31a)與圖像上的規(guī)定點(diǎn)M一致的處理的具體例。各步驟的要點(diǎn)如下。
步驟S1拍攝工具前端點(diǎn)31，由此獲得例如圖5中所示那樣的像31a。
步驟S2用圖像處理裝置2求出圖像上的工具前端點(diǎn)31的位置(例如圖5中所示那樣的像31a的圖像上的位置)。
步驟S3判斷在步驟S2求出的位置是否與圖像上的規(guī)定點(diǎn)(這里是點(diǎn)M)一致。例如，預(yù)先設(shè)定圖像上的閾值距離δimage，如果點(diǎn)M與像31a的之間的距離小于等于閾值距離δimage，判斷為“一致”，結(jié)束處理。如果點(diǎn)M和像31a的之間的距離超過閾值距離δimage，判斷為“不一致”，進(jìn)到步驟S4。例如可以用正方形的“像素”有幾個(gè)來測(cè)定圖像上的距離。
步驟S4計(jì)算出在圖像上使工具前端點(diǎn)(像31a)移動(dòng)到點(diǎn)M的機(jī)械手平移指令。這里，所謂機(jī)械手平移指令是在機(jī)械手坐標(biāo)系∑b(空間內(nèi)固定)上為保持機(jī)械手姿勢(shì)即坐標(biāo)系∑f的姿勢(shì)一定那樣的機(jī)械手移動(dòng)的移動(dòng)指令。
步驟S5根據(jù)在步驟S4計(jì)算出來的機(jī)械手平移指令移動(dòng)機(jī)械手1，移動(dòng)結(jié)束后回到步驟S1。以下同樣，直到在步驟S3得出“一致”的判斷之前，重復(fù)上述的處理循環(huán)。
以上是“規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理”，在該處理結(jié)束的時(shí)刻，即通過上述規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理，如果完成從在圖5中用符號(hào)31a表示的工具前端點(diǎn)像影射成的機(jī)械手的初始位置到得到在圖像中心M用符號(hào)31b表示的工具前端點(diǎn)像的機(jī)械手位置移動(dòng)，就取得機(jī)械手坐標(biāo)系∑b上的坐標(biāo)系∑f的位置Qf1，并存儲(chǔ)起來。
接著轉(zhuǎn)移到求視線40的方向的處理。在工具前端點(diǎn)像影射在在圖像中心的狀態(tài)下，視線40是連接相當(dāng)于圖像中心的照相機(jī)拍攝面上的點(diǎn)M和工具前端點(diǎn)31的直線。這里，對(duì)于表示機(jī)械手的機(jī)械界面的坐標(biāo)系∑f，求該直線朝向哪個(gè)方向。為此，首先通過步驟T4的處理平移機(jī)械手1。圖6是關(guān)于這一處理的說明圖，在該圖中，坐標(biāo)系∑v1是為求視線40的方而考慮的坐標(biāo)系，設(shè)其滿足下面的條件。
(I)坐標(biāo)系∑f和坐標(biāo)系∑v1具有同一原點(diǎn)。
(II)坐標(biāo)系∑v1的Z軸方向與視線40的方向一致。
求該坐標(biāo)系∑v1的Z軸在規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理結(jié)束時(shí)在坐標(biāo)系∑f上朝向哪個(gè)方向。更具體地說，考慮求表示坐標(biāo)系∑f上的坐標(biāo)系∑v1的姿勢(shì)的歐拉角(W，P，R)內(nèi)的(W，P)分量。
因此，首先執(zhí)行的是該步驟T4的平移。在該移動(dòng)中，不改變工具的姿勢(shì)把機(jī)械手向工具前端點(diǎn)31和照相機(jī)的距離不同的位置平移(參照箭頭A)。圖6中的符號(hào)30a、30b分別表示移動(dòng)前、移動(dòng)后的工具。
按照步驟T4進(jìn)行平移時(shí)，當(dāng)然，一般工具前端點(diǎn)31的像會(huì)再次離開圖像中心(受光面的中心)M。因此，再次執(zhí)行規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理(步驟T5)。關(guān)于規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理如用步驟T2中的說明，使工具前端點(diǎn)31的像再次回到距離圖像中心(受光面的中心)M在誤差范圍內(nèi)的位置。在步驟T5結(jié)束后，取得機(jī)械手坐標(biāo)系∑b上的坐標(biāo)系∑f的位置Qf2，并存儲(chǔ)起來。
連接上述步驟T3得到的Qf1和上述步驟T6得到的Qf2的直線表示視線40的方向。設(shè)從在步驟T4的機(jī)械手移動(dòng)前的∑f上看到的Qf1到Qf2的相對(duì)移動(dòng)量為dX、dY、dZ，則可以用下式計(jì)算表示坐標(biāo)系∑f上的坐標(biāo)系∑v1的姿勢(shì)的歐拉角(W，P，R)。由此，就確定出坐標(biāo)系∑v1，其Z軸方向表示視線40的方向。
公式1W=tan-1(-dY(dX)2+(dZ)2)]]>P=tan-1(dXdZ)]]>R＝0[關(guān)于T8、T9、T10、T11]因?yàn)樵诓襟ET7求出了視線40的方向，下面就進(jìn)到求視線40的位置的處理。圖7a、圖7b是關(guān)于該處理的說明圖，在圖7b中，坐標(biāo)系∑v2是表示視線40的位置和方向的坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)于在圖2中作為坐標(biāo)系∑v表示的坐標(biāo)系，設(shè)滿足下面的條件。
(III)坐標(biāo)系∑v2在視線40上具有原點(diǎn)。
(IV)坐標(biāo)系∑v2的Z軸方向和視線40的方向一致。
已經(jīng)把視線40的方向作為坐標(biāo)系∑v1(參照?qǐng)D7a)的Z軸求了出來，坐標(biāo)系∑v2的Z軸方向和坐標(biāo)系∑v1的Z軸方向相同。為求原點(diǎn)位置，移動(dòng)機(jī)械手到使Qf1繞坐標(biāo)系∑v1的Z軸旋轉(zhuǎn)180度的位置(步驟T8)，接著再次執(zhí)行規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理(步驟T9)。圖7a合并記載著該旋轉(zhuǎn)移動(dòng)(參照箭頭B)和按照規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理的移動(dòng)結(jié)束后的狀態(tài)，在圖7b中表示坐標(biāo)系∑v2的原點(diǎn)位置。坐標(biāo)系∑v2的原點(diǎn)位置由旋轉(zhuǎn)移動(dòng)前后的坐標(biāo)系∑f的中點(diǎn)給出。
因此旋轉(zhuǎn)移動(dòng)結(jié)束后取得機(jī)械手位置Qf3，并存儲(chǔ)起來(步驟T10)。然后把Qf1和Qf3的中點(diǎn)作為坐標(biāo)系∑v2的原點(diǎn)位置求出來。
再從按照步驟T8的機(jī)械手移動(dòng)前的∑f上看到的Qf1到Qf3的相對(duì)移動(dòng)量作為dX、dY、dZ，用下式求出在坐標(biāo)系∑f上看到的坐標(biāo)系∑v2的原點(diǎn)(X、Y、Z)。因?yàn)樽鴺?biāo)系∑v2的姿勢(shì)和坐標(biāo)系∑v1的姿勢(shì)相同，最終就成為求按照步驟T8的機(jī)械手移動(dòng)前的∑f上看到的坐標(biāo)系∑v2的位置·姿勢(shì)(步驟T11)。以后用V來表示代表該位置·姿勢(shì)的行列式。
公式2X=dX2]]>Y=dY2]]>Z=dZ2]]>[關(guān)于步驟T12、T13、T14、T15]最后，利用視線40的位置·姿勢(shì)，來進(jìn)行求工具前端點(diǎn)的位置的處理。圖8是與此相關(guān)的說明圖。將機(jī)械手傾斜移動(dòng)到使Qf1繞坐標(biāo)系∑v2的Y軸傾斜的位置(步驟T12)。然后再次執(zhí)行規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理(步驟T13)。圖8連同工具30b一起表示該處理結(jié)束后的狀態(tài)(坐標(biāo)系∑v2向坐標(biāo)系∑v2′的移動(dòng))。此外，工具30a表示傾斜移動(dòng)前的工具。步驟T13結(jié)束后取得機(jī)械手位置Qf4(步驟T14)，并存儲(chǔ)起來。
這里，從把機(jī)械手定位到Qf1時(shí)的∑f看到的∑v2是V，把機(jī)械手定位到Qf4時(shí)的∑v2′是Qf1-1·Qf4·V。求兩者的Z軸的交點(diǎn)的話，該交點(diǎn)就是機(jī)械手位置Qf1上的工具前端點(diǎn)的位置(步驟T15)。
以上說明的步驟是一個(gè)例子，例如也可以是下述的變形。
(a)在步驟T8(參照?qǐng)D7)，移動(dòng)機(jī)械手到使Qf1以坐標(biāo)系∑v1的Z軸旋轉(zhuǎn)180度的位置，但是不一定必需180度，如果包含Z軸的旋轉(zhuǎn)的話，也可以是加有其他姿勢(shì)變化的復(fù)合的移動(dòng)。
(b)在步驟T12(參照?qǐng)D8)，移動(dòng)機(jī)械手使到在坐標(biāo)系∑v2的Y軸上傾斜Qf1的位置，但是不一定需要是Y軸，如果包含圍繞垂直Z軸的方向的旋轉(zhuǎn)，則也可以是加有其他姿勢(shì)變化的復(fù)合的移動(dòng)。
再有，從工具前端點(diǎn)的相對(duì)位置追加計(jì)量已知的2點(diǎn)的位置不僅可以求出工具前端點(diǎn)的位置還能求出工具的姿勢(shì)。圖11是說明通過這樣的追加計(jì)量來求工具的姿勢(shì)的方法的圖，圖11a表示追加計(jì)量時(shí)的配置和向監(jiān)視器畫面上進(jìn)行圖像顯示的情況，圖11b是使用映射在監(jiān)視器畫面上的圖像說明追加計(jì)量的點(diǎn)的圖。如圖11a所示，工具30的縱長(zhǎng)方向大致沿照相機(jī)40的視線，使工具前端點(diǎn)31取朝向照相機(jī)4那樣的機(jī)械手姿勢(shì)。從圖像處理裝置2送出拍攝指令，由照相機(jī)4進(jìn)行拍攝，在監(jiān)視器3的畫面上進(jìn)行圖像顯示。
在本例中，預(yù)先在工具30的前端部描出圓形的標(biāo)記(小黑圓圈)D，同時(shí)在工具30的基部描出環(huán)形的標(biāo)記(大黑環(huán))E，在其一部分上描出“小白圓圈G”。另外，在大黑環(huán)的內(nèi)周形成“大白圓圈F”，把小黑圓圈D的中心描成工具前端點(diǎn)31。黑圓圈D和黑環(huán)E以及白圓圈G等不一定描成這樣的顏色，只要黑圓圈D、黑環(huán)E、白圓圈G等是在灰度級(jí)中互相不同的顏色就行。在圖11a、圖11b中通過附以影線表示黑圓圈和黑環(huán)。于是，“大白圓圈F”存在的平面和“小黑圓圈D”存在的平面有平行關(guān)系，而且，設(shè)通過“大白圓圈F”的中心、垂直“大白圓圈F”存在的平面的直線通過“小黑圓圈D”的中心(工具前端點(diǎn)31)。代替在工具30上描繪滿足這樣的條件的標(biāo)記的圖形，而準(zhǔn)備在工具30上嵌入的帽狀部件(描繪標(biāo)記的圖形的部件)，在工具30上嵌入該部件時(shí)也可以提供同樣的標(biāo)記的圖形。
在準(zhǔn)備這樣的圖形的情況下，作為追加計(jì)量的點(diǎn)，可以選擇“小白圓圈G的中心”和“大白圓圈F的中心”。這是考慮以工具前端點(diǎn)31(小黑圓圈D的中心)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系(代表工具前端點(diǎn)的位置和姿勢(shì)的坐標(biāo)系；以下稱工具坐標(biāo)系)，相當(dāng)于在其X軸上的點(diǎn)選擇“小白圓圈G的中心”，在其Z軸上的點(diǎn)選擇“大白圓圈F的中心”的情況。
因此，在這種情況下，如果求“小白圓圈G的中心”和“大白圓圈F的中心”的相對(duì)位置(機(jī)械界面坐標(biāo)系上的位置)，則在工具前端點(diǎn)31的相對(duì)位置計(jì)量完成后，就可以算出工具坐標(biāo)系的相對(duì)姿勢(shì)。關(guān)于這一計(jì)算方法，因?yàn)橛性S多眾所周知的方法，因此在這里省略其說明。關(guān)于計(jì)量追加的2點(diǎn)的方法，也和計(jì)量工具前端點(diǎn)的位置的方法(上述)相同。
另外，如果合并“小白圓圈G的中心”、“大白圓圈F的中心”的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)和已知的工具前端點(diǎn)31的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)的話，則可以求出表示對(duì)于機(jī)械界面坐標(biāo)系的工具坐標(biāo)系的位置和姿勢(shì)的行列式。
也可以在進(jìn)行計(jì)量時(shí)把照相機(jī)設(shè)置在機(jī)械手周圍的任意的位置上，在計(jì)量結(jié)束后再收起來。這種情況下，即使機(jī)械手和照相機(jī)間的相對(duì)位置改變而處于一時(shí)不能進(jìn)行計(jì)量的狀態(tài)，也可以容易地返回到能夠計(jì)量的狀態(tài)。
使用典型的實(shí)施例說明了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下專業(yè)人員能夠進(jìn)行上述的變更以及其他各種變更、省略、追加。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)量裝置，包含在臂前端部安裝了工具(30)的機(jī)械手(1)和受光設(shè)備(4)，其特征在于，具備把上述機(jī)械手(1)定位在初始位置的部件(5，15)；用上述受光設(shè)備(4)捕捉安裝在上述機(jī)械手(1)的臂前端部的工具(30)的前端點(diǎn)(31)，求得在上述受光設(shè)備(4)的受光面上成像的工具的前端點(diǎn)(31a)的上述受光面上的位置的部件(2，20)；求出使上述工具(30)的前端點(diǎn)(31)的受光面上的位置移動(dòng)到上述受光面上的規(guī)定位置(M)那樣的上述機(jī)械手的移動(dòng)量的部件(5，11)；根據(jù)上述移動(dòng)量移動(dòng)上述機(jī)械手(1)的部件(5，15)；取得并存儲(chǔ)上述移動(dòng)后的上述機(jī)械手的位置的部件(5，12)；和在給出多個(gè)上述初始位置的情況下、在固定上述受光設(shè)備(4)的位置的條件下、使用移動(dòng)并存儲(chǔ)了上述機(jī)械手(1)到每一初始位置的上述機(jī)械手的位置來求出上述工具(30)的前端點(diǎn)(31)相對(duì)上述機(jī)械手的工具安裝面(32)的位置的部件(5，11)。
2.如權(quán)利要求1上述的計(jì)量裝置，其特征在于，還設(shè)置有在上述移動(dòng)后、取得并存儲(chǔ)上述機(jī)械手的位置前判定在規(guī)定的誤差(δimage)內(nèi)成像在上述受光設(shè)備(4)的受光面上的工具的前端點(diǎn)(31a)的位置與上述受光面上的規(guī)定位置(M)一致的一致判定部件(2，20)。
3.如權(quán)利要求2上述的計(jì)量裝置，其特征在于，還設(shè)置有在用上述一致判定部件(2，20)未能判定在上述規(guī)定的誤差(δimage)內(nèi)一致的情況下，把上述機(jī)械手的位置再次作為初始位置的部件(2，20)。
4.如權(quán)利要求1到3中任何一項(xiàng)上述的計(jì)量裝置，其特征在于，還設(shè)置有使用上述工具(30)的姿勢(shì)一致且僅該工具(30)和受光設(shè)備(4)的距離不同的至少兩個(gè)上述機(jī)械手的位置(Qf1，Qf2)來求出對(duì)上述機(jī)械手的坐標(biāo)系(∑b)的上述受光設(shè)備(4)的視線方向的部件(5，11)。
5.如權(quán)利要求4上述的計(jì)量裝置，其特征在于，還設(shè)置有根據(jù)上述求得的對(duì)于上述機(jī)械手的坐標(biāo)系(∑b)的上述受光設(shè)備(4)的視線方向使用使包含繞平行于該視線方向的軸旋轉(zhuǎn)的上述工具(30)的姿勢(shì)變化的至少兩個(gè)上述機(jī)械手的位置(Qf1，Qf3)來求出對(duì)于上述機(jī)械手的坐標(biāo)系(∑b)的上述受光設(shè)備(4)的視線位置的部件(5，11)。
6.如權(quán)利要求5上述的計(jì)量裝置，其特征在于，還設(shè)置有根據(jù)上述求得的對(duì)于上述機(jī)械手的坐標(biāo)系(∑b)的上述受光設(shè)備(4)的視線位置及視線方向使用使包含繞垂直于該視線方向的軸旋轉(zhuǎn)的上述工具(30)的姿勢(shì)變化的至少兩個(gè)上述機(jī)械手的位置(Qf1，Qf4)來求出對(duì)于上述機(jī)械手(1)的工具安裝面(32)的上述工具(30)的前端點(diǎn)(31)的位置的部件(5，11)。
7.如權(quán)利要求1到6中任何一項(xiàng)上述的計(jì)量裝置，其特征在于，上述受光設(shè)備(4)在進(jìn)行計(jì)量時(shí)被設(shè)置在該機(jī)械手(1)周圍的任意位置，而在上述計(jì)量結(jié)束后撤回。
8.如權(quán)利要求1到7中任何一項(xiàng)上述的計(jì)量裝置，其特征在于，上述受光設(shè)備(4)是拍攝2維圖像的照相機(jī)。
9.如權(quán)利要求1到7中任何一項(xiàng)上述的計(jì)量裝置，其特征在于上述受光設(shè)備(4)是求受光量分布的重心的PSD。
10.如權(quán)利要求1到9中任何一項(xiàng)上述的計(jì)量裝置，其特征在于，還設(shè)置有通過追加計(jì)量離開工具(30)的前端點(diǎn)(31)而處于規(guī)定的位置關(guān)系的工具上的1點(diǎn)或者2點(diǎn)，來求出對(duì)于上述機(jī)械手(1)的工具安裝面(32)的上述工具(30)的前端點(diǎn)(31)的位置及姿勢(shì)的部件。
全文摘要
執(zhí)行從2個(gè)初始位置把用照相機(jī)4捕捉的工具前端點(diǎn)31的圖像移到受光面中心的規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理，取得機(jī)械手位置Qf1、Qf2，根據(jù)Qf1、Qf2求出視線40的方向；接著，把機(jī)械手移動(dòng)到將位置Qf1繞坐標(biāo)系∑v1的Z軸旋轉(zhuǎn)180度的位置上，進(jìn)行規(guī)定點(diǎn)移動(dòng)處理；旋轉(zhuǎn)移動(dòng)結(jié)束后，取得機(jī)械手位置Qf3；然后求出Qf1和Qf3的中點(diǎn)作為坐標(biāo)系∑v2的原點(diǎn)位置；再利用視線40的位置、姿勢(shì)，求得工具前端點(diǎn)31的位置。由此，可以使用固定的受光設(shè)備求得工具前端點(diǎn)相對(duì)于工具安裝面的位置。通過追加計(jì)量相對(duì)位置已知的離開工具前端點(diǎn)的2點(diǎn)的位置，不僅可以求得工具前端點(diǎn)的位置，而且可以求出工具的姿勢(shì)。
文檔編號(hào)G05B19/401GK1680774SQ200510063320
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2005年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月7日
發(fā)明者伴一訓(xùn), 山田慎 申請(qǐng)人:發(fā)那科株式會(huì)社