JP2002301672A - 産業用ロボットの位置制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】冗長性を有する作業対象物に対してロボットの
腕が届く範囲が最大限となるように産業用ロボットの位
置、姿勢を制御する。 【解決手段】６軸以上の自由度を持ち、空間上の直交座
標系で目標制御点（マトリックス：^oＴ_cp）の位置、姿
勢を与えられたとき、^oＴ_cp＝^oＴ_b ^bＴ_w ^wＴ_f ^fＴ_e（^oＴ_b
は３本の基本軸Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３で決定される位置マト
リックス；^bＴ_wは３本の手首軸でとる姿勢マトリック
ス；^wＴ_fは工具の取付けフランジマトリックス；^fＴ_eは
工具のエンドエフェクタマトリックス）の関係からロボ
ットの位置を制御する。この場合^oＴ_b の取り得る位置
集合である、目標の^oＴ_cpの位置を原点としたベクトル
Ｖの冗長軸方向の点Ｐ_vを原点とした円周上で、ロボッ
ト演算原点Ｔ_０からの距離が最小となる点Ｐ_b'を ^oＴ_bの
直交成分となるように目標^oＴ_cpを^oＴ_cp'として求め直
し、この^oＴ_cp'を逆運動学変換し、導出した各関節座標
系の各軸の位置を動作目標とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に産業用ロボ
ットの位置制御方法に関するものであり、特に産業用ロ
ボットにて作業する場合に対象物の円筒物体の把持方向
や溶接トーチ方向など、その方向回りの姿勢に冗長性が
ある場合の産業用ロボットの位置制御に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、産業用ロボットで作業を行う場
合、目標の直交空間上の位置と姿勢は確定しておく必要
がある。円筒物体の把持方向や溶接トーチ方向などの回
りに冗長な軸がある場合は、有利な近接可能状態に基づ
いて６軸の座標を確定する。しかしそれでも作業対象物
の位置、状態が他の作業対象物と変わっているとその作
業対象物にはロボットの腕が届かなくなり、作業の中断
を招くことがあった。このような事態をなくすため冗長
軸回りに姿勢を調整して作業対象物に届くロボットの姿
勢を有利に人手によって決定しようとすると、そのため
の教示作業は煩瑣となる。これを解決しようとして、コ
ンピュータシュミレーションにより届く姿勢を捜す作業
を自動化することが提案され、実施されている。これは
冗長軸回りの全探索手法であって、時間（数秒から数十
秒）を要するという不都合がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、その
ような冗長性を有する作業対象物に対してロボットの腕
が届く範囲が最大限となるようにする産業用ロボットの
位置制御方法を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するには
３つの基本軸で定まるロボットの位置、姿勢を、それの
腕を最大限に延ばせる状態に設定することによってなさ
れる。

【０００５】すなわち、６軸Ｊ１−Ｊ６以上の自由度を
持ち、空間上の直交座標系で目標制御点（マトリック
ス：^oＴ_cp）の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、姿勢（Ｒx，Ｒy，
Ｒz）を与えられたとき、^oＴ_cp＝^oＴ_b ^bＴ_w ^wＴ_f ^fＴ_e（^o
Ｔ_bは３本の基本軸Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３で決定される位置
マトリックス；^bＴ_wは３本の手首軸でとる姿勢マトリッ
クス；^wＴ_fは工具の取付けフランジマトリックス；^fＴ_e
は工具のエンドエフェクタマトリックス）の関係から目
標の各関節座標系の各軸の位置を導出してロボットの位
置を制御する方法において、^oＴ_b の取り得る位置集合
である、目標の^oＴ_{c p}の位置を原点としたベクトルＶの
冗長軸方向の点Ｐ_vを原点とした円周上で、ロボット演
算原点Ｔ_０からの距離が最小となる点Ｐ_b’を^oＴ_b の
直交成分となるように目標^oＴ_cpを^oＴ_cp’として求め直
し、この^oＴ_cp’を逆運動学変換し、導出した各関節座
標系の各軸の位置を動作目標とする。

【０００６】

【作用】本発明により初期設定されたロボットは、標準
状態から外れた作業対象物を検知すると３つの基本軸の
作動によって腕を最大限延ばせるようにロボットの基本
姿勢を変更し、その残りの３つの軸の作動によってその
作業対象物に対処できる。また、本発明により冗長軸回
りの全探索は不要となって初期設定に要する時間は実質
的に短縮される。

【０００７】作業に当たっては作業中にロボットの腕が
届かなくなって作業を中断するという事態は回避され
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】添付図を参照して本発明の実施の
形態を説明する。

【０００９】図１は本発明の位置制御方法を適用できる
産業用ロボットの典型例を示し、図２はこの産業用ロボ
ットの機構構成を示している。このロボットはＲ−Ｐ−
Ｐ−Ｒ−Ｐ−Ｒの一般的ロボットであり、ｊ１からｊ６
軸の自由度がある。図３はこの機構構成と座標系の関係
を示す。作業対象物はベクトルＶの回りならどの方向か
ら掴んでもよいとし、ベクトルＶを冗長軸方向とする。
基本軸（ｊ１−ｊ３）により決定されるマトリックスを
^oＴ_b として ^oＴ_bの直交成分をＰ_bとする。姿勢軸（ｊ
４−ｊ６）により決定されるマトリックス（位置要素は
０）を^bＴ_wとし、^bＴ_w を平行移動して工具取り付けフ
ランジを決定するマトリックスを^wＴ_fとし、フランジか
ら制御点へのエンドエフェクタ （ツール）マトリック
スを^fＴ _eとし、目標点マトリックスを^oＴ_cpとする。

【００１０】尚、図ではツールはグリッパとしている。
本発明の処理を行うことにより^oＴ_{c p}を求め直し、
^oＴ_cp’とし、^oＴ_cp’を逆運動学変換して各軸の関節角
度を求める。図４に^oＴ_cpを制御点としたロボットの座
標系と円Ｃの座標系関連図を、図５に新たな、^oＴ_cp’
を求める処理に関連した座標系説明図を、図６に
^oＴ_cp’を求める処理フローを示す。以下に、その処理
を詳述する。尚、この処理の前に既知なデータは
^oＴ_cp、Ｖ、^wＴ_f、 ^fＴ_eである。

【００１１】 指定された^oＴ_cpへ動作する場合のＰ
_bを以下のように求める。

【００１２】^oＴ_cp＝^oＴ_b ^bＴ_w ^wＴ_f ^fＴ_e である。また
^bＴ_w は末知であるが、直交位置要素は０であるため^o
Ｔ_b ^bＴ_wの直交要素がＰ_bである。このため ^oＴ_b ^bＴ_w＝^oＴ_cp ^fＴ_e ^−１wＴ_f ^−１ _…１） によりＰ_bを導出できる。

【００１３】 Ｐ_bの取り得る円Ｃのマトリックスと
して直交要素が円の中心位置Ｐ_v姿勢行列のｘ方向がＰ_v
Ｐ_bの単位ベクトル、ｚ方向がＶの単位ベクトルである
マトリックス^０Ｔ_vを求める。

【００１４】２−１）Ｐ_b[Ｐ_bx，Ｐ_by，Ｐ_bz]からベク
トルＶへ垂線を降ろしＰ_v[Ｐ_ｖx，Ｐ_ｖy，Ｐ_ｖz]とす
る。

【００１５】２−２）ベクトルＰ_vＰ_bの単位ベクトルを
Ｖ_xとする。

【００１６】 Ｖ_x＝Ｐ_vＰ_b / ｜Ｐ_vＰb｜ …２） ２−３）Ｖの単位ベクトルをＶ_z とする。

【００１７】 Ｖ_z＝Ｖ/｜Ｖ｜ …３） ２−４）Ｖ_zとＶ_xの外積をＶ_yとする。 Ｖ_y＝Ｖ_z×
Ｖ_x ２−５）Ｐ_vを原点として、Ｖ_x，Ｖ_y，Ｖ_zを姿勢行列要
素としたマトリックスを^oＴ_vとする。

【００１８】 ロボット原点から円Ｃへ最も近い点
をＰ_b’とし、Ｐ_b’へ基本軸が動作できる^oＴ_cp’を求
める。^oＴ_cp’は^oＴ_cpと同じ直交位置で姿勢行列要素が
異なる。

【００１９】３−１）ロボット原点から円Ｃを含む平面
へ垂線を降ろした点を求める。^oＴ_ｖから見たロボット
原点Ｔ_oの座標^vＴ_oを求める。

【００２０】 ^vＴ_o＝^oＴ_v ^−１ …４） 求めた^vＴ_oのx、yの項はそのままでz方向成分が０の点
が円Ｃを含む平面へ垂線を降ろした点の^oＴ_v から見た
座標値Ｐ１である。

【００２１】 Ｐ１[Ｐ_１x，Ｐ_１y，Ｐ_１z]＝ [^vＴ_oのx成分、^vＴ_oのy成分、０] … ５） ３−２）^oＴ_ｖの直交位置点からＰ_１へ向かう単位ベク
トルをＶ_x’とする Ｖ_x’＝Ｐ_１/｜Ｐ_１｜ …６） ３−２）Ｖ_xからＶ_x’への角度θを求める。

【００２２】 θ＝tan^-1（Ｐ_１y/Ｐ_１x） …７） ３−３）^oＴ_cpをＶ_z回りにθだけ回転させたマトリック
スを^oＴ_cp’として求める。

【００２３】^o Ｔ_cp’＝^oＴ_cpRot（Ｖ_x,θ） …８） 以上が^oＴ_cp’を求める処理である。

【００２４】^oＴ_cp’は^oＴ_cpをＶ_z回りにθだけ回転さ
せたマトリックスであるが、^wＴ_f ^fＴ_e は固定値であ
り、^bＴ_w は直交位置要素が０のマトリックスであるた
め^oＴ_ｂ’の直交位置要素Ｐ_b’は円Ｃ上にＰ_bをＶ_z回り
にθだけ回転させた位置となりロボット原点から最も近
く且つ、円Ｃ上の点となる。

【００２５】^oＴ_cp’を求めた後は ^oＴ_cp’に対して従
来の逆運動学変換を行い、各軸の関節角度を導出し、そ
の位置への位置制御を行う。

【００２６】

【発明の効果】本発明により冗長軸回りの全探索は不要
となって初期設定に要する時間は実質的に短縮される。
また、作業中にロボットの腕が届かなくなって作業を中
断するという事態は回避される。

【図面の簡単な説明】

【図１】産業用ロボットの斜視図。

【図２】図１の産業用ロボットの機構構成図。

【図３】図２の機構構成と座標系の関係図。

【図４】^oＴ_cpを制御点としたロボットの座標系と円Ｃ
の座標関連図。

【図５】新たな^oＴ_cp’を求める処理に関連した座標系
説明図。

【図６】実施例としての逆運動学処理フロー。

【符号の説明】^o Ｔ_cp ：目標制御点^o Ｔ_b：基本軸３軸で決定される位置マトリックス^b Ｔ_w：手首軸３軸でとる姿勢マトリックス^w Ｔ_f ：工具の取付けフランジマトリックス^f Ｔ_e ：工具のエンドエフェクタマトリックス Ｖ：冗長軸方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 純 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内 Ｆターム(参考） 3C007 BS12 LV05 LV19 MT07

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】６軸Ｊ１−Ｊ６以上の自由度を持ち、空間
   上の直交座標系で目標制御点（マトリックス：^oＴ_cp）
   の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、姿勢（Ｒx，Ｒy，Ｒz）を与え
   られたとき、^oＴ_cp＝^oＴ_b ^bＴ_w ^wＴ_f ^fＴ_e（^oＴ_bは３本の
   基本軸Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３で決定される位置マトリック
   ス；^bＴ_wは３本の手首軸でとる姿勢マトリックス；^wＴ_f
   は工具の取付けフランジマトリックス；^fＴ_eは工具のエ
   ンドエフェクタマトリックス）の関係から目標の各関節
   座標系の各軸の位置を導出してロボットの位置を制御す
   る方法において、^oＴ_b の取り得る位置集合である、目
   標の ^oＴ_cpの位置を原点としたベクトルＶの冗長軸方向
   の点Ｐ_vを原点とした円周上で、ロボット演算原点Ｔ_０
   からの距離が最小となる点Ｐ_b’を^oＴ_b の直交成分と
   なるように目標^oＴ_cpを^oＴ_cp’として求め直し、この^o
   Ｔ_cp’を逆運動学変換し、導出した各関節座標系の各軸
   の位置を動作目標とすることを特徴とする産業用ロボッ
   トの位置制御方法。