JP2001088066A

JP2001088066A - ロボット制御装置

Info

Publication number: JP2001088066A
Application number: JP27225199A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Itaya; 敏郎板谷; Atsushi Nohara; 敦野原
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2001-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】教示点の姿勢を加工線回りに回転可能なロボ
ット制御装置を提供する。【解決手段】教示された２つの加工点（教示点Ｐ０，
Ｐ１）を結ぶ加工線のベクトルＶａ１を求め（Ｓ５
４）、指定された角度αだけ加工線のベクトルＶａ１を
中心軸としてワークＷを回転するための姿勢を求める
（Ｓ５６）。このため、教示点の姿勢を加工線回りに回
転することが可能となり、教示・修正時間を大幅に短縮
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ワークを加工す
る工業用ロボットの制御装置に関し、特に工具を保持す
る工具ロボットと、ワークを把持する治具ロボットとを
同時に制御するロボット制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アーク溶接やシーリング作業において
は、溶接によって形成されるビードやシーリングによっ
て形成されるシーラが、ワークの設置状態によって重力
の影響を受けるとビードやシーラがその場で留まらず、
流れ出してビード形状やシーラ塗布形状が変化してしま
い品質が低下してしまう恐れがある。このため、アーク
溶接やシーリングを２台のロボットの協調作業により行
い、高品質化を図ろうとする図９に示すようなシステム
がある。かかるシステムは、ワークＷを把持する治具ロ
ボット５０と、溶接トーチを保持した工具ロボット６０
の２台の多関節６軸ロボットを対向配置し、アーク溶接
溶融池が重力によって垂れないようにワークＷの姿勢を
制御しながら、溶接トーチＴとワークＷの相対軌跡と速
度とを制御して加工している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
に示すように、ワークＷとトーチＴとを加工線Ｋに沿っ
て相対的に移動させると共に、アーク溶接溶融池が重力
によって垂れないように一定のワークＷの姿勢を制御さ
せようとする場合、２台のロボットを操作しながら教示
しなければならず、この教示には長時間を要するばかり
か、熟練技能を有する者でも、一定のワーク姿勢を維持
させることが難しかった。

【０００４】即ち、トーチＴのワークＷとの角度を一定
に維持しながら姿勢を変えるためには、ワーク上の加工
線Ｋ回りに姿勢を変えていく必要がある。しかし、ロボ
ットは、基準座標軸、又は、制御点に設定された工具軸
座標系の座標軸のいずれかしか回転軸とし得ない。ここ
で、図１０中に示すように、ロボットを工具座標軸に回
転させると、加工線ＫがＫ’で示すように変わってしま
う。このため、工具座標軸で回転させる場合、変化した
加工線Ｋ’回りに新たな教示点を与える必要があり、こ
の作業を繰り返すのに時間がかかり、熟練技能を有する
ものが行っても一定のワーク姿勢が維持できず、溶接の
質が低下することがあった。

【０００５】本発明は、上述した課題を解決するために
なされたものであり、その目的とするところは、教示点
の姿勢を加工線回りに回転可能なロボット制御装置を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明は、工具を保持し、少なくとも当該工具の
位置を変え得る工具ロボットと、ワークを把持し、少な
くとも当該ワークの姿勢を変え得る治具ロボットとを制
御して協調作業を行わしめワークを加工するロボット制
御装置であって、教示された２つの加工点を結ぶ加工線
のベクトルを求めるベクトル算出手段と、指定された角
度だけ前記加工線のベクトルを中心軸としてワークを回
転するための姿勢を求める姿勢算出手段と、を備えるこ
と技術的特徴とする。

【０００７】本発明では、教示された２つの加工点を結
ぶ加工線のベクトルを求め、指定された角度だけ加工線
のベクトルを中心軸としてワークを回転するための姿勢
を求める。このため、教示点の姿勢を加工線回りに回転
することが可能となる。

【０００８】請求項２では、工具ロボットの始点データ
を治具ロボットの座標系に置き換えたデータＴｇ１の位
置ベクトルと、治具ロボットの始点のデータＧ１、及
び、治具ロボットの治具制御点からみたワーク上の終点
の座標ｆ２より得られたワーク上の加工終了位置Ｗ２の
位置ベクトルとから、加工線のベクトルＶａ１を求める
ことができる。

【０００９】請求項３では、前記工具ロボットは、工具
の位置のみを変え、治具ロボット側で姿勢を変えるた
め、当該治具ロボットでワークを加工線のベクトルを中
心軸として回転するための姿勢を容易に求めることがで
きる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施形態に係
るロボット制御装置について図を参照して説明する。図
１は本発明の実施形態に係るアーク溶接に用いるロボッ
トの全体構成を示す斜視図である。立設されているコラ
ムベース１１の立面の上側に工具ロボット（溶接ロボッ
ト）１２を、また、下側に治具ロボット（ワーク把持ロ
ボット）１３を配置し、上記コラムベース１１と並設さ
れた制御装置３８によって上記２台のアーク溶接用の工
具ロボット１２と治具ロボット１３とを協調作業させる
ようにしたものである。

【００１１】上側の工具ロボット１２は、コラムベース
１１の立面に基台１４が固定され、この基台１４に固定
されている固定アーム１５に鉛直軸線の第１軸１７によ
り水平旋回する第１アーム１６と、この第１アーム１６
に水平軸線の第２紬１９により上下旋回する第２アーム
１８と、この第２アーム１８に鉛直軸線の第３軸２１に
より水平旋回する工具把持アーム２０とから構成されて
おり、上記工具把持アーム２０には溶接トーチＴを把持
している。上記第２アーム１８にはリンク２２が第２ア
ーム１８と平行に設けられており、第２アーム１８の上
下旋回時に上記溶接トーチＴが常に鉛直方向姿勢を保つ
よう工具把持アーム２０を制御するものである。

【００１２】下側の治具ロボット１３は、上記工具ロボ
ット１２の基台１４の下方のコラムベース１１の立面に
基台２３が固定され、この基台２３に鉛直軸線の第１軸
２５により水平旋回し、かつこの第１軸２５と交差する
水平軸線の第２軸２６により上下旋回する第１アーム２
４と、この第１アーム２４に鉛直軸線の第３軸２８によ
り水平旋回し、かつこの第３軸２８と交差する水平軸線
の第４軸２９（第１水平軸線）により水平旋回する第２
アーム３０と、この第２アーム３０のフランジＦにワー
ク取付台３４が取付けられたボジショナ３３とから構成
されている。この治具ロボット１３の第１アーム２４に
もリンク３７が設けられており、第１アーム２４の上下
旋回時に第２アーム３０との結合部を常に水平姿勢を保
つようにしている。

【００１３】上記ポジショナ３３は、上記第４軸２９の
軸線に対し４５°の角度で第２アーム３０の前方に傾斜
し、上記第４紬２９により水平軸線（第１水平軸線）回
りに旋回するポジショナ第１アーム３５と、このポジシ
ョナ第１アーム３５に設けられ、上記第４軸２９の軸線
（第１水平軸線）に対し４５°の角度で第２アーム３０
側に傾斜した軸線の第５軸３２の軸線（第２水平軸線）
回りに旋回するポジショナ第２アーム３６と、上記第４
軸２９の軸線（第１水平軸線）と上記第５軸２２の軸線
（第２水平軸線）の交点Ｐを通り、かつ上記第５軸３２
の軸線（第２水平軸線）に対し４５°の角度の第６軸３
１の軸線で（第３水平軸線）回りに旋回するフランジＦ
を備えている。このフランジＦには上記ワーク取付台３
４が取付けられている。

【００１４】上記ポジショナ第１アーム３５は、その全
体を第４軸２９の水平軸線に対し４５°の角度で前方に
傾斜させたものに限定されるものではなく、上記第４軸
２９の水平軸線に対し直交して延在させ、ポジショナ第
２アーム３６との結合部を第４軸２９の水平軸線に対し
４５°の角度で前方に屈曲した形状でも良い。

【００１５】上記ワーク取付台３４は、ワークＷ（図示
せず）をクランプ、アンクランプするクランパ（図示せ
ず）が設けられており、このクランパによってクランプ
されたワークＷは溶接したい箇所を工具ロボット１２の
溶接トーチＴによって溶接加工される。

【００１６】下側の治具ロボット１３は、ワークＷの作
業領域への搬入、搬出動作を行い、溶接加工作業時には
ワークの姿勢を制御して溶接部位を重力方向に対して常
にある姿勢、例えば、溶接トーチＴに対してワークの溶
接部位が鉛直状態の姿勢となるように、あるいは、溶接
部位が溶接トーチＴの前進方向または後退方向に少し傾
いた姿勢となるようにワークの姿勢を一定に保つように
制御し、上側の工具ロボット１２と協調して作業を行う
ものである。

【００１７】すなわち、下側の６軸の治具ロボット１３
はワークＷの３次元空間内の移動と姿勢の自由度を有
し、上側の工具ロボット１２は溶接トーチＴが常に鉛直
方向に姿勢を固定された状態で３次元空間内の移動の自
由度を有してワークを溶接加工する。従って、下側のワ
ークの溶接部位が溶接トーチＴに対して鉛直状態の姿勢
となるよう制御することにより、このワークに対し上側
から常に鉛直方向姿勢の溶接トーチＴによって、アーク
溶接溶融池が重力により垂れることなく溶接部位に留ま
った状態で溶接することができる。

【００１８】そこで、本発明はポジショナ３３によって
ワーク取付台３４上にクランプされているワークＷを、
点Ｐを基準に３６０°全方向の姿勢変換を可能とするも
のである。

【００１９】すなわち、上記第４軸２９（第１水平軸
線）の軸線回りに回転する第２アーム３０によって上記
第４軸２９（第１水平軸線）の軸線回りに旋回するポジ
ショナ第１アーム３５の旋回動と、上記第４軸２９の軸
線（第１水平軸線）に対し４５°の角度で第２アーム３
０側に傾斜した軸線の上記第５軸３２の軸線（第２水平
軸線）回りに旋回するポジショナ第２アーム３６の旋回
動と、上記第４軸２９の軸線（第１水平軸線）と上記第
５軸３２の軸線（第２水平軸線）の交点である点Ｐを通
りかつ上記第５軸３２の軸線（第２水平軸線）に対し４
５°の角度の第６軸３１の軸線（第３水平軸線）回りに
旋回するワーク取付台３４の回転との相合作用によりワ
ーク取付台３４のワークＷは、点Ｐを基準に３６０°全
方向に姿勢を変換する。

【００２０】引き続き、第１実施形態のロボット制御装
置への加工点の教示及び加工動作について説明する。図
７の工程表に示すように、先ず、姿勢を一定にしたまま
ポイント教示とプログラムを行う（Ｓ１２）。即ち、図
示しないオペレーションボックスを操作して治具ロボッ
ト１３を制御し、図２に示すように工具ロボット１２の
トーチＴ先端にワークＷの加工点Ｐ０を合わせることで
加工点Ｐ０を教示し、当該姿勢を維持したまま、次加工
点Ｐ１を教示する。そして、Ｐ１に続くＰ２以降の各教
示点を順次教示して行く。次に、加工線ベクトルのまわ
りに姿勢変換を行いたい範囲を指定する（Ｓ１４）。例
えば、教示点Ｐ０からＰ３の範囲でワークの姿勢を維持
したい場合には、当該教示点Ｐ０〜Ｐ３を指定する。そ
して、ワークを傾けたい変換角度を指定する（Ｓ１
６）。

【００２１】これに応じて、ロボット制御装置では、指
定された教示点の範囲で、入力された変換角度を維持で
きるように入力データを変換して制御データを作成する
（Ｓ１８）。

【００２２】そして、変換された制御データに基づき、
治具ロボット１３及び工具ロボット１２を動作させて動
作確認を行う（Ｓ２０）。動作が良好な場合には（Ｓ２
２：Ｙｅｓ）、当該制御データに基づき加工運転を開始
する（Ｓ２４）。他方、動作が良好でないときには（Ｓ
２２：Ｎｏ）、前記Ｓ１２のステップに戻る。

【００２３】上述した制御装置３８での入力データの変
換について、図８のフローチャートを参照して説明す
る。制御装置３８は、先ず、変換を行う始点・終点を選
択する（Ｓ５２）。例えば、図２中に示す教示点Ｐ０、
Ｐ１を選択する。次に、選択された始点（Ｐ０）・終点
間（Ｐ１）に基づいて加工線のベクトルを求める（Ｓ５
４）。

【００２４】この加工線のベクトルの求め方について、
図３及び図４を参照して説明する。先ず、加工線のベク
トルを求めるために必要なデータとして図３（Ａ）及び
図３（Ｂ）に示す以下がある。ａ）工具ロボット１２の始点のデータ（工具ロボット座標系、トーチ制御点）：Ｔ１ｂ）治具ロボット１３の始点のデータ（治具ロボット座標系、治具ロボット制御点）：Ｇ１ｃ）工具ロボット１２の始点データを治具ロボット１３の座標系に置き換えたデータ（図中に示す工具ロボット１２の座標系と治具ロボット１３の座標系との関係ａより算出）：Ｔｇ１ｄ）工具ロボット１２の終点データ：Ｔ２ｅ）治具ロボット１３の終点データ：Ｇ２ｆ）工具ロボット１２の終点のデータを治具ロボット１３の座標系に置き換えたデータ：Ｔｇ２

【００２５】Ｔｇ１＝Ｇ１＊ｆ１なるｆ１が存在すると
仮定するなら、ｆ１＝Ｇ１^-1＊Ｔｇ１ここで、ｆ１は、治具制御点（座標系）から見たワーク
上の始点の座標。

【００２６】同様に、治具制御点（座標系）から見た終
点の座標ｆ２は、ｆ２＝Ｇ２^-1＊Ｔｇ２となる。ここで求めたｆ１、ｆ２を用いて、始点教示状態でのワ
ーク上の終点の位置を次のように表現する。

【００２７】始点の教示状態で、ワーク上の加工終了位
置（ワーク上での終点：Ｗ２とする（図４参照））は、
Ｗ２＝Ｇ１＊ｆ２と表すことができる。また、Ｔｇ１
が既知であるため、Ｔｇ１とＷ２との位置関係から、加
工線のベクトルＶａ１は次のように算出することができ
る。

【００２８】先ず、上述したＷ２の位置ベクトルを（Ｗ
２x、Ｗ２ｙ、Ｗ２ｚ）とする。一方、Ｔｇ１の位置ベ
クトルを（Ｔｇ１x、Ｔｇ１y、Ｔｇ１ｚ）とすると、加
工線のベクトルＶａ１は、Ｖａ１＝（Ｗ２x−Ｔｇ１x、
Ｗ２ｙ−Ｔｇ１y、Ｗ２ｚ−Ｔｇ１ｚ）として求めるこ
とができる。

【００２９】上述したように加工線のベクトルＶａ１が
求められると、図８に示すステップ５６において、指定
された角度、加工線のベクトルを中心軸としてワークを
回転させる。即ち、上述したＴｇ１を回転中心、Ｖａ１
を回転軸としてＧ１を変換する。ここで、変換角度は、
現状を基準とした相対角度とする。

【００３０】始点は、次の数１により表される。

【００３１】Ｔｇ１の位置ベクトルを（Ｔｇ１x、Ｔｇ
１y、Ｔｇ１ｚ）とすると、始点での加工線のベクトル
Ｖａ１は、Ｖａ１＝（Ｗ２x−Ｔｇ１x、Ｗ２ｙ−Ｔｇ１y、Ｗ２ｚ−Ｔｇ１ｚ）＝（Ｖａ１x、Ｖａ１y、Ｖａ１ｚ）

【００３２】Ｖｔベクトルは、反トーチ方向である。Ｖｒ１＝Ｖｔ×Ｖａ１×：外積より計算し、大きさが
１となるように正規化する。Ｖｔ１＝Ｖａ１×Ｖｒ１より計算し、正規化する。

【００３３】Ｔｇ１の位置を原点とし、ＶｔをＺ軸、Ｖ
ｒ１をＹ軸、Ｖａ１をＸ軸とする座標系は、次の数２に
より表される。

【００３４】ここで、変換指定角度をαとする。変換
は、始点の治具制御点を上記座標系Ｈ基準のポイントに
変換し、それを、Ｙ（Ｖｒ１）軸廻りにΘ１だけ回転
し、結果を元の座標系に戻す。これを式に表すと、最終
結果Ｇ１’は次式のようになる。Ｇ１’＝Ｈ＊｛Ｒｏｔ
（Ｘ、α）＊（Ｈ^-1＊Ｇ１）｝

【００３５】以上により、始点Ｐ０−終点Ｐ１間の姿勢
保持データが算出される。その後、図８に示すステップ
５８にて、次の始点があるかを判断し、更に、姿勢保持
データを作成する始点がある際には（Ｓ５８：Ｙｅ
ｓ）、ステップ５２へ戻り、上記処理を繰り返す。そし
て、全ての処理が終了すると（Ｓ５８：Ｎｏ）、当該変
換データの作成処理を完了する。

【００３６】引き続き、上記データに基づく加工動作に
ついて図５を参照して説明する。ここで、図５（Ａ）
は、ワークの斜視図であり、図５（Ｂ）は、加工線のベ
クトルに沿って回転されたワークの側面図である。図１
に示すように工具ロボット１２がトーチＴを保持し、治
具ロボット１３がワークＷ（図示せず）を把持してい
る。上記作成された制御データに基づき、工具ロボット
１２がトーチＴを鉛直に維持した状態でワークＷ上の教
示点Ｐ０に相当する部位に当てると共に、治具ロボット
１３が教示点Ｐ０−教示点Ｐ１を結ぶ加工線のベクトル
Ｋに沿って上記指定された変換指定角度αに、ワークＷ
の姿勢を変える。そして、工具ロボット１２及び治具ロ
ボット１３が、ワークＷ上の教示点Ｐ１に向かってトー
チＴを相対的に移動させ溶接を行う。

【００３７】本実施形態のロボット制御装置では、変換
指定角度αを指定し、下側のワークの溶接部位を所定の
姿勢となるよう制御することにより、溶接の際に発生し
たアーク溶接溶融池が重力により垂れることなく溶接部
位に留まった状態で溶接することができる。このため、
均質に溶接を行うことができる。

【００３８】本実施形態のロボットでは、ワークの姿勢
を一定にしたまま教示点を教示し、変換指定角度を指定
することでロボット制御装置への入力を完了できるた
め、熟練者でなくとも入力作業を短時間で行うことがで
き、また、正確に変換指定角度を維持することが可能と
なる。

【００３９】なお、本実施形態では、工具ロボット１２
が、トーチＴの位置のみを変え、治具ロボット１３側で
のみ姿勢を変える構成であるため、当該治具ロボット１
３でワークＷを加工線のベクトルＫを中心軸として回転
するための姿勢を容易に求められる。なお、本実施形態
では、ロボットとして、工具ロボットが位置を変え、治
具ロボットが姿勢及び位置を変える例を示したが、治具
ロボットが姿勢のみを変えるロボット、或いは、工具ロ
ボットが位置及び姿勢を変え得るロボットにも本実施形
態の構成は適用可能である。

【００４０】図６は、本実施形態のロボット制御装置の
他の態様を示している。図５を参照して上述した例で
は、ロボット制御装置による溶接を例示した。これに対
して、図６に示す例では、工具ロボット１２がグランイ
ンダＢＭを保持し、ワークＷ端部のバリを取っている。
係る例においても、ワークＷを教示点のベクトルに沿っ
て回転させるよう、ポイントの教示及び変換指定角度の
指定を短時間で行い得る。

【００４１】上述した実施形態では、ロボット制御装置
による溶接、バリ取りを例示したが、例えば、シーリン
グ作業において、接着剤をワーク上に塗布する際にも、
上述した構成を適用することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明のロボット制御装置では、教示さ
れた２つの加工点を結ぶ加工線のベクトルを求め、指定
された角度だけ加工線のベクトルを中心軸としてワーク
を回転するための姿勢を求める。このため、教示点の姿
勢を加工線回りに回転するように変換することが可能と
なり、教示・修正時間を大幅に短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施態様に係るロボットの斜視図である。

【図２】ワーク上での教示点の教示を示す斜視図であ
る。

【図３】図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、加工線のベクトル
の算出方法を示す説明図である。

【図４】加工線のベクトルの算出方法を示す説明図であ
る。

【図５】図５（Ａ）ワークの姿勢調整を示す斜視図であ
り、図５（Ｂ）は側面図である。

【図６】第１実施形態の他の態様で加工されるワークを
示す側面図である。

【図７】第１実施形態のロボット制御装置による作業の
流れを示す工程表である。

【図８】ロボット制御装置のデータ変換の処理を示すフ
ローチャートである。

【図９】従来技術のロボットを示す説明図である。

【図１０】従来技術のロボットへのポイントの教示を示
す説明図である。

【符号の説明】

１１コラムベース１２工具ロボット１３治具ロボット３８制御装置Ｔ溶接トーチＷワークＰ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４教示点Ｋ加工線のベクトル α 変換指定角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工具を保持する工具ロボットと、ワーク
を把持し、少なくとも当該ワークの姿勢を変え得る治具
ロボットとを制御して協調作業を行わしめワークを加工
するロボット制御装置であって、教示された２つの加工点を結ぶ加工線のベクトルを求め
るベクトル算出手段と、指定された角度だけ前記加工線のベクトルを中心軸とし
てワークを回転するための姿勢を求める姿勢算出手段
と、を備えること特徴とするロボット制御装置。
【請求項２】前記ベクトル算出手段は、前記工具ロボットの始点データを前記治具ロボットの座
標系に置き換えたデータＴｇ１の位置ベクトルと、前記治具ロボットの始点のデータＧ１、及び、当該治具
ロボットの治具制御点からみたワーク上の終点の座標ｆ
２より得られたワーク上の加工終了位置Ｗ２の位置ベク
トルとから、加工線のベクトルＶａ１を求めることを特
徴とする請求項１のロボット制御装置。
【請求項３】前記工具ロボットは、工具の位置のみを
変え得ることを特徴とする請求項１又は２のロボット制
御装置。