JP2011031327A - 汎用ロボット移動教示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】関節数等構成・形状の異なる様々なロボットに対して広汎にハンド・関節の移動後の座標・姿勢を教示することができる装置を提供すること
【解決手段】可動部を有するチューブが多数連なるチューブ群と隣接するチューブ間の角度を検出するフレキシブルセンサチューブと情報教示部より成り、１又は複数の特定のチューブについての変形後の座標及び/又は姿勢を算出し、逆運動学に基づいて教示対象ロボットの対応する１又は複数の特定の部分及び/又は中間部分についての移動後の座標及び/又は姿勢を教示する汎用ロボット教示装置を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、構成・形状の異なる様々な多関節ロボットに、移動後のハンド、関節の座標・姿勢を教示する汎用教示装置に関するものである。

ロボットに先端等の座標・姿勢を教示する技術としてはダイレクトティーチ法、ティーチペンダント等の操作盤を用いる方法等があるが、安全で直観的な教示が可能な方法として、マスタースレーブ法に代表されるロボットのダミーを用いて教示する方法がある。

ダミーを用いて教示する場合、ロボットとダミーの構造や形状の相違と、ダミーと操作者の構造や形状の相違の双方が問題となる。このため、ダミーの構造や形状はロボットに類似させたものが多く、操作者にとって操作性の良くない構造となっているものも多い。

冗長性のあるロボットに対して、操作者の負担を軽減しつつ、肘座標を教示する発明がある。人間の腕の形状のデータを変換して形状の不一致なダミーに適合させるものであるが、ダミーの構造が固定しているので、多様な構造の様々なロボットへ教示することは困難である（特許文献１）。

又、操作者が相対位置姿勢計測装置を腰に装着し、手に保持した操作グリップとの相対的位置姿勢の変化をセンサで検知してその情報をロボットに教示する発明もある。（特許文献２）。本発明は簡便な装置であるが、ロボットハンド以外の中間関節の座標姿勢を教示することは困難であり、操作グリップの座標を保持し続けることの負担も大きい。

又、本願発明の発明者による紐状のセンサである多関節構造体が提案されている（特許文献３、４）。しかし、これらは多関節構造体の形状の変化や移動量を把握し、多関節構造体自体による機能発揮を目的とするもので、本願発明とは発明の構成、解決しようとする課題が異なる。

又、操作者がマスターアームに自由度８以上の紐状センサを用いて操作するマニピュレータシステムが提案されている（特許文献５）。しかし、当発明は、操作者が搬送コンベア上の小物ワーク等を挟んで紐状センサを含むマスターの取り付け部と対向した位置で当該センサを操作し、マスターに対応するスレーブを追随移動させるものである。又、その効果は、対向する位置から操作するのでセンサが操作の邪魔にならないというものである。したがって、基本的にマスターは対応するスレーブ専用の装置で、形状・構造はスレーブと類似にならざるを得ない。多様なロボットに対する広汎な教示装置として、離れた位置から、場合により移動しながら教示するというものではない。

特開平７−２７６２６５ 特開平９−２１６１８３ 特開２００６−３４３１１４ 特開２００８−５５５４４ 特開２００９−３４８１３

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものである。関節数、関節機能、関節間長等構成・形状の異なる様々なロボットに対して広汎にハンド・関節の移動後の座標・姿勢を教示することができ、かつ、操作者の熟練度、体型等の要素に影響なく、直観的かつ簡易に操作が可能な装置の提供を目的とする。

かかる課題を解決するために、
フレキシブルセンサチューブと該フレキシブルセンサチューブの一端が固着されている情報教示部から成り、
上記フレキシブルセンサチューブは、可動部を有するチューブが多数連なるチューブ群と隣接するチューブ間の角度を検出するセンサと検出した角度データを伝送する通信部により構成され、
上記情報教示部は、上記伝送された角度データを演算処理する演算部と処理された座標姿勢情報を出力する出力部により構成される
ロボット移動教示装置において、
上記チューブ群が、少なくともＸ軸又はＹ軸方向への屈曲が可能な、上記可動部を有する多数のチューブ、並びに少なくともＺ軸を中心とした回転が可能な、複数のチューブにより構成され、
かつ、上記フレキシブルセンサチューブの変形に伴う変形後の隣接するチューブ間のＸ軸及びＹ軸方向への屈曲並びにＺ軸を中心とした回転による角度を計測し、順運動学に基づいて１又は複数の特定の上記チューブについて、変形後の座標及び/又は姿勢を算出し、
対応する１又は複数の特定の部分についての移動後の座標及び/又は姿勢を教示することにより
教示対象ロボットに追随移動させることを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、フレキシブルセンサチューブと該フレキシブルセンサチューブの一端が固着されている情報教示部から成り、
上記フレキシブルセンサチューブは、可動部を有するチューブが多数連なるチューブ群と隣接するチューブ間の角度を検出するセンサと検出した角度データを伝送する通信部により構成され、
上記情報教示部は、上記伝送された角度データを演算処理する演算部と処理された座標姿勢情報を出力する出力部により構成される
ロボット移動教示装置において、
上記チューブ群が、少なくともＸ軸又はＹ軸方向への屈曲が可能な、上記可動部を有する多数のチューブ、並びに少なくともＺ軸を中心とした回転が可能な、複数のチューブにより構成され、
かつ、上記フレキシブルセンサチューブの変形に伴う変形後の隣接するチューブ間のＸ軸及びＹ軸方向への屈曲並びにＺ軸を中心とした回転による角度を計測し、順運動学に基づいて特定の上記チューブについて、変形後の座標及び/又は姿勢を算出し、
逆運動学に基づいて対応する複数の特定の部分についての移動後の座標及び/又は姿勢を教示することにより
教示対象ロボットに追随移動させることを特徴とするロボット作業教示装置が提供される。

又、上記フレキシブルセンサチューブにおける終端チューブの上記変形後の座標及び姿勢に基づいて、教示対象ロボットの移動後の中間可動部分の座標を算出することを特徴とする請求項１に記載のロボット移動教示装置が提供される。

又、上記座標及び/又は姿勢を算出する対象のチューブを終端チューブ及び教示対象ロボットの中間可動部分に対応する位置にある中間チューブとすることを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、算出された終端チューブの上記座標及び/又は姿勢の情報をそのまま保持しつつ、上記座標及び/又は姿勢を新たに算出する対象のチューブを教示対象ロボットの中間可動部分に対応する位置にある中間チューブのみとすることを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、上記ロボット移動教示装置がさらに外部入力手段を有し、少なくとも教示対象ロボットの関節数、各関節の軸回転機能及び各関節間の長さデータのいずれか又はすべてを入力し、かつ該データの処理をすることにより、教示対象ロボットのハンド及び/又は各関節についての移動後の座標及び/又は姿勢を教示することを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、上記ロボット移動教示装置がさらに教示対象ロボットとの接続手段を有し、該接続手段を通じて、少なくとも教示対象ロボットの関節数、各関節の機能及び各関節間の長さデータのいずれか又はすべてを自動取得することを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、上述のロボット移動教示装置を人間に装着し、装着した人間の動作に基づいて上記教示対象ロボットの１又は複数の部分についての移動後の座標及び/又は姿勢を教示する場合において、人間の可動部分に固定された特定のチューブのみについて、上記変形後の座標及び/又は姿勢を算出することを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、上記ロボット移動教示装置において、チューブ群全体として人間の関節が有する軸の機能と同一の機能を有することを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、特定のチューブを人間の可動部分に固定する場合において、位置調整が可能な固定手段を有することを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、上記ロボット移動教示装置において、人間の手首、肘及び肩に固定された特定のチューブについて、上記変形後の座標及び/又は姿勢を算出することを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、上記ロボット移動教示装置を人間に装着する場合において、さらに基準原点自体の座標及び/又は姿勢の変動を計測する手段を備えたことを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、上述のロボット移動教示装置がさらにロボット本体の駆動電源又は主制御メイク信号の開閉手段を有し、前記開閉手段をＯＦＦにするとロボットの動作が非常停止することを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、上記開閉手段はデッドマンスイッチであることが好ましい。

又、上記フレキシブルセンサチューブを構成する可動部を有する各チューブが、Ｘ軸方向への屈曲、Ｙ軸方向への屈曲又はＺ軸を中心とした回転のいずれかのみが可能な上記チューブであることを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

又、上記フレキシブルセンサチューブを構成する可動部を有する各チューブが、略同一の長さであり、かつ、可動方向が異なる上記可動部を有するチューブが交互に配置されていることを特徴とするロボット移動教示装置が提供される。

本発明に係るフレキシブルセンサチューブ（以下、「ＦＳＴ」という。）は多数の可動部を有するチューブ群より成り、多数の自由度を有するので、４軸、６軸、７軸あるいはそれ以上の多関節ロボットに対しても移動後の座標及び姿勢を適切に教示することができる汎用性を有する。従来型の教示対象ロボットと類似形状を有する教示装置においては、総関節数、各関節ごとの軸の機能、アームの長さやアーム長さのバランス等をロボットと類似させるので、総関節数や関節ごとの軸の機能の配分が異なる等の他のタイプのロボットに教示することが困難であった。類似するタイプのロボットには適切に移動先を教示できても、より自由度の多い他のタイプのロボットに教示すべき移動先は教示装置の可動範囲の死角となり適切に教示できないという不具合が生じる場合もあった。この点、本発明に係るロボット移動教示装置（以下、「ＦＳＴ教示装置」という。）は全体的にむちのように柔軟に形状を変化させることができるので、どのようなタイプのロボットに対しても教示可能な汎用性を有する。なお、関節の軸の機能とは、回転方向が単一か複数か、どの方向に対する回転が可能かという関節が有する属性をいう。

本発明に係るＦＳＴを構成する特定のチューブの座標及び姿勢を計測することにより、多関節ロボットのハンドや任意の関節に対して移動後の座標及び姿勢を教示することができる。例えば、情報教示部に固着しているＦＳＴの始端チューブからＦＳＴ全体の先端に位置する終端チューブまでに番号を付して、教示対象ロボットの関節部分に対応する番号のチューブを特定チューブとして、その座標及び姿勢を計測することも可能である。ＦＳＴは多数の可動部を有するチューブによる多数の座標・姿勢情報を取得しうるが、取得しうるすべての情報を常に取得するのではなく、必要に応じて、選択された可動部を有するチューブの情報のみを取得する。ＦＳＴを構成するすべてのチューブについて、座標及び姿勢を計測することが可能なので、教示対象ロボットのどの位置のどの関節に対しても、移動後の座標及び姿勢を教示することができる。なお、本発明においてロボットとは主に多関節ロボットを指すが、歩行ロボットや人間・動物の動作に類似した動作を行うロボットを含む。又、ハンドとはグリッパに限定されず、回転等様々な機能を含む端末部分をいう。

本発明に係るＦＳＴの変形は、隣接する関節間の角度変化のみを計測することにより把握するので構造がシンプルである一方、多数のチューブにより構成されるので全体としては自由度が多い。シンプルかつ多自由度という特徴を有する。ここで、本発明に係るＦＳＴのＸ軸又はＹ軸方向への屈曲が可能なチューブが多数とは、それらが少なくとも３のチューブを有することをいい、Ｚ軸を中心とした回転が可能な複数のチューブと合わせて、人間の腕に対応する自由度に近いか又はそれ以上の自由度を確保している。なお、Ｚ軸を中心とした回転が可能なチューブを、Ｘ軸又はＹ軸方向への屈曲が可能なチューブの数とバランスさせた多数とすることがより好ましい。

又、順運動学に基づいて終端チューブ等の位置及び姿勢情報を取得した後に、当該情報に基づいて逆運動学により中間可動部等の位置及び姿勢を求め、複数の位置及び姿勢情報を教示対象ロボットに教示することができる。

又、教示対象ロボットにハンド部分の座標及び姿勢を教示した場合、教示対象ロボットはハンド部分の座標を満足するための中間可動部分の関節座標を一意に決定できない場合があるが、本発明に係る終端チューブの座標と姿勢を基準として、教示対象ロボットの関節座標を一意に決定することができる。なお、本発明において、終端チューブとはＦＳＴの最先端のチューブをいい、始端チューブとはＦＳＴの根元部分の情報教示部と固着しているチューブをいう。

又、終端チューブと教示ロボットの中間可動部分（関節）の位置に相当する位置にあるチューブの複数の座標及び/又は姿勢を計測することによっても、教示対象ロボットのハンド及び中間可動部分（関節）の座標及び/又は姿勢を一意に教示することができる。

又、教示対象ロボットが作業中等の場合において、ハンド座標を保持しつつ肘部分等中間関節が障害物を回避する必要がある場合には、教示ロボットの中間可動部分（関節）の位置に相当する位置にある中間チューブのみを移動させる変形を行うことにより可能となる。

又、外部入力手段により、教示対象ロボットの関節数、関節の機能、関節間長の情報を獲得した場合、教示対象ロボットにきっちり適合した、ハンド及び関節の座標及び/又は姿勢を教示することができる。ＦＳＴ教示装置の演算部において、ＦＳＴチューブの座標及び姿勢を計測すると共に、外部入力手段による情報を条件として演算することにより、教示対象ロボットのハンド座標及び姿勢と、それを満たす中間関節の関節角度を適切に決定することができるのである。すなわち、ＦＳＴ教示装置の演算部は教示対象ロボットの軸角度（位置）コントローラの機能も有することになる。したがって、教示対象ロボットの省機能、省スペースが可能になる。なお、ＦＳＴ教示装置の座標系と教示対象ロボットの座標系の座標変換情報を取得することが好ましい。

又、教示対象ロボットの上記情報を自動取得することにより入力作業が不要となる。１基のＦＳＴ教示装置でタイプの異なるロボットに次々と移動教示を行うことが可能となる。又、同時に軸数等の異なる複数のロボットに同時に教示することもできる。

ＦＳＴ教示装置を人間に装着して、人間の可動部、すなわち、手首、肘、肩、腰、膝、足首等にＦＳＴの対応する特定チューブを固定することにより、ＦＳＴの変形を介してロボットにハンドや中間関節の座標及び姿勢を教示することができる。マスタースレーブ法等においては、教示対象ロボットの肘等中間関節に対応すると思われる部分を推測して操作する場合は、中間関節に対応する本来の教示すべき部分と、推測によって特定する部分とに誤差が生じる場合があるが、上記により、ＦＳＴ教示装置における教示すべきチューブの特定は極めて短時間に、かつ正確に行うことができる。又、ＦＳＴのチューブ群全体の長さにゆとりを持たせることで、装着する人間の体型や体の大きさに関係なく、特定のチューブを、常に可動部に固定するチューブとして特定することも可能である。たとえば、体の大きな者に装着した場合はチューブ群のたるみを小さく、又、子供や女性など体の小さな者に装着した場合はたるみを大きくすることにより、肘位置専用チューブ、手首位置専用チューブ等を決定することも可能である。この場合、座標及び姿勢を計測するチューブを都度特定する作業を省略することが可能である。なお、ＦＳＴのチューブ全体を使わず、中間チューブを終端チューブと見立てることによっても体型や体の大きさに適合させることもできる。

ＦＳＴ教示装置の機能を人間の関節の機能と一致させることで、装着者の意図する動作をより適切に計測して教示することができる。本発明に係るチューブ群は短いチューブが多数連なっているので、腕、脚など諸々の部位に対応することができる。ＦＳＴ教示装置における特定の軸回転の方向（Ｘ軸又はＹ軸方向への屈曲、Ｚ軸を中心とした回転）を有するチューブのＦＳＴ全体中における配置は、人間における特定の軸回転の方向を有する関節の腕等の全体中における配置と同じであることがより好ましい。さらに具体的には、Ｚ軸を中心とした回転を有するチューブを少なくとも２つ有し、そのうちの１つは、人間の肩関節を中心とした回転関節機能に一致させるよう配置し、さらにそのうちの一つは、人間の肘関節を中心とした回転関節機能に一致させるよう配置することが好ましい。

上記人間の可動部に、固定位置を調整できるような上記チューブの固定手段を有することで、装着者間の関節部間の絶対的長さ、相対的長さバランスが異なっても、容易に装着者に適合した固定位置に変更することができる。固定位置の調整としては、チューブに接続した柔軟性のある素材のバンドを操作者の腕に巻く方法が考えられるが、特に限定されるものではない。

又、アームロボット等に移動教示する場合には、通常は人間の手首及び肘の座標及び姿勢が問題となる。しかし、人間が腕を伸ばす場合には肩の座標も変化する一方、ロボットは肩の座標が変化しない。したがって、ＦＳＴの始端チューブを起点とする肩の移動もＦＳＴ形状の変化として把握することにより、ロボットに、より適切な座標を教示できる。

又、ロボットに移動教示する場合にＦＳＴマスター（情報教示部）自体の移動、姿勢を計測することにより。無意識な体勢の変化等に影響されずに適切な教示を行うことができる。なお、基準原点とはＦＳＴの変形を計測する上での基準点を言う。通常はＦＳＴマスター（情報教示部）と固着している始端チューブが基準原点に該当するが、必ずしも限定されるものではない。

安全上の要請から、教示対象ロボットの駆動を緊急に停止する必要が生じる場合がある。ＦＳＴ教示装置にロボットの駆動電源又は主制御メイク信号の非常停止手段を備えることにより、ロボット教示作業中の安全性を担保できる。

上記開閉手段がデッドマンスイッチであれば適切に停止動作を実行することができる。デッドマンスイッチを握るとロボットのサーボ電源等がＯＮとない、離すとＯＦＦになることで素早く非常停止を実行することが可能である。又、３ポジションのデッドマンスイッチを採用することによって、適度な力でデッドマンスイッチを握るとＯＮになり。離したり、緊張して強く握りしめたりした場合にはＯＦＦとなるので、確実に非常停止を行うことができる。

ＦＳＴを構成するチューブの回転機能をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれかに関するものに限定し、チューブの数を多数とすることにより、多数の自由度を保持しつつ、簡易な構造かつ計測が容易な教示装置の提供が可能となる。

チューブ長を一定とすると、構造が簡易なり、かつ、Ｘ軸又はＹ軸方向への屈折の場合は隣接するチューブは常に２等辺三角形を形成するので距離計測が容易になる。さらに、可動方向が異なる上記可動部を有するチューブが交互に配置されることにより、ＦＳＴ全体がバランスのとれた死角のない柔軟性の高い変形が可能となる。

ＦＳＴ教示装置と教示対象ロボットの全体概念図である。 ＦＳＴの構成図である。 教示対象ロボットのコントローラとドライバの構成図である。 順運動学と逆運動学による教示の概念図である。 データ入力の手順を示す教示対象ロボットの構成図である。 データ自動取得を行う場合のＦＳＴ教示装置と教示対象ロボッの概念図である。 人体装着型ＦＳＴ教示装置の概念図である。 子供や女性など体の小さな者に装着したＦＳＴ教示装置の概念図である。 人間が腕を曲げたときと伸ばしたときの概念図である。 ＦＳＴの計測対象チューブを人間の手首部、肘部、及び肩部に固定した場合の概念図である。 交互配置のＦＳＴ構成図である。 本発明に係る情報教示部とロボットコントローラの機能を示す概念図である。 ＦＳＴマスター（情報教示部）に姿勢センサを付加した概念図である。 ＦＳＴ教示装置にデッドマンスイッチシステムを付加した概念図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明していく。

図１はＦＳＴ教示装置と教示対象ロボットの全体概念図である。ＦＳＴ教示装置０５はフレキシブルセンサチューブ（ＦＳＴ）１０とＦＳＴマスター（情報教示部）１８により構成される。教示対象ロボット２０は７軸ロボットで、アーム２１、屈曲関節２２、軸回転関節２３ハンド２６、コントローラ３０、ドライバ４０、図示しない減速機、モータ等により構成される。なお既述の通り、教示対象ロボットは関節数に限定されないので４軸、６軸等であっても良く、又、全体における関節の構成・配置についても限定されない。

次に、図２に基づいてＦＳＴ１０の説明をする。１１は可動部を有するチューブ、１３は Ｘ軸方向への屈曲が可能な可動部、１４はＹ軸方向への屈曲が可能な可動部、１５はＺ軸を中心とした回転が可能な可動部である。ここで、Ｘ軸方向への屈曲が可能とはチューブの長手方向に対して、チューブが左右方向へ回転（垂直軸を中心とした回転）することが可能であることをいう。屈曲範囲は左右各々４５度程度であるが、その範囲に限定されるものではない。Ｙ軸方向への屈曲が可能とは、同様にチューブの長手方向に対して、チューブが上下方向へ回転（チューブ長手方向と直角の水平軸を中心とした回転）することが可能であることをいう。

又、Ｚ軸を中心とした回転が可能とは、チューブの長手方向を軸としてその軸を中心にチューブが回転することをいう。なお、Ｘ軸方向への屈曲とＹ軸方向への屈曲の差は相対的なものであり、Ｚ軸を中心とした回転により９０度回転するとＸ軸方向への屈曲とＹ軸方向への屈曲は入れ替わる。したがって、本発明に係るＦＳＴのチューブの構成としては、Ｘ可動部チューブ＋Ｙ可動部チューブ＋Ｚ可動部チューブでも、Ｘ可動部チューブ＋Ｚ可動部チューブでもＹ可動部チューブ＋Ｚ可動部チューブでも良い。Ｘ可動部チューブ、Ｙ可動部チューブ又はＺ可動部チューブの屈曲又は回転は、ＦＳＴ全体としては形状の変形として把握される。

図２に係るＦＳＴには、可動部を有しない終端チューブ１２とチューブ間の角度を計測するポテンショメータ１６とポテンショメータで計測したデータを演算し伝送するＣＰＵ１７が含まれる。

終端チューブは可動部を有するタイプであっても構わないが、可動部を有さないタイプの場合は屈曲又は回転しないチューブ長を大きく取ることができ、終端関節を把持して移動させる場合の操作安定性が増す。先端部に可動部を有さないチューブを複数連ねた場合はさらにふらつきのない安定した操作が可能である。

ポテンショメータに限らすエンコーダ、圧電素子、光センサ等他の曲げ検知センサを用いても良いが、多数のチューブを有する本発明に係る装置故に簡易な検知センサが好ましい。ポテンショメータで検出されたチューブ間の角度の数値は、データ化され、数個のデータが近接したＣＰＵに送信・集積される。本実施例に係るＣＰＵはＣＡＮ通信機能を有しており、本ＦＳＴ全体で１つのＣＡＮネットワークが構築されているので、すべてのＣＰＵから集積されたデータがＦＳＴマスター１８内の演算部に直接送信される。もちろん、いくつかのＣＰＵのデータをさらに１グループとしてグループ単位で集計し、集計されたデータを送信するようにしても良い。ＦＳＴ内の送信及びＦＳＴから演算部への送信は、チューブ内部に張り巡らせたケーブルによって行われるが、無線により伝送しても良い。

図１に基づいてＦＳＴマスター（情報教示部）１８の説明をする。ＦＳＴマスターには演算部と出力部がある。演算部ではＣＰＵから送信されたデータに基づいて終端チューブや中間チューブの座標及び姿勢情報を算出し、出力部では算出されたそれらの情報を対象ロボットに送信する。ＦＳＴマスターと固着している始端チューブを起点（基準原点）として、起点に対する特定のチューブの座標及び姿勢を算出してその情報を送信しても良く、特定のチューブについて、ＦＳＴ全体の変形前の座標及び姿勢に対する変形後の座標及び姿勢の変化量を算出してその情報を送信しても良い。

図４により、順運動学に基づいた任意のチューブの座標、姿勢の算出について説明する。本図では人体装着型ＦＳＴ教示装置０５を用い、５軸ロボットに教示を行っている。対象ロボットの手首部に対応するＦＳＴの終端チューブ１２は人間の手首に固定され、対象ロボットの肩部に対応する始端チューブ１９はＦＳＴマスター１８に固定されている。対象ロボットの肘部に対応するＦＳＴのチューブは特定されていない。

ＦＳＴではすべてのチューブが連結されており、これらが有する座標変換行列を用いて順運動学を解くことにより、ある点のチューブの位置・姿勢を求めることが可能である。
起点接続部（始端チューブ）を基準原点とし、先端へと向かう方向軸をｚ、チューブの回転軸をｙとした右手座標系で各チューブの座標変換行列を現すと現在では以下の４通りのチューブがある。なお、下式において、「50」はチューブ長（ｍｍ）を「Ry」はポテンショメータより得られる角度を表わす。
これらの組み合わせに応じた座標変換行列掛を順次掛け合わせることで、すべてのチューブの座標、姿勢を求めることが可能である。
T_n＝T_na・T _(n-1)b・・・・T_3c・T_2b・T_1a

選定された特定のチューブの位置及び姿勢情報は順運動学に基づいて計測され、出力部より教示対象ロボットに伝送される。教示対象ロボットはその情報を自己の移動情報に置換し、又は、自己の移動システムに適用して、ハンド等やハンド及び関節等についての移動指令を行う。又、本発明に係るＦＳＴ教示装置が選定された終端チューブ等の特定のチューブの位置及び姿勢の情報に加え、その特定のチューブの位置及び姿勢を満たすための中間部分の位置及び姿勢の情報も求められている場合は、順運動学に基づいて終端チューブ等の位置及び姿勢を計測した後に、逆運動学に基づいて中間関節等中間部分の位置及び姿勢を算出し、それらの情報を併せて伝送することができる。なお、逆運動学そのものは公知の手法であり説明は省略する。

逆運動学によってその中間関節の角度（位置）を求める場合、順運動学に基づく場合と異なり、一意に角度（位置）が定まらない場合がある。図４（肩３軸、肘１軸、手首１軸の５軸ロボットを想定）に基づいてロボット肘部２５やロボット肩部２４の位置を算出する方法について説明する。
１ 先ず、順運動学に基づいて移動後のＦＳＴ教示装置の終端チューブの位置と姿勢を求める。
２ １により移動後のロボット手首部の位置と姿勢が定まる。
３ 次に、ロボット手首部の位置から、ＦＳＴ終端チューブの移動完了時の進行方向から反対方向にロボット前腕長を差し引いた位置をロボット肘部２５の位置と推定することにより、ロボット肘部２５の位置を求め、既知の手首部位置、肩部２４位置とのベクトル、すなわち、前腕ベクトルV_W、上腕ベクトルVｅを求める。
４ 上腕ベクトルVｅから肩の２軸（肩旋回軸と肩上下軸）の角度が定まる。
５ ４で求めた角度から、順運動学を解いて、ロボットの肘の曲げ軸ベクトルを求める。
６ 外積により上腕ベクトルVｅと前腕ベクトルV_Wに垂直なベクトルを求め、５の結果と内積を取ることで、肩の残りの軸の角度を求める。
７ 上腕ベクトルVｅと前腕ベクトルV_Wの内積を取ることにより、肘の曲げ角度が決まる。
８ 以上の演算により求められた角度から、再度順運動学を解いて、手首の曲げ軸のベクトルを求める。
９ ８で求めた曲げ軸ベクトルとFSTにより計測されたと曲げ軸ベクトルとの内積をとり、手首の回転角度を求める。

別の方法によりロボットの中間関節の位置（角度）を一意に定めることもできる。ＦＳＴの連なるチューブのうち、終端チューブに加え、ロボットの肘等の関節位置に対応する位置にある中間チューブを特定し、終端チューブ及び特定された中間チューブの複数チューブの位置と姿勢を算出する。当該算出情報を対象ロボットに送信すれば、対象ロボットのハンド及び中間関節の位置と姿勢を併せて教示することができる。かかる方法とロボット内のコントローラによる駆動システムとを並行して実施し、一方を他方の補完方式としても良い。

図３は、教示対象ロボットのコントローラ３０とドライバ４０の構成図である。コントローラとドライバはロボットの足元の匡体に収納されている。コントローラ３０にはデータベース３１と位置決め制御ユニット３２等が含まれている。又、ドライバ４０にはマイコン４１、変調部４２、駆動電力出力部４３があり、モータ、減速機４５に繋がっている。モータはエンコーダ（図示していない）が装着されている。ＦＳＴ教示装置による座標・姿勢情報を取得した後、ロボットのコントローラ内の位置決め制御ユニットでロボットハンドの座標及び姿勢の認識及びそれを満たすためのモータの駆動パターンが作成され、パルス信号により駆動司令が行われる。コントローラからの指令に基づきドライバは変調した電力をモータに供給し、モータは減速機を通じてアームを回転させる。アームの回転に基づきエンコーダにより関節角度が検知され、検知情報がフィードバックされる。

次に、ＦＳＴ教示装置に外部入力手段を加えた場合について説明する。実施例１では、ＦＳＴ教示装置による特定のチューブの起点（基準原点）に対する座標及び姿勢情報、又は特定のチューブの、ＦＳＴ変形前の座標及び姿勢に対する変形後の変化量を計測し、計測情報をロボットに送信する。座標原点の変換、ＦＳＴの座標及び姿勢情報のロボットにおける座標及び姿勢への置換、ロボットにおけるハンド等の座標及び姿勢を満たすための関節角度の決定は、基本的にロボット側のコントローラにより行われていた。

ＦＳＴ教示装置に外部入力手段を加え、ロボットの属性情報やＦＳＴ教示装置の座標系と教示対象ロボットの座標系の座標変換情報を入力しておけば、入力データに基づいて、ＦＳＴ教示装置の演算部で、座標原点の変換、ＦＳＴの座標及び姿勢情報のロボットにおける座標及び姿勢への置換、ロボットにおけるハンド等の座標及び姿勢を満たすための関節角度の決定の全部又は一部を行うことが可能となる。

図５は、本発明に係る外部入力手段を加えたＦＳＴ教示装置に対応するロボットを示している。外部入力手段はＦＳＴマスターに組み込まれた操作パネル５７（図１）で、タッチセンサーにより入力可能となっている。ＦＳＴマスターと分離した機器としても良い。人体装着型ＦＳＴ教示装置の場合はハンディなリモコン式入力機器とすることが好ましい。又、入力手段による入力値に基づいた演算を行うロボット関節制御演算はＦＳＴマスター内の演算部で共通して行われるが、別に設けても良い。

以下に、図５に示した教示対象ロボットに教示する際のデータ入力の具体的手順を述べる。まず、入力手段にロボットの総関節数を入力する。図５では、７軸なので「７」と入力する。操作パネルに表示した数値から「７」を選択するようにしても良い。次に、それぞれの軸の機能を入力する。図５では、第１関節を「回転」と、第２関節を「屈曲Ｘ」と第３関節を「回転」（以下略）と第７関節まで入力する。ＦＳＴマスター内のタッチパネルに「回転」、「屈曲X」、「屈曲Y」の項目を表示して選択するようにしても良い。次に、それぞれの軸間距離を入力する、図５では、床から第１関節までの長さを例えば、「１３０mm」、第１関節から第２関節までの長さを「３００mm」（以下略）と軸間の長さを入力する。入力が完了すると、ＦＳＴ教示装置から出力されるハンド等の座標・姿勢情報に対応するロボットのハンド及び各軸の位置と角度が演算部で、逆運動学に基づいて算出され、算出されたデータはロボットに送信される。

図６はＦＳＴ教示装置にデータ自動取得による入力手段を設けた場合のＦＳＴ教示装置と教示対象ロボットの概念図である。教示対象ロボットは７軸ロボット２０Ａ,５軸ロボット２０Ｂ、６軸ロボット２０Ｃの３基であり、それぞれＦＳＴ教示装置と接続され、タッチパネルにおける入力作業をすることなく各々のロボットの軸数等の情報は自動取得される。本実施形態では有線により接続されているが、無線による接続でも何ら差し支えない。

ロボットのデータベースに保存されている固有の軸情報に基づき、ＦＳＴ教示装置内で素早くロボットのハンド及び各軸の位置と角度情報が送信される。ロボットコントローラは送信される情報にトルク指令又は速度指令とトルク指令を加えて、ドライバ４０を通じてモータを回転させる。ロボットにおけるコントローラ機能の一部はＦＳＴ教示装置に代替され省略可能である。なお、残る機能に係るコントローラとドライバをロボットアーム内に配設すれば、ロボットに隣接する匡体をなくすることができ、省スペース効果が大きい。

ＦＳＴ教示装置は７軸ロボットの軸数等の情報に基づき７軸ロボットに移動教示を行い、続いて同様に５軸ロボット、６軸ロボットに教示を行う。同じ移動内容の教示をリピートして構造の異なるロボットに教示することも、ロボットごとに異なる移動内容の教示を行うこともできる。さらに、同じ移動内容の教示を５軸ロボット、６軸ロボット、７軸ロボットという構造の異なるロボットに同時に教示することも可能である。

図１２はＦＳＴ教示装置によるロボット制御とロボットコントローラの関係を示す概念図である。図１２（１）では、ＦＳＴ教示装置はロボットの軸数等の属性情報を取得し、ロボットの位置制御を行っている。ロボット側のコントローラでは、ＦＳＴ教示装置による位置指令に加え、ドライバに速度、トルクの指令を行う。又、図１２（２）では、ＦＳＴ教示装置による位置及び速度指令に加え、ロボット側のコントローラはトルク指令を行う。このように本発明にかかるＦＳＴ教示装置はロボットコントローラの機能を代替することができる。

図７は人体装着型ＦＳＴ教示装置の概念図である。ＦＳＴマスター１８は座標及び姿勢変動の少ない背中央上部に固定されている。ＦＳＴチューブ１１は左腕に沿って配設されている。腕における可動部である肘部と手首部の位置及び姿勢の変動を把握すべく、肘部には肘部固定チューブ５０が、手首部には手首部固定チューブ５１がそれぞれ固定バンド５２によって固定されている。肘部固定チューブは始端チューブからｎ番目のチューブであり、手首固定チューブは始端チューブからｍ番目のチューブである。手首部固定チューブ及び肘部固定チューブの２つのチューブの位置及び姿勢変化情報は計測・演算され、対象ロボットに送信される。人間装着型の場合はＦＳＴの終端チューブをつまんで保持し続けるという負担がなく、より容易に教示動作を継続することが可能である。

図８は図７と同じＦＳＴ教示装置を子供や女性など体の小さな者に装着した図である。肘部と手首部には、図７と同様に肘部固定チューブ５０と手首部固定チューブ５１がそれぞれ固定バンド５２によって固定されている。同じＦＳＴを用いているので、子供に装着した場合には、肩から肘及び肘から手首までの各チューブは腕から離れ垂れ下がっている。しかし、肘部固定チューブは始端チューブからｎ番目のチューブ、手首固定チューブは始端チューブからｍ番目のチューブであり図７の大人に装着した場合と同一である。位置及び姿勢の変動を把握するチューブ以外のチューブが腕に密着していようと離れて垂れ下がっていようと影響はない。このように、本発明に係るＦＳＴ教示装置は装着する人間の身長や体重に影響なく教示することができる。体の小さな者の場合、チューブ群全体を使用せず、中間位置のチューブを終端チューブとみなして設定を行い、その中間位置のチューブの位置と姿勢の変動の計測に基づいて対象ロボットの手首の位置及び姿勢を教示することも可能である。

人体装着型ＦＳＴ教示装置によりロボットにハンドの座標及び姿勢を教示する場合には、主に人間の手首又は肘と手首の座標及び姿勢が問題となる。図４に基づいて説明すると、
人体装着型ＦＳＴ教示装置の移動の起点は始端チューブ１９である。始端チューブに対して終端チューブ１２又は終端チューブと中間チューブの位置と姿勢がどのように変化するかを計測して、ロボットの肩２４に対するハンド（手首）２６や肘２５の座標及び姿勢を教示するのである。

しかし人間の腕の動きとロボットの腕の動きには相違がある。図９は、人間が腕を曲げたときと伸ばしたときの概念図である。ＦＳＴ教示装置は人間に装着されているが、図示していない。腕を曲げたときの手首の位置は５５で肘の位置は５４である。この場合、肩の位置は５３である。次に、腕を伸ばしたときの手首の位置は５５Ａで肘の位置は５４Ａであるが、このときの肩の位置は５３Ａに移動しており、腕を曲げたときの位置５３から手首方向に移動している。計測対象のチューブが肘と手首に固定されたチューブである場合、
それらのチューブの移動量（座標の変動量）には、肘及び手首の移動量に肩の移動量も加算される。したがって、肩位置が固定されているロボットに移動教示する場合には、誤った教示を行う可能性がある。

図１０は、ＦＳＴの計測対象チューブを人間の手首部、肘部、及び肩部に固定した場合の概念図である。肩部固定チューブ５１Ａは固定バンド５２により固定されている。３点配置することにより、肩の移動を減算した正確な情報を教示することが可能となる。ＦＳＴマスターに連結する始端チューブは、肩の移動を正確に反映できるように、できるだけ背中央部に近い位置に配置することが好ましい。

［他の実施例］
図１０は交互配置のＦＳＴ構成図である。各チューブはほぼ同一の長さを有している。軸長が同一ないしほぼ同一の場合、ＦＳＴ全体の中の特定のチューブの位置の把握が容易になる。各チューブに連番による番号を付しても良い。又、さらに１）Ｘ可動部チューブ、Ｙ可動部チューブ、Ｚ可動部チューブを交互配置２）Ｘ可動部チューブ、Ｚ可動部チューブを交互配置３）Ｙ可動部チューブ、Ｚ可動部チューブを交互配置すると、可動方向が異なるチューブが交互に並ぶので、バランスのとれた滑らかな移動（変形）を行うことができる。

図１３ではＦＳＴマスター１８に姿勢センサ５６を装着している。ロボットに移動教示する場合、しばしば自然に体が傾いたり、背伸びしたり、しゃがんだりすることがある。このような場合には、始端チューブ（基準原点）１９の座標が変動してロボットの基準原点との対応関係に変動が生じることになる。本実施例ではＦＳＴマスター１８に姿勢センサ５６を装着し、ＦＳＴマスター自体（基準原点と連動）の移動・姿勢を計測することにより、ロボットの基準原点との間に生じた座標の対応関係の変動を矯正する。

図１４は本発明に係るＦＳＴロボット移動教示装置にデッドマンスイッチシステムを付加した概念図である。デッドマンスイッチシステムは専用のワイヤードスイッチを用い、教示対象ロボット本体２０から１本の配線、コネクタ、スイッチがすべて繋がった状態の場合にのみロボットへの移動教示が有効に働く。又、ＦＳＴ教示装置内では、ＦＳＴマスター１８、左手ＦＳＴ,左手ハンドコントローラ５９Ｌ、右手ＦＳＴ、右手ハンドコントローラ５９Ｒがすべて接続されると共にハンドグリップ６０が適度な力で握られた場合に初めてロボットへの移動教示が可能となる一方、いずれか一方又は両方を離したり、強い力で握りしめるとロボットの駆動が非常停止状態となる。したがって極めて安全性が高い。

ＦＳＴロボット移動教示装置とデッドマンスイッチシステム間を無線により接続することも可能である。配線を省略できる一方、確実な伝送に担保される安全性は上記有線方式よりやや低下する。又、デッドマンスイッチシステムの伝送をＦＳＴロボット移動教示装置のバス等に乗せて通信することも可能である。この場合、専用ケーブルが不要になり、簡便にデッドマンスイッチシステムを導入できるが、ＦＳＴロボット移動教示装置側の不具合によりデッドマンスイッチシステムが働かなくなるという問題もある。

本発明は、様々なタイプの多関節ロボットに対して操作者の大小や体型に関係なく汎用的に、かつ、簡便に教示することができるロボット教示装置を提供するもので、産業上の利用価値は大きい。

０５ ＦＳＴ教示装置
１０ ＦＳＴ
１１ 可動部を有するチューブ
１２ 終端チューブ
１３ Ｘ軸方向への屈曲が可能な可動部（Ｘ可動部）
１４ Ｙ軸方向への屈曲が可能な可動部（Ｙ可動部）
１５ Ｚ軸を中心とした回転が可能な可動部（Ｚ可動部）
１６ ポテンショメータ
１７ 通信機能付きＣＰＵ
１８ ＦＳＴマスター（情報教示部）
１９ 始端チューブ
２０ 教示対象ロボット
２１ ロボットアーム
２２ ロボット屈曲関節
２３ ロボット軸回転関節
２４ ロボット肩部
２５ ロボット肘部
２６ ロボットハンド
３０ コントローラ
３１ データベース
３２ 位置決め制御ユニット
４０ ドライバ
４１ マイコン
４２ 変調部
４３ 駆動電力出力部
４５ 減速機
５０ 肘部固定チューブ
５１ 手首部固定チューブ
５１Ａ 肩部固定チューブ
５２ 固定バンド
５３ 肩
５４ 肘
５５ 手首
５６ 姿勢センサ
５７ 操作パネル
５８ デッドマンスイッチシステムケーブル
５９ ハンドコントローラ
６０ ハンドグリップ

Claims (16)

1. フレキシブルセンサチューブと該フレキシブルセンサチューブの一端が固着されている情報教示部から成り、
   上記フレキシブルセンサチューブは、可動部を有するチューブが多数連なるチューブ群と隣接するチューブ間の角度を検出するセンサと検出した角度データを伝送する通信部により構成され、
   上記情報教示部は、上記伝送された角度データを演算処理する演算部と処理された座標姿勢情報を出力する出力部により構成される
   ロボット移動教示装置において、
   上記チューブ群が、少なくともＸ軸又はＹ軸方向への屈曲が可能な、上記可動部を有する多数のチューブ、並びに少なくともＺ軸を中心とした回転が可能な、複数のチューブにより構成され、
   かつ、上記フレキシブルセンサチューブの変形に伴う変形後の隣接するチューブ間のＸ軸及びＹ軸方向への屈曲並びにＺ軸を中心とした回転による角度を計測し、順運動学に基づいて１又は複数の特定の上記チューブについて、変形後の座標及び/又は姿勢を算出し、
   対応する１又は複数の特定の部分についての移動後の座標及び/又は姿勢を教示することにより
   教示対象ロボットに追随移動させることを特徴とするロボット移動教示装置。
2. フレキシブルセンサチューブと該フレキシブルセンサチューブの一端が固着されている情報教示部から成り、
   上記フレキシブルセンサチューブは、可動部を有するチューブが多数連なるチューブ群と隣接するチューブ間の角度を検出するセンサと検出した角度データを伝送する通信部により構成され、
   上記情報教示部は、上記伝送された角度データを演算処理する演算部と処理された座標姿勢情報を出力する出力部により構成される
   ロボット移動教示装置において、
   上記チューブ群が、少なくともＸ軸又はＹ軸方向への屈曲が可能な、上記可動部を有する多数のチューブ、並びに少なくともＺ軸を中心とした回転が可能な、複数のチューブにより構成され、
   かつ、上記フレキシブルセンサチューブの変形に伴う変形後の隣接するチューブ間のＸ軸及びＹ軸方向への屈曲並びにＺ軸を中心とした回転による角度を計測し、順運動学に基づいて特定の上記チューブについて、変形後の座標及び/又は姿勢を算出し、
   逆運動学に基づいて対応する複数の特定の部分についての移動後の座標及び/又は姿勢を教示することにより
   教示対象ロボットに追随移動させることを特徴とするロボット移動教示装置。
3. 上記フレキシブルセンサチューブにおける終端チューブの上記変形後の座標及び姿勢に基づいて、教示対象ロボットの移動後の中間可動部分の座標を算出することを特徴とする請求項２に記載のロボット移動教示装置。
4. 上記座標及び/又は姿勢を算出する対象のチューブを終端チューブ及び教示対象ロボットの中間可動部分に対応する位置にある中間チューブとすることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット移動教示装置。
5. 算出された終端チューブの上記座標及び/又は姿勢の情報をそのまま保持しつつ、上記座標及び/又は姿勢を新たに算出する対象のチューブを教示対象ロボットの中間可動部分に対応する位置にある中間チューブのみとすることを特徴とする請求項１に記載のロボット移動教示装置。
6. 上記ロボット移動教示装置がさらに外部入力手段を有し、少なくとも教示対象ロボットの関節数、各関節の軸回転機能及び各関節間の長さデータのいずれか又はすべてを入力し、かつ該データの処理をすることにより、教示対象ロボットのハンド及び/又は各関節についての移動後の座標及び/又は姿勢を教示することを特徴とする請求項１ないし５に記載のロボット移動教示装置。
7. 上記ロボット移動教示装置がさらに教示対象ロボットとの接続手段を有し、該接続手段を通じて、少なくとも教示対象ロボットの関節数、各関節の機能及び各関節間の長さデータのいずれか又はすべてを自動取得することを特徴とする請求項６に記載のロボット移動教示装置。
8. 上述のロボット移動教示装置を人間に装着し、装着した人間の動作に基づいて上記教示対象ロボットの１又は複数の特定の部分についての移動後の座標及び/又は姿勢を教示する場合において、人間の可動部分に固定された特定のチューブのみについて、上記変形後の座標及び/又は姿勢を算出することを特徴とする請求項１ないし７に記載のロボット移動教示装置。
9. 上記ロボット移動教示装置において、チューブ群全体として人間の関節が有する軸の機能と同一の機能を有することを特徴とする請求項８に記載のロボット移動教示装置。
10. 特定のチューブを人間の可動部分近傍に固定する場合において、位置調整が可能な固定手段を有することを特徴とする請求項８ないし９に記載のロボット移動教示装置。
11. 上記ロボット移動教示装置において、人間の手首、肘及び肩に固定された特定のチューブについて、上記変形後の座標及び/又は姿勢を算出することを特徴とする請求項８ないし１０に記載のロボット移動教示装置。
12. 上記ロボット移動教示装置を人間に装着する場合において、さらに基準原点自体の座標及び/又は姿勢の変動を計測する手段を備えたことを特徴とする請求項８ないし１１に記載のロボット移動教示装置。
13. 上述のロボット移動教示装置がさらにロボット本体の駆動電源又は主制御メイク信号の開閉手段を有し、前記開閉手段をＯＦＦにするとロボットの動作が非常停止することを特徴とする請求項１ないし１２に記載のロボット移動教示装置。
14. 上記開閉手段がデッドマンスイッチであることを特徴とする請求項１３に記載のロボット移動教示装置。
15. 上記フレキシブルセンサチューブを構成する可動部を有する各チューブが、Ｘ軸方向への屈曲、Ｙ軸方向への屈曲又はＺ軸を中心とした回転のいずれかのみが可能な上記チューブであることを特徴とする請求項１ないし１４に記載のロボット移動教示装置。
16. 上記フレキシブルセンサチューブを構成する可動部を有する各チューブが、略同一の長さであり、かつ、可動方向が異なる上記可動部を有するチューブが交互に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のロボット移動教示装置。