JP2005283600A - Position and attitude detection device for movable body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、産業用ロボットの手首に連結されるツールなどの可動体の先端部の位置および姿勢を検出する可動体の位置および姿勢検出装置に関する。 The present invention relates to a movable body position and posture detection device that detects the position and posture of a tip of a movable body such as a tool connected to the wrist of an industrial robot.
産業用ロボットの手首に連結されるツールなどの可動体のスライド変位および角変位を検出して制御する種々の従来技術がある。従来技術として、多関節ロボットのアームの先端にジャイロを設けた姿勢検出装置がある。この姿勢検出装置は、ジャイロによって、アーム先端の相対角変位が検出されて、この相対角変位に基づいてアーム先端に設けられるツールの姿勢を求める。 There are various conventional techniques for detecting and controlling slide displacement and angular displacement of a movable body such as a tool connected to the wrist of an industrial robot. As a conventional technique, there is an attitude detection device in which a gyro is provided at the tip of an arm of an articulated robot. In this posture detection device, the relative angular displacement of the arm tip is detected by a gyro, and the posture of the tool provided at the arm tip is obtained based on the relative angular displacement.
他の従来技術として、ロボットのアーム先端に超音波パルスを発生する超音波発信器を設け、所定位置に固定される受信器によって、超音波発信器からの超音波パルスを受信して、超音波パルスが発生してから受信されるまでの時間に基づいて、アーム先端と所定位置との距離を求めて、アーム先端に設けられるツールの位置および姿勢を計測する計測装置がある。 As another conventional technique, an ultrasonic transmitter for generating an ultrasonic pulse is provided at the tip of a robot arm, and an ultrasonic pulse is received from the ultrasonic transmitter by a receiver fixed at a predetermined position. There is a measuring device that measures the position and posture of a tool provided at the tip of an arm by determining the distance between the tip of the arm and a predetermined position based on the time from when a pulse is generated until it is received.
さらに他の従来技術として、多関節ロボットのティーチプレイバックを行う際に、多関節ロボットのアーム先端にセンサを設けて、前記センサによって多関節ロボットのアーム先端に設けられるツールと、予め定める位置に配置される較正治具の先端との距離を測定して、温度変化によるアームの長さの変化を補正して、ロボットの制御に必要な各パラメータのキャリブレーションを行う方法がある。 As another prior art, when performing teach playback of an articulated robot, a sensor is provided at the tip of the arm of the articulated robot, and a tool provided at the tip of the arm of the articulated robot by the sensor is placed at a predetermined position. There is a method of calibrating each parameter necessary for controlling the robot by measuring the distance from the tip of the calibration jig to be arranged and correcting the change in the length of the arm due to the temperature change.
産業用ロボットは、ある位置に繰り返して位置決めするときの繰り返し精度は、たとえば約50マイクロメートルのように高いけれども、ある所定の位置に位置決めするときの絶対精度が、特に大型ロボットの場合は、たとえば約3〜4ミリメートルのように低いので、ロボットを用いる前に、ティーチプレイバック方式で予め教示しておくことがほとんどである。絶対精度の低い原因は、ロボットの幾何学的な製造誤差、重量物を把持したときのアームの撓み、温度によるアームの伸縮および減速機のガタ等によって、ロボットの各関節に設けられる各エンコーダからの検出信号に基づくロボットのアーム先端に設けられるツールに設定される基準点の位置および姿勢が、指令値に対する誤差があるためである。このことが計算機によってオフラインで動作データを生成して、その動作データをロボットにダウンロードして、溶接などの作業をさせたり、センサをアーム先端に設けて、ロボットを計測装置として利用するような、今後のロボットの新しい展開に対する障害となっている。 Although the industrial robot has a high repeatability when it is repeatedly positioned at a certain position, for example, about 50 micrometers, the absolute accuracy when it is positioned at a certain predetermined position is particularly large, for example, Since it is as low as about 3 to 4 millimeters, it is almost always taught in advance by the teach playback method before using the robot. The reason for the low absolute accuracy is that each encoder provided at each joint of the robot is caused by a geometric manufacturing error of the robot, bending of the arm when holding a heavy object, expansion / contraction of the arm due to temperature, and backlash of the speed reducer. This is because the position and orientation of the reference point set in the tool provided at the tip of the robot arm based on the detected signal has an error with respect to the command value. This is because the computer generates motion data offline, downloads the motion data to the robot, performs work such as welding, or installs a sensor at the tip of the arm and uses the robot as a measurement device, This is an obstacle to the future development of robots.
このような問題に対して、前述の従来技術のように、相対角変位を検出するジャイロセンサおよび相対スライド変位を検出する加速度センサなどの慣性センサを用いて位置および姿勢を連続的に測定する方法は、慣性航法で使われる一般に知られた方法である。この方法を利用してロボットのアーム先端部の位置および姿勢を求めることができれば、時間的に連続でリアルタイムな測定が可能であり、さらにロボットから離れた位置からロボットの位置および姿勢を測定する場合に比べて、ロボットの位置および姿勢によって死角が生じても、測定に影響しない等の利点がある。 For such a problem, a method of continuously measuring the position and orientation using an inertial sensor such as a gyro sensor that detects relative angular displacement and an acceleration sensor that detects relative slide displacement, as in the prior art described above. Is a commonly known method used in inertial navigation. If the position and orientation of the robot arm tip can be obtained using this method, continuous real-time measurement is possible in time, and the robot position and orientation are measured from a position away from the robot. Compared to the above, there is an advantage that even if a blind spot is generated by the position and posture of the robot, the measurement is not affected.
しかしジャイロセンサは、実際には相対角変位を直接検出するのではなく、相対角速度を測定して、その相対角速度を時間に関して積分することで相対角変位を検出している。また同様に加速度センサは、相対加速度を測定して、その相対加速度を時間に関して2回積分することで相対スライド変位を検出している。したがってロボットのアーム先端の変位量が増えるにつれて、または時間が経過するにつれて、検出誤差およびドリフトが累積するので、このような慣性センサでは、ロボットのアーム先端に設けられるツールの基準点の位置および姿勢を高精度で測定することができない。たとえば市販されている汎用の光ファイバジャイロおよびリングレーザジャイロは、相対加速度の精度は、高々0.01〜0.03重力加速度程度であり、この程度の精度であると、ロボットが1秒間動作すると、最悪5〜15センチメートルもの誤差が蓄積される。 However, the gyro sensor does not actually detect the relative angular displacement directly, but detects the relative angular displacement by measuring the relative angular velocity and integrating the relative angular velocity with respect to time. Similarly, the acceleration sensor detects the relative slide displacement by measuring the relative acceleration and integrating the relative acceleration twice with respect to time. Therefore, as the displacement amount of the robot arm tip increases or as time elapses, detection errors and drifts accumulate. With such an inertial sensor, the position and orientation of the reference point of the tool provided at the robot arm tip Cannot be measured with high accuracy. For example, commercially available general-purpose optical fiber gyros and ring laser gyros have a relative acceleration accuracy of at most about 0.01 to 0.03 gravitational acceleration. In the worst case, an error of 5 to 15 centimeters is accumulated.
また前述の従来技術のように、超音波によるアーム先端に設けられるツールの位置および姿勢を計測において、超音波発信器からの超音波パルスの一部が、ロボットおよびロボットの周辺に設置されている機器などに反射し、その反射波が所定位置に固定される受信器によって受信され、アーム先端と所定位置との距離を正確に求めることができない。またロボットは、高速で動作するので、ドップラー効果によって、アーム先端と所定位置との距離を正確に求めることができない。 In addition, as in the above-described prior art, in measuring the position and posture of the tool provided at the arm tip by ultrasonic waves, a part of the ultrasonic pulse from the ultrasonic transmitter is installed around the robot and the robot. The reflected wave is received by a receiver that is reflected by a device or the like and is fixed at a predetermined position, and the distance between the arm tip and the predetermined position cannot be obtained accurately. Further, since the robot operates at a high speed, the distance between the arm tip and the predetermined position cannot be obtained accurately due to the Doppler effect.
したがって本発明の目的は、可動体に設定される基準点の位置および可動体の姿勢を高精度で検出することができる可動体の位置および姿勢検出装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a movable body position and posture detection device capable of detecting the position of the reference point set on the movable body and the posture of the movable body with high accuracy.
請求項1記載の本発明は、同一直線上に並ばない3個のターゲットを有し、可動体に設けられるターゲットユニットと、
予め定める座標系における絶対位置が把握されている撮像位置からターゲットユニットを撮影して、ターゲットユニットの画像を表す画像データを生成する複数の撮影手段と、
撮影手段からの画像データに基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を求める第1検出手段と、
可動体に設けられ、可動体の相対スライド変位および相対角変位を検出する第2検出手段と、
第1検出手段からの基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、基準点の位置および可動体の姿勢を求める演算手段を備えることを特徴とする可動体の位置および姿勢検出装置である。
The present invention according to
A plurality of photographing means for photographing a target unit from an imaging position in which an absolute position in a predetermined coordinate system is grasped and generating image data representing an image of the target unit;
First detection means for obtaining an absolute position of a reference point set on the movable body in the coordinate system and an absolute posture of the movable body based on image data from the photographing means;
A second detection means provided on the movable body for detecting relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body;
Calculation means for obtaining the position of the reference point and the posture of the movable body based on the absolute position and absolute posture of the reference point from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means. A position and orientation detection device for a movable body.
本発明に従えば、複数の撮影手段によって、予め定める座標系における絶対位置が把握されている撮像位置から、同一直線上に並ばない3個のターゲットを有し、可動体に設けられるターゲットユニットが撮影され、ターゲットユニットの画像を表す画像データが生成される。撮影手段が複数、たとえば2個あれば、ターゲットユニットを両眼立体視することができる。また撮影手段を、3個以上にすることによって、可動体のスライド変位および角変位によって、各ターゲットが撮影手段の死角領域に入ってしまうことを可及的に防止することができる。 According to the present invention, there is provided a target unit provided on the movable body, which has three targets that are not arranged on the same straight line from an imaging position in which an absolute position in a predetermined coordinate system is grasped by a plurality of imaging units. Photographed and image data representing an image of the target unit is generated. If there are a plurality of imaging means, for example, two, the target unit can be binocularly viewed. Further, by using three or more photographing means, it is possible to prevent as much as possible each target from entering the blind spot area of the photographing means due to the slide displacement and the angular displacement of the movable body.
第1検出手段によって、撮影手段からの画像データに基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢が求められる。このときターゲットユニットにおいて、3個のターゲットは同一直線上に並ばないので、この3個のターゲットを含む平面を容易に求めて、その平面の法線を求めて、ターゲットを基準とするターゲット座標系を求めることができる。したがって予め定める座標系とターゲット座標系とに基づいて、前記予め定められる座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を容易かつ正確に求めることができる。さらに可動体に設けられる第2検出手段によって、可動体の相対スライド変位および相対角変位が検出される。 The first detection means obtains the absolute position of the reference point set on the movable body in the coordinate system and the absolute posture of the movable body based on the image data from the photographing means. At this time, in the target unit, since the three targets are not arranged on the same straight line, a plane including these three targets is easily obtained, a normal of the plane is obtained, and a target coordinate system based on the target is obtained. Can be requested. Therefore, based on the predetermined coordinate system and the target coordinate system, the absolute position of the reference point set on the movable body and the absolute posture of the movable body in the predetermined coordinate system can be easily and accurately obtained. Furthermore, relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body are detected by the second detection means provided on the movable body.
演算手段によって、第1検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、可動体の基準点の位置および可動体の姿勢が求められる。これによって、たとえば第1検出手段によって求められる可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、第1検出手段は可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲットユニットが各撮影手段の死角領域に入ってしまった場合、演算手段は、第1検出手段によって可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、可動体の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように演算手段は、2つの検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびに可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度な可動体の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。 Based on the absolute position and absolute attitude of the reference point of the movable body from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means, the calculation means calculates the reference point of the movable body. The position and the posture of the movable body are required. Thereby, for example, although the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body obtained by the first detection means are more accurate than the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means, If the first detection means cannot continuously obtain the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body, or if the target unit has entered the blind spot area of each imaging means, the calculation means Until the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body are obtained by the first detection means, the reference point of the movable body is determined based on the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means. Can be determined. In this way, the calculation means can calculate the reference point of the movable body with extremely high accuracy based on the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body from the two detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body. The position and posture can be obtained continuously.
請求項2記載の本発明は、可動体に設けられるターゲットと、
ターゲットを予め定める軸線まわりに角変位駆動する駆動手段と、
予め定める座標系における絶対位置が把握されている測距位置からターゲットまでの距離を測定するターゲット距離測定手段と、
ターゲット距離測定手段によって測定された距離に基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を求める第1検出手段と、
可動体に設けられ、可動体の相対スライド変位および相対角変位を検出する第2検出手段と、
第1検出手段からの基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、基準点の位置および可動体の姿勢を求める演算手段を備えることを特徴とする可動体の位置および姿勢検出装置である。
The present invention according to
Driving means for driving the target to be angularly displaced about a predetermined axis;
A target distance measuring means for measuring a distance from the distance measuring position to which the absolute position in a predetermined coordinate system is known;
First detection means for determining an absolute position of a reference point and an absolute posture of the movable body set on the movable body in the coordinate system based on the distance measured by the target distance measurement means;
A second detection means provided on the movable body for detecting relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body;
Calculation means for obtaining the position of the reference point and the posture of the movable body based on the absolute position and absolute posture of the reference point from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means. A position and orientation detection device for a movable body.
本発明に従えば、ターゲット距離測定手段によって、予め定める座標系における絶対位置が把握されている測距位置から、可動体に設けられ、駆動手段によって予め定める軸線まわりに角変位するターゲットまでの距離が測定される。第1検出手段によって、ターゲット距離測定手段によって測定された距離に基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢が求められる。ターゲットが角変位することによって、ターゲット距離測定手段は、予め定める座標系における絶対位置が把握されている測距位置から、互いに異なる角度位置に配置されるターゲットまでの距離を、測定することができる。このとき、たとえばターゲットの同一直線上に並ばない3つの角度位置を設定すれば、この3つの角度位置を含む平面を容易に求めて、その平面の法線を求めて、ターゲットを基準とするターゲット座標系を求めることができる。したがって予め定める座標系とターゲット座標系とに基づいて、前記予め定められる座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を容易かつ正確に求められる。さらに可動体に設けられる第2検出手段によって、可動体の相対スライド変位および相対角変位が検出される。 According to the present invention, the distance from the distance measuring position at which the absolute position in the predetermined coordinate system is grasped by the target distance measuring means to the target that is provided on the movable body and is angularly displaced around the predetermined axis by the driving means. Is measured. Based on the distance measured by the target distance measuring unit, the absolute position of the reference point set on the movable body in the coordinate system and the absolute posture of the movable body are obtained by the first detection unit. When the target is angularly displaced, the target distance measuring means can measure the distance from the distance measuring position at which the absolute position in the predetermined coordinate system is known to the target arranged at different angular positions. . At this time, for example, if three angular positions that are not aligned on the same straight line of the target are set, a plane including these three angular positions can be easily obtained, a normal line of the plane is obtained, and a target based on the target is obtained. A coordinate system can be obtained. Therefore, based on the predetermined coordinate system and the target coordinate system, the absolute position of the reference point set on the movable body and the absolute posture of the movable body in the predetermined coordinate system can be obtained easily and accurately. Furthermore, relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body are detected by the second detection means provided on the movable body.
演算手段によって、第1検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、可動体の基準点の位置および可動体の姿勢が求められる。これによって、たとえば第1検出手段によって求められる可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、第1検出手段は可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲットがターゲット距離測定手段の死角領域に入ってしまった場合、演算手段は、第1検出手段によって可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、可動体の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように演算手段は、2つの検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびに可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度な可動体の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。 Based on the absolute position and absolute attitude of the reference point of the movable body from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means, the calculation means calculates the reference point of the movable body. The position and the posture of the movable body are required. Thereby, for example, although the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body obtained by the first detection means are more accurate than the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means, If the first detection means cannot continuously obtain the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body, or if the target has entered the blind spot area of the target distance measurement means, the calculation means Until the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body are obtained by the first detection means, the reference point of the movable body is determined based on the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means. Can be determined. In this way, the calculation means can calculate the reference point of the movable body with extremely high accuracy based on the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body from the two detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body. The position and posture can be obtained continuously.
請求項3記載の本発明は、演算手段からの可動体の基準点の位置および可動体の姿勢に基づいて、可動体のスライド変位および角変位を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする。 The present invention according to claim 3 further includes control means for controlling slide displacement and angular displacement of the movable body based on the position of the reference point of the movable body and the attitude of the movable body from the computing means. .
本発明に従えば、演算手段からの高精度の可動体の基準点の位置および可動体の姿勢に基づいて、可動体のスライド変位および角変位を高精度に制御することができる。 According to the present invention, the slide displacement and the angular displacement of the movable body can be controlled with high accuracy based on the position of the reference point of the highly accurate movable body and the posture of the movable body from the calculation means.
請求項1記載の本発明によれば、たとえば第1検出手段によって求められる可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、第1検出手段は可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲットユニットが各撮影手段の死角領域に入ってしまった場合、演算手段は、第1検出手段によって可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、可動体の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように演算手段は、2つの検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびに可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度な可動体の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。 According to the first aspect of the present invention, for example, the absolute position and the absolute posture of the reference point of the movable body determined by the first detection means are the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means. Although the accuracy is higher than that of the first detection means, the first detection means cannot continuously obtain the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body, or the target unit should enter the blind spot area of each imaging means. In such a case, the calculation means calculates the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means until the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body are obtained by the first detection means. Based on this, the position and orientation of the reference point of the movable body can be obtained. In this way, the calculation means can calculate the reference point of the movable body with extremely high accuracy based on the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body from the two detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body. The position and posture can be obtained continuously.
請求項2記載の本発明によれば、たとえば第1検出手段によって求められる可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、第1検出手段は可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲットがターゲット距離測定手段の死角領域に入ってしまった場合、演算手段は、第1検出手段によって可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、可動体の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように演算手段は、2つの検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびに可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度な可動体の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。 According to the second aspect of the present invention, for example, the absolute position and the absolute posture of the reference point of the movable body determined by the first detection means are the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means. Although the first detection means cannot obtain the absolute position and the absolute posture of the reference point of the movable body continuously, or in the unlikely event that the target enters the blind spot area of the target distance measurement means. In such a case, the calculation means calculates the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means until the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body are obtained by the first detection means. Based on this, the position and orientation of the reference point of the movable body can be obtained. In this way, the calculation means can calculate the reference point of the movable body with extremely high accuracy based on the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body from the two detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body. The position and posture can be obtained continuously.
請求項3記載の本発明によれば、演算手段からの高精度の可動体の基準点の位置および可動体の姿勢に基づいて、可動体のスライド変位および角変位を高精度に制御することができる。 According to the third aspect of the present invention, the slide displacement and the angular displacement of the movable body can be controlled with high accuracy based on the position of the reference point of the highly accurate movable body and the posture of the movable body from the calculation means. it can.
図1は、本発明の第1の実施形態の位置および姿勢検出装置10の構成を示すブロック図である。図2は、ロボット20および複数のカメラ13A,13B,13Cを模式的に示す図である。位置および姿勢検出装置(以後、単に「位置姿勢検出装置」と表記することがある。)10は、産業用ロボットなどのロボット20の手首24に連結されるツール30などの可動体に設定された基準点の位置およびツール30の姿勢を検出して、ツール30のスライド変位および角変位を制御する。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a position and orientation detection apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram schematically showing the
ロボット20は、たとえば6軸垂直多関節ロボットである。ロボット20は、ベース部21、下部アーム22、上部アーム23および手首24を有する。ベース部21は、鉛直方向に延びる第1軸線J1まわりに旋回可能である。下部アーム22は、水平方向に延びる第2軸線J2まわりに角変位可能にしてベース部21に連結される。上部アーム23は、その基端部が水平方向に延びる第3軸線J3まわりに角変位可能にして下部アーム22の上端部に連結される。手首24は、上部アーム23の軸線に平行に延びる第4軸線J4まわりに角変位可能、かつ前記第4軸線J4に垂直な第5軸線J5まわりに角変位可能にして上部アーム23の先端部に連結される。手首24は、第5軸線J5に垂直な第6軸線J6まわりに角変位可能なフランジ25を有する。ハンド、溶接トーチおよびセンサなどのツール30は、フランジ25に設けられるツールチェンジャー(図示せず)などを介してフランジ25に連結される。
The
位置姿勢検出装置10は、ターゲットユニット11、LED駆動部12、カメラ13、画像処理部14、ジャイロセンサ15、加速度センサ16、信号処理部17、演算部18およびロボット制御部19を含んで構成される。
The position / orientation detection apparatus 10 includes a
図3は、ターゲットユニット11を示す斜視図である。ターゲットユニット11は、ツールチェンジャーおよびツール30のいずれかに設けられる。またターゲットユニット11は、ロボット20全体の誤差のうち手首部分の誤差が小さい場合、ロボット20の上部アーム23の先端部に設けてもよい。本実施の形態では、ターゲットユニット11は、ツール30に設けられ、ツール30とともにスライド変位および角変位可能である。ターゲットユニット11は、同一直線上に並ばない3個のターゲットを有する。本実施の形態では、ターゲットユニット11は、第1ターゲット31、第2ターゲット32、第3ターゲット33および第4ターゲット34の4つのターゲットを有する。
FIG. 3 is a perspective view showing the
第1ターゲット31〜第4ターゲット34は、同形状の球状に形成され、透光性を有し、その重心に互いに異なる色で発光する発光ダイオード(Light Emitting Diode;略称:LED)を備える。第2ターゲット32は、円柱状の第1リンク35を介して第1ターゲット32に連結される。第3ターゲット33は、円柱状の第2リンク36を介して第1ターゲット32に連結される。第4ターゲット34は、円柱状の第3リンク37を介して第1ターゲット32に連結される。第1〜第3リンク35〜37は、全く同じ形状であり、第1ターゲット31の重心から第2ターゲット32の重心までの距離と、第1ターゲット31の重心から第3ターゲット33の重心までの距離と、第1ターゲット31から第4ターゲット34までの距離とは、同じである。第1リンク35、第2リンク36および第3リンク37は、それらの軸線が互いに直交するようにして配置される。ターゲットユニット11の第1ターゲット31は、第1ターゲット31の重心がツール30に設定される基準点となるようにして配置される。LED駆動部12は、演算部18からのLED制御信号に基づいて、ターゲットユニット11の各ターゲット31〜34に備えられるLEDを発光させるために必要な駆動電力の供給および非供給を行う。
The first target 31 to the fourth target 34 are formed in a spherical shape of the same shape, have translucency, and include light emitting diodes (light emitting diodes; abbreviated as LEDs) that emit light in different colors at the center of gravity. The second target 32 is connected to the first target 32 via a cylindrical
撮影手段であるカメラ13は、予め定める座標系であるロボット座標系における絶対位置が把握されている撮像位置に配置され、前記撮像位置からターゲットユニット11を撮影して、ターゲットユニット11の画像を表す画像データを生成し、複数設けられる。本実施の形態において、ロボット座標系とは、ロボット20のベース部21が固定される床に平行に延び、互いに直交するx軸およびy軸、ならびに鉛直上向きに延びるz軸で構成される直交座標系である。本実施の形態において、カメラ13は、固体撮像素子(Charge Coupled Device ;略称:CCD)を備えるCCDカメラで実現される。またカメラ13は、本実施の形態では、第1カメラ13A、第2カメラ13Bおよび第3カメラ13Cの3台のカメラで構成され、ロボット座標系における絶対位置が把握されている互いに異なる撮像位置に配置される。各カメラ13A〜13Cが配置される撮像位置は、詳細に述べると、ロボット20の動作領域外であって、全カメラ13A〜13Cによって、ロボット20の動作領域全体を撮影できる位置である。以後、第1〜第3カメラ13A〜13Cを区別しない場合には、単に、カメラ13と表記することがある。
The
第1検出手段である画像処理部14は、たとえばマイクロコンピュータで実現され、演算部18からの計測指令信号が与えられると、カメラ13からの画像データに基づいて画像処理を行い、ロボット座標系におけるツール30に設定された基準点の絶対位置およびツール30の絶対姿勢を求め、求めたツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を含む絶対位置姿勢検出信号を演算部18に与える。
The
第2検出手段であるジャイロセンサ15および加速度センサ16は、ツール30およびツールチェンジャーのいずれかに設けられ、ツール30とともにスライド変位および角変位可能である。ジャイロセンサ15は、ツール30の角速度を検出することによってツール30の相対角変位を検出して、ツール30の相対角変位を含む相対角変位検出信号を信号処理部17に与える。加速度センサ16は、ツール30のスライド加速度を検出することによってツール30の相対スライド変位を検出して、ツール30の相対スライド変位を含む相対スライド変位検出信号を信号処理部17に与える。本実施の形態において、第2検出手段は、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって構成される。信号処理部17は、ジャイロセンサ15および加速度センサ16からの相対角変位検出信号および相対スライド変位検出信号を、演算部18によって演算処理可能な信号に変換する信号処理を行って、ツール30の相対角変位および相対スライド変位を含む相対変位検出信号を演算部18に与える。
The
演算手段である演算部18は、たとえば中央演算処理装置(Central Processing Unit;略称:CPU)などの演算処理装置、ならびにランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリおよびハードディスクドライブなどの記憶装置を含んで実現され、位置姿勢検出装置10を統括的に制御する。演算部18は、ターゲットユニット11の各ターゲット31〜34への駆動電力の供給および非供給を示すLED制御信号を、LED駆動部12に与える。また演算部18は、ロボット座標系におけるツール30に設定された基準点の絶対位置およびツール30の絶対姿勢を求めることを示す計測指令信号を、画像処理部14に与える。さらに演算部18は、ロボット制御部19から指令要請信号が与えられると、画像処理部14からの絶対位置姿勢検出信号に含まれるロボット座標系におけるツール30に設定された基準点の絶対位置およびツール30の絶対姿勢と、信号処理部17からの相対変位検出信号に含まれるツール30の相対角変位およびツール30の基準点の相対スライド変位とに基づいて、ツール30の基準点の位置およびツール30の姿勢を求めて、求めた位置および姿勢に基づく修正制御指令値を含む制御信号をロボット制御部19に与える。
The
制御手段であるロボット制御部(以後、単に「制御部」と表記することがある。)19は、予め設定されている制御指令値および演算部18によって求められる修正指令値を含む制御信号を与えるように要請することを示す指令要請信号を、演算部18に与える。また制御部19は、演算部18から与えられる制御信号に含まれる制御指令値および修正制御指令値に基づいて、ツール30のスライド変位および角変位を制御する。ロボット20の、下部アーム22、上部アーム23、手首24およびフランジ25は、ロボット20に搭載され、制御部19によって制御される複数のサーボモータ(図示せず)の駆動力によって、第1〜第6軸線J1〜J6まわりに角変位する。これによって制御部19は、ツール30のスライド変位および角変位を制御する。
A robot control unit (hereinafter, simply referred to as “control unit”) 19 serving as a control means provides a control signal including a control command value set in advance and a correction command value obtained by the
図4は、カメラ13を用いて、ある点Pのロボット座標系における座標(X,Y,Z)を求める方法を説明するための図である。ここでは理解を容易にするために、第1カメラ13Aおよび第2カメラ13Bを用いる場合の、ある点Pのロボット座標系における座標(X,Y,Z)を求める方法を説明する。第1カメラ13Aが撮影した点Pが、第1カメラ13Aの撮像面A1において点Q1として撮影された場合、点Q1の第1カメラ13Aの撮像面A1座標系における座標を(XC1,YC1)とする。また第2カメラ13Bが撮影した点Pが、第2カメラ13Bの撮像面A2において点Q2として撮影された場合、点Q2の第2カメラ13Bの撮像面A2座標系における座標を(XC2,YC2)とする。このとき点Pと点Q1との関係は、次式(1)で表され、点Pと点Q2との関係は、次式(2)で表される。
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of obtaining coordinates (X, Y, Z) of a certain point P in the robot coordinate system using the
前式(1)において、h1は、同次座標表現における媒介変数であり、右辺における左側の行列は、予め定められる第1カメラ13Aのカメラパラメータ行列である。前式(2)において、h2は、同次座標表現における媒介変数であり、右辺における左側の行列は、予め定められる第2カメラ13Bのカメラパラメータ行列である。
In the previous equation (1), h 1 is a parameter in the homogeneous coordinate expression, and the left matrix on the right side is a predetermined camera parameter matrix of the
画像処理部14は、第1カメラ13Aからの画像データに基づいて、点Q1の座標(XC1,YC1)、および第2カメラ13Bからの画像データに基づいて、点Q2の座標(XC2,YC2)を求めて、前式(1)および式(2)を連立させて、各媒介変数h1,h2を消去して、点Pのロボット座標系における座標(X,Y,Z)に関して整理すると、次式(3)が得られる。
B=A・V …(3)
Based on the image data from the
B = AV · (3)
前式(3)の左辺の行列Bは次式(5)で表され、右辺における左側の行列Aは次式(4)で表され、右辺における右側の行列Vは次式(6)で表される。 The matrix B on the left side of the previous equation (3) is represented by the following equation (5), the matrix A on the left side on the right side is represented by the following equation (4), and the matrix V on the right side on the right side is represented by the following equation (6). Is done.
したがって、点Pのロボット座標系における座標(X,Y,Z)は、次式(7)のように求められる。
V=(AT・A)−1・AT・B …(7)
前式(7)において、Tは行列の転置を示す。
Therefore, the coordinates (X, Y, Z) of the point P in the robot coordinate system are obtained as in the following equation (7).
V = (A T · A) −1 · A T · B (7)
In the previous equation (7), T indicates transposition of a matrix.
前述の点Pのロボット座標系における座標(X,Y,Z)の求め方は、第1カメラ13Aおよび第2カメラ13Bの2台のカメラ13を用いた場合であるが、カメラ13を3台以上用いる場合であっても同様にして点Pのロボット座標系における座標(X,Y,Z)を求めることができる。このようにしてロボット座標系におけるターゲットユニット11の第1ターゲット31の重心L1の座標(XL1,YL1,ZL1)を求めることによって、ツール30に設定された基準点の絶対位置を求めることができる。
The method of obtaining the coordinates (X, Y, Z) of the point P in the robot coordinate system is the case where the two
また、このようにして画像処理部14は、カメラ13からの画像データに基づいて、ターゲットユニット11の第1〜第4ターゲット31〜34の重心の座標が得られる。ロボット座標系における第1ターゲット31の重心L1の座標(XL1,YL1,ZL1)、第2ターゲット32の重心L2の座標(XL2,YL2,ZL2)、第3ターゲット33の重心L3の座標(XL3,YL3,ZL3)、第4ターゲット34の重心L4の座標(XL4,YL4,ZL4)とすると、第1ターゲット31から第2ターゲット32に向かう第1基底ベクトルVx、第1ターゲット31から第3ターゲット33に向かう第2基底ベクトルVyおよび第1ターゲット31から第4ターゲット34に向かう第3基底ベクトルVzは、それぞれ次式(8)、式(9)および式(10)で表される。
In this way, the
このようにして第1ターゲット31の重心L1を座標原点とし、互いに直交する第1〜第3基底ベクトルVx,Vy,Vzによって構成されるターゲット座標系が求められる。これによってターゲット座標系のロボット座標系に対する傾斜がわかるので、ツール30の絶対姿勢を求めることができる。 In this way, a target coordinate system including the first to third base vectors Vx, Vy, and Vz orthogonal to each other with the center of gravity L1 of the first target 31 as the coordinate origin is obtained. As a result, the inclination of the target coordinate system with respect to the robot coordinate system is known, so that the absolute posture of the tool 30 can be obtained.
ここで万一、ターゲットユニット11の第2〜第4ターゲット32〜34のいずれか1つがカメラ13によって撮影できなくても、第1ターゲット31を含む3つの残余のターゲットの重心の座標を求めることによって、前記3つの残余のターゲットの重心を含む平面が求められるので、この平面の法線を求めることができる。これによってターゲット座標系を求めることができる。
Here, even if any one of the second to fourth targets 32 to 34 of the
このようなターゲットユニット11をカメラ13で撮影して、その画像データに基づいてターゲット座標系を求めて、ツール30に設定された基準点の位置およびツール30の姿勢を求めるには、多少の時間、たとえば0.1秒程度を要するので、画像処理部14によってツール30の基準点の位置および姿勢が求められてから、次に画像処理部14によってツール30の基準点の位置および姿勢が求められるまでの間は、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出される相対角変位および相対スライド変位に基づいて、演算部18は、ツール30の基準点の位置および姿勢を求める。
It takes some time to shoot such a
ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出される相対角変位および相対スライド変位に基づくツール30の基準点の位置および姿勢は、画像処理部14によって求められるツール30の基準点の位置および姿勢に比べて精度が低いけれども、相対角変位および相対スライド変位の誤差が蓄積されるまでには、新たに画像処理部14によってツール30の基準点の位置および姿勢が求められるので、連続して精度の高いツール30の基準点の位置および姿勢を求めることができる。
The position and orientation of the reference point of the tool 30 based on the relative angular displacement and the relative slide displacement detected by the
図5は、ロボット制御部19によるツール30のスライド変位および角変位を制御する手順を示すフローチャートである。図6は、ロボット制御部19によるツール30のスライド変位および角変位を制御する方法を説明するための図である。ロボット制御部19がロボット20に制御信号を与える時間間隔である指令サイクルをt秒とする。ステップs0で、制御手順が開始されて、ステップs1に進む。
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for controlling the slide displacement and the angular displacement of the tool 30 by the
ステップs1では、演算部18は、ある時刻Tiにおいて求めたツール30の基準点および姿勢を示す実測値Riと、予め設定される時刻Tiにおけるツール30の基準点および姿勢を示す制御指令値Hiとの誤差ベクトルΔiを求めて、ステップs2に進む。ここで添字iは整数である。
In step s1, the
ステップs2では、演算部18は、時刻Tiからt秒後の時刻Ti+1における予め設定されているロボット20のツール30の基準点および姿勢を示す制御指令値Hi+1に、誤差ベクトルの総和ΣΔi−1と、ステップs1で求めた誤差ベクトルΔiとを加算して、時刻Ti+1における修正制御指令値Ni+1を求めて、ステップs3に進む。誤差ベクトルの総和ΣΔi−1とは、時刻Tiのt秒前の時刻Ti−1までに累積されている演算部18によって求められたツール30の基準点および姿勢を示す実測値と、予め設定されるロボット20のツール30の基準点および姿勢を示す制御指令値との誤差ベクトルの総和である。
In step s2, the
ステップs3では、演算部18は、時刻Ti+1において、ステップs2で求めた修正制御指令値Ni+1を含む制御信号をロボット制御部19に与えて、ステップs4に進む。ステップs4では、添字iをi+1に置換えて、ステップs1に戻る。
In step s3, the
このような手順で制御を行うことによって、図6に示すように、演算部18によって求められたツール30の基準点および姿勢を示す実測値の軌跡L11は、予め設定されるツール30の基準点および姿勢を示す制御指令値の軌跡L10に近づいていく。したがって演算部18からの高精度のツール30の基準点の位置および姿勢に基づく修正制御指令値を含む制御信号をロボット制御部19に与えることによって、ツール30のスライド変位および角変位を高精度に制御することができる。
By performing control in such a procedure, as shown in FIG. 6, the reference point of the tool 30 obtained by the
以上のように本実施の形態の位置姿勢検出装置10によれば、複数のカメラ13によって、予め定めるロボット座標系における絶対位置が把握されている撮像位置から、ツール30に設けられるターゲットユニット11が撮影され、ターゲットユニット11の画像を表す画像データが生成される。カメラ13が複数、たとえば2個あれば、ターゲットユニット11を両眼立体視することができる。またカメラ13を3個以上にすることによって、ツール30のスライド変位および角変位によって、各ターゲット31〜34が各カメラ13の死角領域に入ってしまうことを可及的に防止することができる。
As described above, according to the position / orientation detection apparatus 10 of the present embodiment, the
画像処理部14によって、カメラ13からの画像データに基づいて、ロボット座標系におけるツール30に設定された基準点の絶対位置およびツール30の絶対姿勢が求められる。このときターゲットユニット11において、4個のターゲット31〜34のうち、いずれの3個のターゲットは同一直線上に並ばないので、3個のターゲットを含む平面を容易に求めて、その平面の法線を求めて、ターゲットを基準とするターゲット座標系を求めることができる。したがってロボット座標系とターゲット座標系とに基づいて、ロボット座標系におけるツール30に設定された基準点の絶対位置およびツール30の絶対姿勢を容易かつ正確に求めることができる。さらにツール30に設けられるジャイロセンサ15および加速度センサ16によって、ツール30の相対スライド変位および相対角変位が検出される。
Based on the image data from the
演算部18によって、画像処理部14からのツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢と、ジャイロセンサ15および加速度センサ16からのツール30の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、ツール30の基準点の位置および姿勢が求められる。これによって、たとえば画像処理部14によって求められるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出されるツール30の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、画像処理部14はツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲットユニット11が各カメラ13の死角に入ってしまった場合、演算部18は、画像処理部14によってツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって求められるツール30の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、ツール30の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように演算部18は、画像処理部14ならびにジャイロセンサ15および加速度センサ16からのツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびに相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度なツール30の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。
Based on the absolute position and attitude of the reference point of the tool 30 from the
また本実施の形態の位置姿勢検出装置10によれば、演算部18からの高精度のツール30の基準点の位置および姿勢に基づいて、ツール30のスライド変位および角変位を高精度に制御することができる。
Further, according to the position / orientation detection apparatus 10 of the present embodiment, the slide displacement and the angular displacement of the tool 30 are controlled with high accuracy based on the position and orientation of the reference point of the tool 30 with high accuracy from the
本実施の形態の位置姿勢検出装置10において、ターゲットユニット11の各ターゲット31〜34は、同形状の球状に形成され、LEDによって互いに異なる色で発光するとしたけれども、各ターゲット31〜34は、画像処理部14が、各ターゲット31〜34を区別可能であればよい。たとえば、各ターゲット31〜34を互いに異なる形状、具体的な一例としては、互いに異なる大きさの球にしてもよい。
In the position / orientation detection apparatus 10 of the present embodiment, each of the targets 31 to 34 of the
また本実施の形態の位置姿勢検出装置10において、ターゲットユニット11は、ツール30に設けられ、第1ターゲット31は、第1ターゲット31の重心がツール30に設定される基準点となるようにして配置されるとしたけれども、これに限ることはない。たとえば、ターゲットユニット11を2個用いてもよい。この場合、8つのターゲットは互いに異なる色で発光するようにして、各ターゲットユニット11の第1ターゲット31を、たとえば手首24の軸線に関して対称となる位置に配置して、ツール30の基準点をツール30の重心として、各第1ターゲット31とツール30の基準点との位置関係を把握しておくようにする。ターゲットユニット11を2個用いることによって、2つのターゲットユニット11がともに、全てのカメラ13の死角領域に入る可能性が極めて低くなるので、ほぼ確実にターゲット座標系を求めることができ、したがってツール30の基準点の位置および姿勢を確実に求めることができる。
Further, in the position / orientation detection apparatus 10 of the present embodiment, the
また各カメラ13の視野を狭くし、かつ画像処理部14によって求められる第1ターゲット31の重心の座標に基づいて、ターゲットユニット11を自動的に追尾する機能を有する雲台に連結して、各カメラ13をスライド変位および角変位させるようにしてもよい。これによって、画像処理部14によって求められるツール30の基準点の位置および姿勢の精度を向上することができる。
In addition, each
図7は、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出されるツール30の相対角変位および相対スライド変位を主にして、ツール30の基準点の位置および姿勢を制御する場合の、ツール30の基準点の位置および姿勢の実測値の真値からの誤差と時間との関係を示すグラフである。前述の本実施の形態では、画像処理部14によって求められるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を主とし、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出されるツール30の相対角変位および相対スライド変位を副として、ツール30の基準点の位置および姿勢を制御したが、これとは逆に、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出されるツール30の相対角変位および相対スライド変位を主とし、画像処理部14によって求められるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を副として、ツール30の基準点の位置および姿勢を制御するようにしてもよい。
FIG. 7 shows a reference point of the tool 30 when the position and orientation of the reference point of the tool 30 are controlled mainly based on the relative angular displacement and the relative slide displacement of the tool 30 detected by the
この場合、演算部18は、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出されるツール30の相対角変位および相対スライド変位に基づく修正制御指令値を含む制御信号をロボット制御部19に与え、所定の時間間隔となる時刻U1,U2,U3,…,Unにおいて、画像処理部14によって求められるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢に基づく修正制御指令値を含む制御信号をロボット制御部19に与えることによって、図7の破線L12に示すように、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出される相対角変位および相対スライド変位に基づいて修正制御指令値に含まれる誤差を可及的に小さくすることができる。
In this case, the
また、たとえばロボット20の動作領域内に複数の予め定める待機点を設定しておくようにしてもよい。この場合、ロボット20が待機点に配置されたときに、画像処理部14によって求められるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢に基づく修正制御指令値を含む制御信号をロボット制御部19に与えることによって、図7の実線L13に示すように、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出されるツール30の相対角変位および相対スライド変位に基づく修正制御指令値に含まれる誤差をほぼ零にすることができる。
Further, for example, a plurality of predetermined standby points may be set in the operation area of the
またロボット20の繰返し精度が高いことを利用して、複数の待機点におけるツール30の基準点の位置および姿勢を予め測定しておき、ツール30が待機点に配置されたときに、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出されるツール30の相対角変位および相対スライド変位に基づくツール30の基準点の位置および姿勢を、予め測定しておいた数値に置きかえてもよい。
Further, by utilizing the high repeatability of the
また本実施の形態の位置姿勢検出装置10において、カメラ13によってターゲットユニット11を撮影し、その画像データに基づいて、ロボット座標系におけるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を求め、ロボット座標系におけるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を求めるとしたけれども、これに限ることはない。たとえば前述の待機点近傍に距離計測センサを設置して、ツール30の基準点の位置および姿勢を測定するようにしてもよい。
Further, in the position / orientation detection apparatus 10 of the present embodiment, the
またロボット20が繰返し作業を行う場合は、ドライラン時にツール30の基準点の位置および姿勢を測定し、作業前に自動的に制御指令値を修正しておくようにしてもよい。さらにセンサをツール30として用いて、ワークの形状などを計測する計測ロボットとして利用する場合、ワークの計測終了後にツール30の基準点および姿勢の誤差による計測データへの影響を可及的に小さくすることができる。
Further, when the
図8は、本発明の第2の実施形態の位置および姿勢検出装置50の構成を示すブロック図である。図9は、ロボット20およびレーザ干渉計53を模式的に示す図である。位置および姿勢検出装置(以後、単に「位置姿勢検出装置」と表記することがある。)50は、産業用ロボットなどのロボット20の手首24に連結されるツール30などの可動体に設定された基準点の位置およびツール30の姿勢を検出して、ツール30のスライド変位および角変位を制御する。ロボット20は、第1の実施形態におけるロボット20と同様の軸垂直多関節ロボットであるので、同一の参照符号を付して、詳細な説明は省略する。本実施の形態において、ロボット座標系とは、ロボット20のベース部21が固定される床に平行に延び、互いに直交するx軸およびy軸、ならびに鉛直上向きに延びるz軸で構成される直交座標系である。
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the position and orientation detection device 50 according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a diagram schematically showing the
位置姿勢検出装置50は、ターゲット51、回転駆動部52、レーザ干渉計53、測距処理部54、ジャイロセンサ15、加速度センサ16、信号処理部17、演算部58およびロボット制御部19を含んで構成される。
The position / orientation detection apparatus 50 includes a
ターゲット51は、ロボット20の上部アーム23の先端部、ツールチェンジャーおよびツール30のいずれかに設けられる。本実施の形態では、ターゲットユニット11は、ツール30に設けられ、ツール30とともにスライド変位および角変位可能である。ターゲット51は、たとえばコーナーキューブプリズムで実現され、レーザ干渉計53からターゲット51に入射したレーザ光を、レーザ光の入射方向とは平行な方向に反射する。駆動手段である回転駆動部52は、たとえばステッピングモータ、またはインダクションモータとエンコーダとで実現され、演算部58からの回転制御信号に基づいて、ターゲット51を予め定める軸線である付加軸線L52まわりに回転駆動するとともに、ターゲット51の角度位置を検出可能である。このとき基準点は、ターゲット51の回転中心となるように、付加軸線L52を配置する。本実施の形態において、回転とは、360度未満の角変位および360度以上の回転を含むものとする。
The
ターゲット距離測定手段であるレーザ干渉計53は、予め定める座標系であるロボット座標系における絶対位置が把握されている測距位置に配置され、レーザ光を射出して、ターゲット51にレーザ光を入射して、その反射光と、射出したレーザ光と同位相のレーザ光とを干渉させて、干渉強度の最大値および最小値の変化の回数を計数することによって、前記側距位置からターゲット51までの距離を測定する。レーザ干渉計53には、ターゲット51を追尾する機能を有し、ターゲット51にレーザ光を常に入射させることができるとともに、レーザ光の射出方向を検出可能である。
A
第1検出手段である測距処理部54は、たとえばマイクロコンピュータで実現され、演算部58からの計測指令信号が与えられると、レーザ干渉計53によって測定された距離および検出されたレーザ光の射出方向に基づいて、ロボット座標系におけるツール30に設定された基準点の絶対位置およびツール30の絶対姿勢を求め、求めたツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を含む絶対位置姿勢検出信号を演算部58に与える。測距処理部54は、詳細に述べると、レーザ干渉計53によって測定された距離および検出されたレーザ光の射出方向に基づいて、レーザ干渉計53の座標系である干渉計座標系におけるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を求めてから、ロボット座標系におけるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢に変換する。
The distance
第2検出手段であるジャイロセンサ15および加速度センサ16は、第1の実施形態の位置姿勢検出装置10におけるジャイロセンサ15および加速度センサ16と同様であるので、同一の参照符号を付して、詳細な説明は省略する。信号処理部17は、第1の実施形態の位置姿勢検出装置10における信号処理部17と同様であるので、同一の参照符号を付して、詳細な説明は省略する。
The
演算手段である演算部58は、たとえばCPUなどの演算処理装置、ならびにランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリおよびハードディスクドライブなどの記憶装置を含んで実現され、位置姿勢検出装置50を統括的に制御する。演算部58は、ターゲット51の付加軸線L52まわりの回転駆動を示す回転制御信号を回転駆動部52与える。また演算部18は、レーザ干渉計53によって測定された距離および検出されたレーザ光の射出方向に基づいて、ロボット座標系におけるツール30に設定されたツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を求めることを示す計測指令信号を、測距処理部54に与える。さらに演算部58は、ロボット制御部19から指令要請信号が与えられると、測距処理部54からの絶対位置姿勢検出信号に含まれるロボット座標系におけるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢と、信号処理部17からの相対変位検出信号に含まれるツール30の相対角変位および相対スライド変位とに基づいて、ツール30の基準点の位置および姿勢を求めて、求めた位置および姿勢に基づく修正制御指令値を含む制御信号をロボット制御部19に与える。
The
制御手段であるロボット制御部19は、第1の実施の形態の位置姿勢検出装置10におけるロボット制御部19と同様であるので、同一の参照符号を付して、詳細な説明は省略する。
Since the
図10は、レーザ干渉計53およびロボット20における干渉計座標系、付加軸座標系およびロボット座標系を模式的に示す図である。図11は、ツール30がスライド変位および角変位していない静止状態で、ツール30の基準点の位置および姿勢を検出する方法を説明するための図である。ツール30がスライド変位および角変位していない静止状態で、ツール30の基準点の位置および姿勢を検出する方法を以下に説明する。
FIG. 10 is a diagram schematically showing an interferometer coordinate system, an additional axis coordinate system, and a robot coordinate system in the
演算部58は、予め定める第1静止角度位置M1にターゲット51を配置することを示す回転制御信号を回転駆動部52に与える。回転駆動部52は、前記回転制御信号に基づいて、ターゲット51を付加軸線L52まわりに回転させて第1静止角度位置M1に配置する。このときレーザ干渉計53は、第1静止角度位置M1に配置されるターゲット51と測距位置との距離を測定するとともに、レーザ光の射出方向を検出する。測距処理部54は、測定された距離および検出された射出方向に基づいて、第1静止角度位置M1に配置されるターゲット51の干渉計座標系の第1静止位置の干渉計座標系における座標を求める。
The
続いて演算部58は、第1静止角度位置M1から予め定める回転方向に90度角変位した角度位置である第2静止角度位置M2にターゲット51を配置することを示す回転制御信号を回転駆動部52に与える。回転駆動部52は、前記回転制御信号に基づいて、ターゲット51を付加軸線L52まわりに回転させて第2静止角度位置M2に配置する。このときレーザ干渉計53は、第2静止角度位置M2に配置されるターゲット51と測距位置との距離を測定するとともに、レーザ光の射出方向を検出する。測距処理部54は、測定された距離および検出された射出方向に基づいて、第2静止角度位置M2に配置されるターゲット51の干渉計座標系の第2静止位置の干渉計座標系における座標を求める。
Subsequently, the
さらに演算部58は、第1静止角度位置M1から前記回転方向に270度角変位した角度位置である第3静止角度位置M3にターゲット51を配置することを示す回転制御信号を回転駆動部52に与える。回転駆動部52は、前記回転制御信号に基づいて、ターゲット51を付加軸線L52まわりに回転させて第3静止角度位置M3に配置する。このときレーザ干渉計53は、第3静止角度位置M3に配置されるターゲット51と測距位置との距離を測定するとともに、レーザ光の射出方向を検出する。測距処理部54は、測定された距離および検出された射出方向に基づいて、第3静止角度位置M3に配置されるターゲット51の干渉計座標系の第3静止位置の干渉計座標系における座標を求める。
Further, the
このようにターゲット51の3つの静止角度位置M1〜M3における干渉計座標系の同一直線上に並ばない3つの静止位置が求められたので、測距処理部54は、3つの第1〜第3静止位置を含む平面を求めるとともに、これら3つの静止位置およびターゲット51の回転半径から回転中心を決定して、前記回転中心から第1静止位置に向かう第1基底ベクトルVx、前記回転中心から第2静止位置に向かう第2基底ベクトルVy、および前記回転中心から前記平面に垂直な方向に向かう第3基底ベクトルVzを求める。このようにして前記回転中心すなわち基準点を座標原点とし、互いに直交する第1〜第3基底ベクトルVx,Vy,Vzによって構成されるターゲット座標系が求められる。これによってターゲット座標系の干渉計座標系に対する傾斜がわかるので、また、ロボット座標系と干渉計座標系との関係も既知であるので、ツール30の絶対姿勢を求めることができる。
As described above, since the three stationary positions that are not aligned on the same straight line of the interferometer coordinate system at the three stationary angular positions M1 to M3 of the
ここで万一、レーザ干渉計53が、前記第1〜第3角度位置M1〜M3に配置されるターゲット51にレーザ光を入射させることができなくても、前記第1〜第3角度位置M1〜M3以外の同一直線上に無い3つの角度位置にターゲット51を配置して、これらの角度位置に配置されるターゲット51の干渉計座標系における第1〜第3位置を求めることができる。これによって測距処理部54は、この干渉計座標系における第1〜第3位置である3つの位置を含む平面を求めるとともに、これら3つの位置およびターゲット51の回転半径から回転中心を求めて、前記回転中心を座標原点とし、互いに直交する第1〜第3基底ベクトルVx,Vy,Vzを求めて、ターゲット座標系を求めることができる。
Here, even if the
図12は、ツール30がスライド変位および角変位している動作状態で、ツール30の基準点の位置および姿勢を検出する方法を説明するための図である。ツール30がスライド変位および角変位している動作状態で、ツール30の基準点の位置および姿勢を検出する方法を以下に説明する。 FIG. 12 is a diagram for explaining a method of detecting the position and posture of the reference point of the tool 30 in the operation state in which the tool 30 is slid and angularly displaced. A method for detecting the position and orientation of the reference point of the tool 30 in the operation state in which the tool 30 is slid and angularly displaced will be described below.
演算部58は、ロボット20のツール30のスライド速度よりも充分に速い回転速度でターゲット51を回転することを示す回転制御信号を回転駆動部52に与える。回転駆動部52は、前記回転制御信号に基づいて、ツール30のスライド速度よりも充分に速い回転速度でターゲット51を付加軸線L52まわりに回転させる。ターゲット51が、ツール30のスライド速度よりも充分に速い回転速度で付加軸線L52まわりに回転することによって、所定の時間間隔となる複数、本実施の形態では3つの時刻におけるターゲット51の3つの位置が、近似的に、3つの時刻のうちの最も最近の時刻における付加軸線L52に垂直な平面上に存在する。図12は、理解を容易にするために、3つの角度位置D1〜D3が重ならないように、それぞれ異なる平面(付加軸線L52に垂直な平面)上に存在しているように表記しているが、実際には、矢符Cの方向には、ほとんど間隔をあけていない。
The
レーザ干渉計53は、前述の所定の時間間隔で、回転しているターゲット51と測距位置との距離を測定するとともに、レーザ光の射出方向を検出する。そして測距処理部54は、測定された距離および検出された射出方向に基づいて、測定された各時刻におけるターゲット51の干渉計座標系における座標を求める。
The
ある測定時刻tiにおけるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を求めるためには、前記測定時刻tiを含む3つの時刻におけるターゲット51の干渉計座標における座標が必要である。本実施の形態では、測定時刻tiと、前記測定時刻tiよりも所定の時間間隔だけ過去の第1過去時刻ti−1と、前記第1過去時刻ti−1よりも所定の時間間隔だけ過去の第2過去時刻ti−2とにおけるターゲット51の干渉計座標における座標を用いる。
In order to obtain the absolute position and the absolute posture of the reference point of the tool 30 at a certain measurement time t i, the coordinates in the interferometer coordinates of the
測定時刻tiにおいて、ターゲット51は、予め定める基準角度位置Wから前記回転方向に第1角度θiだけ角変位した第1回転角度位置D1にあるとする。また第1過去時刻ti−1において、ターゲット51は、基準角度位置Wから前記回転方向に第2角度θi−1だけ角変位した第2回転角度位置D2にあるとする。さらに第2過去時刻ti−2において、ターゲット51は、基準角度位置Wから前記回転方向に第3角度θi−2だけ角変位した第3回転角度位置D3にあるとする。
At the measurement time t i , the
レーザ干渉計53および測距処理部54によって、各時刻ti−2,ti−1,tiにおけるターゲット51の各回転角度位置D1〜D3の干渉計座標系における座標が求められる。前述のように、これらの3つの座標は、近似的に、測定時刻tiにおける付加軸線L52に垂直な平面上に存在する。したがって、これらの3つの座標は、同一直線上に並ばないので、測距処理部54は、これら3つの座標を含む円周を有する円の中心の干渉計座標系における座標を求める。この円の中心の座標が、ターゲット51の回転中心であり、すなわちツール30の基準点の干渉計座標系の座標である。ロボット座標系と干渉計座標系との関係は既知であるので、ツール30の基準点の絶対位置を求めることができる。
The
また測距処理部54は、前述の3つの座標を含む平面を求めるとともに、前記3つの座標と、ターゲット51の回転速度と、所定の時間間隔と、第1〜第3角度θi〜θi−2とに基づいて、基準角度位置Wの干渉計座標系における座標を求める。さらに測距処理部54は、前記回転中心から基準角度位置Wに向かう第1基底ベクトルVx、前記回転中心から前記平面に平行であって、前記第1基底ベクトルVxに回転方向に角度90度を成す第2基底ベクトルVy、および前記回転中心から前記平面に垂直な方向に向かう第3基底ベクトルVzを求める。このようにして前記回転中心すなわち基準点を座標原点とし、互いに直交する第1〜第3基底ベクトルVx,Vy,Vzによって構成されるターゲット座標系が求められる。これによってターゲット座標系の干渉計座標系に対する傾斜がわかるので、また、ロボット座標系と干渉計座標系との関係も既知であるので、ツール30の絶対姿勢を求めることができる。
The
このようにロボット20のツール30のスライド速度よりも充分に速い回転速度でターゲット51を回転させることによって、たとえば、ターゲット51と回転中心との距離を100ミリメートルとし、ロボット20のツール30が1ミリメートルだけスライド変位する間に、ターゲット51が角度90度だけ回転するようにすれば、tan−1(1/100)≒0.5度の精度で、ツール30の絶対姿勢を求めることができる。
Thus, by rotating the
以上のように本実施の形態の位置姿勢検出装置50によれば、レーザ干渉計53によって、ロボット座標系における絶対位置が把握されている測距位置から、ツール30に設けられ、回転駆動部52によって付加軸線L52まわりに回転するターゲット51までの距離が測定されるとともにレーザ光の射出方向が検出される。測距処理部54によって、レーザ干渉計53によって測定された距離および検出されたレーザ光の射出方向に基づいて、ロボット座標系におけるツール30に設定された基準点の絶対位置およびツール30の絶対姿勢が求められる。ターゲット51が角変位することによって、レーザ干渉計53は、ロボット座標系における絶対位置が把握されている測距位置から、互いに異なる3つの角度位置に配置されるターゲット51までの距離を測定するとともに、レーザ光の射出方向を検出することができる。このとき、たとえばターゲット51の互いに異なる3つの位置が同一直線上に並ばない場合、この3つの位置を含む平面を容易に求めて、その平面の法線を決定して、ターゲット51を基準とするターゲット座標系を求めることができる。したがってロボット座標系、干渉計座標系およびターゲット座標系に基づいて、ロボット座標系におけるツール30に設定された基準点の絶対位置およびツール30の絶対姿勢を容易かつ正確に求めることができる。さらにツール30に設けられるジャイロセンサ15および加速度センサ16によって、ツール30の相対スライド変位および相対角変位が検出される。
As described above, according to the position / orientation detection apparatus 50 according to the present embodiment, the
演算部58によって、測距処理部54からのツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢と、ジャイロセンサ15および加速度センサ16からのツール30の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、ツール30の基準点の位置および姿勢が求められる。これによって、たとえば測距処理部54によって求められるツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出されるツール30の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、測距処理部54はツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲット51がレーザ干渉計53の死角領域に入ってしまった場合、演算部58は、測距処理部54によってツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、ジャイロセンサ15および加速度センサ16によって検出されるツール30の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、ツール30の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように測距処理部54ならびにジャイロセンサ15および加速度センサ16からのツール30の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびにツール30の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度なツール30の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。
Based on the absolute position and absolute posture of the reference point of the tool 30 from the distance
また本実施の形態のロボットの位置および姿勢検出装置50によれば、演算部58からの高精度のツール30の基準点の位置および姿勢に基づいて、ツール30のスライド変位および角変位を高精度に制御することができる。
Further, according to the robot position and orientation detection device 50 of the present embodiment, the slide displacement and the angular displacement of the tool 30 are highly accurate based on the position and orientation of the reference point of the highly accurate tool 30 from the
本実施の形態のロボットの位置および姿勢検出装置50において、ロボット20の動作中においてツール30の姿勢がほとんど変化しない場合、ロボット20の動作領域内に複数の予め定める待機点を設定して、各待機点においてロボット20の動作が停止しているときに、ターゲット51を回転させてツール30の姿勢を求めるようにしてもよい。
In the robot position and orientation detection device 50 according to the present embodiment, when the posture of the tool 30 hardly changes during the operation of the
本実施の形態のロボットの位置および姿勢検出装置50において、ターゲット距離測定手段はレーザ干渉計51としたけれども、これに限ることなく、たとえばCCDを有する2台のカメラでもよい。
In the robot position and orientation detection device 50 according to the present embodiment, the target distance measuring means is the
本発明は、次の実施の形態が可能である。
(1)同一直線上に並ばない3個のターゲットを有し、可動体に設けられるターゲットユニットと、
予め定める座標系における絶対位置が把握されている撮像位置からターゲットユニットを撮影して、ターゲットユニットの画像を表す画像データを生成する複数の撮影手段と、
撮影手段からの画像データに基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を求める第1検出手段と、
可動体に設けられ、可動体の相対スライド変位および相対角変位を検出する第2検出手段と、
第1検出手段からの基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、基準点の位置および可動体の姿勢を求める演算手段を備えることを特徴とする可動体の位置および姿勢検出装置。
The following embodiments are possible for the present invention.
(1) A target unit having three targets that are not arranged on the same straight line and provided on the movable body;
A plurality of photographing means for photographing a target unit from an imaging position in which an absolute position in a predetermined coordinate system is grasped and generating image data representing an image of the target unit;
First detection means for obtaining an absolute position of a reference point set on the movable body in the coordinate system and an absolute posture of the movable body based on image data from the photographing means;
A second detection means provided on the movable body for detecting relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body;
Calculation means for obtaining the position of the reference point and the posture of the movable body based on the absolute position and absolute posture of the reference point from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means. A position and orientation detection device for a movable body comprising:
複数の撮影手段によって、予め定める座標系における絶対位置が把握されている撮像位置から、同一直線上に並ばない3個のターゲットを有し、可動体に設けられるターゲットユニットが撮影され、ターゲットユニットの画像を表す画像データが生成される。撮影手段が複数、たとえば2個あれば、ターゲットユニットを両眼立体視することができる。また撮影手段を、3個以上にすることによって、可動体のスライド変位および角変位によって、各ターゲットが撮影手段の死角領域に入ってしまうことを可及的に防止することができる。 A target unit having three targets that are not aligned on the same straight line from the imaging position in which the absolute position in a predetermined coordinate system is grasped by a plurality of imaging units is imaged, and the target unit Image data representing an image is generated. If there are a plurality of imaging means, for example, two, the target unit can be binocularly viewed. Further, by using three or more photographing means, it is possible to prevent as much as possible each target from entering the blind spot area of the photographing means due to the slide displacement and the angular displacement of the movable body.
第1検出手段によって、撮影手段からの画像データに基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢が求められる。このときターゲットユニットにおいて、3個のターゲットは同一直線上に並ばないので、この3個のターゲットを含む平面を容易に求めて、その平面の法線を求めて、ターゲットを基準とするターゲット座標系を求めることができる。したがって予め定める座標系とターゲット座標系とに基づいて、前記予め定められる座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を容易かつ正確に求めることができる。さらに可動体に設けられる第2検出手段によって、可動体の相対スライド変位および相対角変位が検出される。 The first detection means obtains the absolute position of the reference point set on the movable body in the coordinate system and the absolute posture of the movable body based on the image data from the photographing means. At this time, in the target unit, since the three targets are not arranged on the same straight line, a plane including these three targets is easily obtained, a normal of the plane is obtained, and a target coordinate system based on the target is obtained. Can be requested. Therefore, based on the predetermined coordinate system and the target coordinate system, the absolute position of the reference point set on the movable body and the absolute posture of the movable body in the predetermined coordinate system can be easily and accurately obtained. Furthermore, relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body are detected by the second detection means provided on the movable body.
演算手段によって、第1検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、可動体の基準点の位置および可動体の姿勢が求められる。これによって、たとえば第1検出手段によって求められる可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、第1検出手段は可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲットユニットが各撮影手段の死角領域に入ってしまった場合、演算手段は、第1検出手段によって可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、可動体の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように演算手段は、2つの検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびに可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度な可動体の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。 Based on the absolute position and absolute attitude of the reference point of the movable body from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means, the calculation means calculates the reference point of the movable body. The position and the posture of the movable body are required. Thereby, for example, although the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body obtained by the first detection means are more accurate than the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means, If the first detection means cannot continuously obtain the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body, or if the target unit has entered the blind spot area of each imaging means, the calculation means Until the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body are obtained by the first detection means, the reference point of the movable body is determined based on the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means. Can be determined. In this way, the calculation means can calculate the reference point of the movable body with extremely high accuracy based on the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body from the two detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body. The position and posture can be obtained continuously.
たとえば第1検出手段によって求められる可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、第1検出手段は可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲットユニットが各撮影手段の死角領域に入ってしまった場合、演算手段は、第1検出手段によって可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、可動体の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように演算手段は、2つの検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびに可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度な可動体の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。 For example, although the absolute position and the absolute posture of the reference point of the movable body obtained by the first detection means are more accurate than the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means, the first detection If the means cannot continuously determine the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body, or if the target unit has entered the blind spot area of each imaging means, the computing means Until the absolute position and the absolute posture of the reference point of the movable body are obtained by the detection means, the position of the reference point of the movable body and the relative angular displacement are detected based on the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means. You can ask for posture. In this way, the calculation means can calculate the reference point of the movable body with extremely high accuracy based on the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body from the two detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body. The position and posture can be obtained continuously.
(2)可動体に設けられるターゲットと、
ターゲットを予め定める軸線まわりに角変位駆動する駆動手段と、
予め定める座標系における絶対位置が把握されている測距位置からターゲットまでの距離を測定するターゲット距離測定手段と、
ターゲット距離測定手段によって測定された距離に基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を求める第1検出手段と、
可動体に設けられ、可動体の相対スライド変位および相対角変位を検出する第2検出手段と、
第1検出手段からの基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、基準点の位置および可動体の姿勢を求める演算手段を備えることを特徴とする可動体の位置および姿勢検出装置。
(2) a target provided on the movable body;
Driving means for driving the target to be angularly displaced about a predetermined axis;
A target distance measuring means for measuring a distance from the distance measuring position to which the absolute position in a predetermined coordinate system is known;
First detection means for determining an absolute position of a reference point and an absolute posture of the movable body set on the movable body in the coordinate system based on the distance measured by the target distance measurement means;
A second detection means provided on the movable body for detecting relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body;
Calculation means for obtaining the position of the reference point and the posture of the movable body based on the absolute position and absolute posture of the reference point from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means. A position and orientation detection device for a movable body comprising:
ターゲット距離測定手段によって、予め定める座標系における絶対位置が把握されている測距位置から、可動体に設けられ、駆動手段によって予め定める軸線まわりに角変位するターゲットまでの距離が測定される。第1検出手段によって、ターゲット距離測定手段によって測定された距離に基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢が求められる。ターゲットが角変位することによって、ターゲット距離測定手段は、予め定める座標系における絶対位置が把握されている測距位置から、互いに異なる角度位置に配置されるターゲットまでの距離を、測定することができる。このとき、たとえばターゲットの同一直線上に並ばない3つの角度位置を設定すれば、この3つの角度位置を含む平面を容易に求めて、その平面の法線を求めて、ターゲットを基準とするターゲット座標系を求めることができる。したがって予め定める座標系とターゲット座標系とに基づいて、前記予め定められる座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を容易かつ正確に求められる。さらに可動体に設けられる第2検出手段によって、可動体の相対スライド変位および相対角変位が検出される。 The target distance measuring means measures the distance from the distance measuring position at which the absolute position in the predetermined coordinate system is grasped to the target provided on the movable body and angularly displaced around the predetermined axis by the driving means. Based on the distance measured by the target distance measuring unit, the absolute position of the reference point set on the movable body in the coordinate system and the absolute posture of the movable body are obtained by the first detection unit. When the target is angularly displaced, the target distance measuring means can measure the distance from the distance measuring position at which the absolute position in the predetermined coordinate system is known to the target arranged at different angular positions. . At this time, for example, if three angular positions that are not aligned on the same straight line of the target are set, a plane including these three angular positions can be easily obtained, a normal line of the plane is obtained, and a target based on the target is obtained. A coordinate system can be obtained. Therefore, based on the predetermined coordinate system and the target coordinate system, the absolute position of the reference point set on the movable body and the absolute posture of the movable body in the predetermined coordinate system can be obtained easily and accurately. Furthermore, relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body are detected by the second detection means provided on the movable body.
演算手段によって、第1検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、可動体の基準点の位置および可動体の姿勢が求められる。これによって、たとえば第1検出手段によって求められる可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、第1検出手段は可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲットがターゲット距離測定手段の死角領域に入ってしまった場合、演算手段は、第1検出手段によって可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、可動体の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように演算手段は、2つの検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびに可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度な可動体の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。 Based on the absolute position and absolute attitude of the reference point of the movable body from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means, the calculation means calculates the reference point of the movable body. The position and the posture of the movable body are required. Thereby, for example, although the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body obtained by the first detection means are more accurate than the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means, If the first detection means cannot continuously obtain the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body, or if the target has entered the blind spot area of the target distance measurement means, the calculation means Until the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body are obtained by the first detection means, the reference point of the movable body is determined based on the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means. Can be determined. In this way, the calculation means can calculate the reference point of the movable body with extremely high accuracy based on the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body from the two detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body. The position and posture can be obtained continuously.
たとえば第1検出手段によって求められる可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位よりも高精度であるけれども、第1検出手段は可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢を連続的に求めることができない場合、または、万一、ターゲットがターゲット距離測定手段の死角領域に入ってしまった場合、演算手段は、第1検出手段によって可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢が求められるまでは、第2検出手段によって検出される可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、可動体の基準点の位置および姿勢を求めることができる。このように演算手段は、2つの検出手段からの可動体の基準点の絶対位置および絶対姿勢、ならびに可動体の相対スライド変位および相対角変位に基づいて、極めて高精度な可動体の基準点の位置および姿勢を連続的に求めることができる。 For example, although the absolute position and the absolute posture of the reference point of the movable body obtained by the first detection means are more accurate than the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means, the first detection If the means cannot continuously determine the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body, or if the target has entered the blind spot area of the target distance measuring means, the computing means Until the absolute position and the absolute posture of the reference point of the movable body are obtained by the detection means, the position of the reference point of the movable body and the relative angular displacement are detected based on the relative slide displacement and the relative angular displacement of the movable body detected by the second detection means. You can ask for posture. In this way, the calculation means can calculate the reference point of the movable body with extremely high accuracy based on the absolute position and absolute posture of the reference point of the movable body from the two detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body. The position and posture can be obtained continuously.
(3)演算手段からの可動体の基準点の位置および可動体の姿勢に基づいて、可動体のスライド変位および角変位を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする可動体の位置および姿勢検出装置。 (3) The position and orientation of the movable body further comprising control means for controlling slide displacement and angular displacement of the movable body based on the position of the reference point of the movable body and the posture of the movable body from the calculation means. Detection device.
演算手段からの高精度の可動体の基準点の位置および可動体の姿勢に基づいて、可動体のスライド変位および角変位を高精度に制御することができる。 The slide displacement and angular displacement of the movable body can be controlled with high accuracy based on the position of the reference point of the movable body with high accuracy and the posture of the movable body from the calculation means.
10,50 位置姿勢検出装置
11 ターゲットユニット
31,32,33,34;51 ターゲット
13 カメラ
14 画像処理部
15 ジャイロセンサ
16 加速度センサ
18,58 演算部
19 ロボット制御部
30 ツール
52 回転駆動部
53 レーザ干渉計
54 測距処理部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 50 Position and
Claims (3)
予め定める座標系における絶対位置が把握されている撮像位置からターゲットユニットを撮影して、ターゲットユニットの画像を表す画像データを生成する複数の撮影手段と、
撮影手段からの画像データに基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を求める第1検出手段と、
可動体に設けられ、可動体の相対スライド変位および相対角変位を検出する第2検出手段と、
第1検出手段からの基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、基準点の位置および可動体の姿勢を求める演算手段を備えることを特徴とする可動体の位置および姿勢検出装置。 A target unit that has three targets that are not aligned on the same straight line and is provided on the movable body;
A plurality of photographing means for photographing a target unit from an imaging position in which an absolute position in a predetermined coordinate system is grasped and generating image data representing an image of the target unit;
First detection means for obtaining an absolute position of a reference point set on the movable body in the coordinate system and an absolute posture of the movable body based on image data from the photographing means;
A second detection means provided on the movable body for detecting relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body;
Calculation means for obtaining the position of the reference point and the posture of the movable body based on the absolute position and absolute posture of the reference point from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means. A position and orientation detection device for a movable body comprising:
ターゲットを予め定める軸線まわりに角変位駆動する駆動手段と、
予め定める座標系における絶対位置が把握されている測距位置からターゲットまでの距離を測定するターゲット距離測定手段と、
ターゲット距離測定手段によって測定された距離に基づいて、前記座標系における可動体に設定された基準点の絶対位置および可動体の絶対姿勢を求める第1検出手段と、
可動体に設けられ、可動体の相対スライド変位および相対角変位を検出する第2検出手段と、
第1検出手段からの基準点の絶対位置および絶対姿勢と、第2検出手段からの可動体の相対スライド変位および相対角変位とに基づいて、基準点の位置および可動体の姿勢を求める演算手段を備えることを特徴とする可動体の位置および姿勢検出装置。 A target provided on the movable body;
Driving means for driving the target to be angularly displaced about a predetermined axis;
A target distance measuring means for measuring a distance from the distance measuring position to which the absolute position in a predetermined coordinate system is known;
First detection means for determining an absolute position of a reference point and an absolute posture of the movable body set on the movable body in the coordinate system based on the distance measured by the target distance measurement means;
A second detection means provided on the movable body for detecting relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body;
Calculation means for obtaining the position of the reference point and the posture of the movable body based on the absolute position and absolute posture of the reference point from the first detection means and the relative slide displacement and relative angular displacement of the movable body from the second detection means. A position and orientation detection device for a movable body comprising:
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