JP2021160059A - 吐出装置のロボット軌道生成方法及びロボット軌道生成プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】吐出装置の位置と方向をコントロールする多関節ロボットの軌道生成を効果的に行う。【解決手段】３次元曲面を有する被吐出面に対する吐出装置の位置と方向をコントロールする多関節ロボットの軌道生成方法であって、被吐出面の３Ｄデータを取り込む工程と、被吐出面に形成される画像の平面画像を取り込む工程と、３Ｄデータの曲面に平面画像を投影して、３Ｄデータの曲面上の射影点を特定する工程と、射影点を含む３Ｄデータ上の単位面を抽出して、単位面の法線ベクトルを求める工程と、射影点と法線ベクトルに基づいて、多関節ロボットの軌道を求める工程とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、吐出装置におけるロボット軌道生成方法、ロボット軌道生成プログラムに関するものである。

吐出装置は、インクジェット装置或いはディスペンサ装置などとして、印刷、塗装、液材の塗布・注入など、各種の分野で利用されている。一例を示すと、印刷型エレクトロニクス（Printed electronics）と呼ばれる分野では、液材として導電性インクを用いて、回路パターンを形成する際に、吐出装置（インクジェット装置）が用いられる。

吐出装置は、用途に応じて、圧電方式，サーマル方式，エアパルス方式，波動方式など様々な駆動方式で液材を吐出する吐出ヘッドと、吐出ヘッドに液材を供給する液材供給部を備えている。

この吐出装置は、液材を吐出させる対象のワークが平坦でない場合があり、このような場合には、吐出ヘッドの吐出方向を、ワークの面に合わせて変化させることが必要になる。３次元的な曲面を有するワークに印刷する場合などは、吐出ヘッドの向きを３６０°変化させることができるように、吐出ヘッドのユニットを多関節ロボットに保持させて、多関節ロボットが吐出ヘッドの高さ、水平面内位置、角度をそれぞれ独立して制御することなどが行われている（下記特許文献１参照）。

特許第６４８２９１４号公報

このような吐出装置によって、３次元的な曲面を有する被吐出面に吐出ヘッドから液材を吐出させる際に、所望の吐出結果を得るためには、吐出ヘッドの向きが被吐出面の曲面に対して常に垂直に向いていることが要求される。また、平面上に描かれた画像（絵柄や印刷型エレクトロニクスにおける回路パターンなど）を被吐出面の曲面に形成する場合、単純な投影画像にすると、視覚的或いは機能的に有効な画像を形成することができない場合がある。

また、吐出ヘッドがマルチノズルの場合に、ノズルが長手方向に並んで配置されることになるが、被吐出面の曲面に凹面などがあると、吐出ヘッドの方向によっては、凹面内に吐出ヘッドが入り込めなくなり、吐出ヘッドと被吐出面との距離や角度を一定に維持できない問題が生じる。

本発明は、このような事情に対処することを目的にしており、３次元曲面を有する被吐出面に対する吐出装置の位置と方向をコントロールする多関節ロボットの軌道生成を効果的に行うことによって前述した事情に対処することが、本発明の課題である。

このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。
３次元曲面を有する被吐出面に対する吐出装置の位置と方向をコントロールする多関節ロボットの軌道生成方法であって、被吐出面の３Ｄデータを取り込む工程と、被吐出面に形成される画像の平面画像を取り込む工程と、前記３Ｄデータの曲面に前記平面画像を投影して、前記３Ｄデータの曲面上の射影点を特定する工程と、前記射影点を含む前記３Ｄデータ上の単位面を抽出して、前記単位面の法線ベクトルを求める工程と、前記射影点と前記法線ベクトルに基づいて、多関節ロボットの軌道を求める工程とを有する。

このような特徴を有する吐出装置のロボット軌道生成方法によると、少なくとも、吐出ヘッドの向きを被吐出面の曲面に対して垂直に向けることができ、また、被吐出面の曲面に視覚的或いは機能的に有効な画像を形成することができ、３次元的な曲面を有する被吐出面に吐出ヘッドから液材を吐出させる際に、所望の吐出結果を得ることができる。

吐出装置の位置と方向をコントロールする多関節ロボットを示した説明図。 射影点と法線ベクトルの求め方を示した説明図。 ロボット軌道生成方法（プログラム）のフロー図。 差分ベクトルの説明図。 ヘッドの方向ベクトルを説明する説明図。 凹面におけるヘッドの状態を示した説明図。 多関節ロボットでコントロールされる吐出装置の構成を示した説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１に示すように、吐出装置１は、多関節ロボット１００の先端に接続されることで、吐出位置を変えながら全方位に向けてインクなどの液材を吐出することができる。多関節ロボット１００の動作は、コントローラ（コンピュータ）２００からの信号で制御される。そして、コントローラ２００には、多関節ロボット１００の軌道生成プログラムがインストールされており、コントローラ２００には、被吐出面の３Ｄデータと、被吐出面に形成する画像の平面画像データが入力される。

図２に示すように、被吐出面の３Ｄデータは、三角形の単位面（テトラ面）で表現された曲面のデータであり、その一例としては、３ＤＣＡＤフォーマットの１つであるＳＴＬファイルを採用することができる。この際には、単位面を構成する点の座標と三角形を構成する点番号との組み合わせで、三次元的な曲面をデータ化している。これに対して、被吐出面の曲面に形成される画像のデータは、平面画像データとして入力される。平面画像データは、２次元平面座標の座標データである。

以下、軌道生成プログラムがインストールされたコントローラ（コンピュータ）２００が、前述した３Ｄデータと平面画像データの入力に対して行うステップ（工程）を説明する。

コントローラ２００は、前述した３Ｄデータと平面画像データを取り込むと、３Ｄデータと同じ仮想空間内に、特定の平面を設定し、その平面上の座標に、平面画像データの座標を座標変換する。これによって、図２に示すように、平面画像データが、３Ｄデータと同じ空間内に、３次元の平面画像として配置される。

次に、平面画像を被吐出面の曲面３Ｄデータ上に投影して、３Ｄデータの曲面上の射影点を特定する。この射影点は、被吐出面上に液材が到達する位置になるが、投影の仕方によって、この射影点の設定は異なる。

射影点の設定例を説明すると、図２に示すように、平面画像を３Ｄデータの空間内に配置した場合、配置された平面画像には表と裏があるが、平面画像に対して３Ｄデータの曲面が存在する側に、投影ターゲット（直線、曲線、点など）Ｔを定める（図示の例は直線）。

次に平面画像の任意の一点Ｐ１から順番に、投影ターゲットＴに直線Ｌを引く（平面画像上の１点と投影ターゲットの１点が決まるのでこれらを結ぶ直線が一意に定まる）。そうすると、引かれた直線Ｌが、３Ｄデータ上に分割された三角形の単位面（テトラ面）を貫通することになり、貫通した単位面を抽出することで、前述した射影点を含む単位面を特定することができる。

貫通した単位面とそれを構成する３点（Ａ，Ｂ，Ｃ）が特定できたら、その単位面を貫通する交点を求め、これを射影点Ｑ１として特定する。また、単位面を構成する３点（Ａ，Ｂ，Ｃ）から構成される２つのベクトル（ＡＢベクトルとＡＣベクトル）の外積を求めることで、単位面の法線ベクトルＮを求める。同様な手順で、順次全ての平面画像上の点に対して、射影点と法線ベクトルを求めることができる。

前述した射影点と法線ベクトルを求める手法は、被吐出面が任意の立体物の表面であり、その表面への所望のパターンを投影する際の一例である。前述した射影点と法線ベクトルを求める手法は、これに限らず、光学的なレンズひずみである像面湾曲を模擬した画像処理を用いて立体面に投影する方法や、平面画像を３ＤＣＡＤデータの単位面の三角形に順次接するように移動させて、スタンプ的に投影する方法など、各種の方法を採用することができる。

この射影点と法線ベクトルのデータが求められると、これを用いて、求めた法線ベクトルが、吐出装置１の吐出方向ベクトルと方向が逆向きで一致するように、多関節ロボットの逆運動学アルゴリズムを用いることで、多関節ロボットの軌道を計算することができる。

図３に示したフロー図で、前述した工程のより具体的な処理の流れを説明する。

被吐出面となる立体物の表面の３ＤＣＡＤ（ＳＴＬフォーマット）ファイルを読み込み、点群データと単位面の三角形（テトラ面）を構成する点番号の組を読み込むことで、点群の座標と単位面の面情報を取り込む（Ｓ０１）。また、被吐出面に投影したい平面画像のパターンデータを読み込み、その座標を取り込む（Ｓ０２）。そして、これらを同一３Ｄ空間上に配置する（Ｓ０３）。この時平面画像データと３ＤＣＡＤデータは接してもよいが、交差しないように配置する。

次に、平面画像の設定平面の表裏に対して、３Ｄデータ側に任意の投影ターゲットを配置する（Ｓ０４）。投影ターゲットは、立体面に平面をどのように投影させるかを決めるためのもので、1つの点であってもよいし、直線や曲線などでもよい。どのように投影したいかによって、投影ターゲットを適時選定することができる。

具体的な一例として、球体状の立体物の表面に一筆書きの平面画像を投影する例を示し、投影ターゲットを球体の中心を通る直線とする。

最初に、平面画像上の1点（開始点）を選択し（Ｓ０５）、これと併せて、投影ターゲット上の1点を選択する（Ｓ０６）。ここでは、一例として、平面画像上の選択点と同じ水平面と投影ターゲット直線の交点を投影ターゲット上の（第一）点に設定する。この２つの平面画像上点(Phx , Phy , Phz)と投影ターゲット上の点(Ptx , Pty Ptz)を通過する直線は、下記式（１）として定まる（Ｓ０７）。

そして、ｔを媒介変数として１〜０まで変化させると平面画像上の点から、投影ターゲット上の点までの直線上の位置を求めることができる（Ｓ０８）。

ｔを変化させ適当な分割数で式（１）の直線上の点の位置を順次計算し（Ｓ０８）、その点が被吐出面の内部にあるか外部にあるかを３Ｄデータの点群の座標を元に判定し（Ｓ０９）、外側にある場合は、次のｔ値を用いて次の点位置を計算し内外判定を行う（平面画像と立体物は交差しないように配置されているので、平面画像を開始点とすれば必ず最初は外側にある。）。

そして、式（１）の直線上の点が被吐出面の内側になったと判定された時点で、その点から最も近い数点を３Ｄデータの点群の中から抽出し、その中から、式（１）の直線が貫通している単位面の３点を検索し、貫通する単位面（テトラ面）を特定する（Ｓ１０）。

貫通した単位面は、貫通する単位面を構成する３点の座標をP1(x1,y1,z1) ，P2(x2,y2,z2)，P3(x3,y3,z3)とすれば、下記式（２）として定まる。

式（１）の直線の式と式（２）の平面の交点として、（第１の）射影点が求まり（Ｓ１１）、さらに貫通面の法線ベクトをＮ(a , b , c)として求める（Ｓ１２）。

次に、この法線ベクトルの方向（平面画像の水平面上の立体面の方向）の向きで再度投影ターゲット（直線）に向かった直線を求める（Ｓ１３）。この際の直線の式は、下記式（３）となる。

この式（３）の直線の式の媒介変数ｔを順次変化させ、前述（図３のフロー図の波線枠Ｆ１内）の処理を再度行う（Ｆ２）。これによって、射影点（交点）と法線ベクトルを求める（Ｓ２０，Ｓ２１）。

計算された射影点と法線ベクトルは、一旦記憶領域に記憶される。次の射影点が計算された時点で、図４に示すように、最新の射影点と1つ前の射影点（交点：Ｓ２２）との差分が取られ、これを差分ベクトルとする（Ｓ２３）。この差分ベクトルは、射影点の成長方向（吐出ヘッドの進行方向）を表すことになる。差分ベクトルと法線ベクトルによって、進行方向ベクトルが求められる（Ｓ２４）。

図５は、吐出装置１における吐出ヘッドの一例であるインクジェトヘッドを示している。このインクジェットヘッドの軌道を求める際には、例えば、前述した射影点に対し、インク吐出方向に所定のオフセットを持った点を合致させ、さらに法線ベクトルに対してインク吐出方向ベクトルを所定のオフセットをもって合致させて、ロボットの軌道を、逆運動学を使って求めることで、ロボットのテーチングデータを自動生成することができる。

インクジェットヘッドは、インク吐出方向に対して、ヘッドが回転する自由度があるので、図５に示すように、複数のノズル（マルチノズル）を用いて印刷する場合、ノズルの並び方向を被吐出面の曲面に対して適正に設定しないと、所望の印刷結果を得ることが難しい場合が考えられる。（１ノズルで印刷する場合は、問題はない。）。

そこで、前述した差分（進行方向）ベクトルをヘッドの短手（進行方向）ベクトルに所定のオフセットを持たせつつ合致させることで、常に進行方向に向かって所定の角度をもって印刷することができ、複数ノズルを使用した場合でも、効率よく有効な印刷を行うことができる。

インクジェットヘッド（吐出装置１）のヘッド方向の設定に際しては、前述した工程で、順次射影点と法線ベクトルを求め、更に、現在の射影点と法線ベクトルに対し、１つ前に求めた射影点と法線ベクトルの差を求めることで、前述した差分ベクトル（進行方向ベクトル）を求めるが、一方ヘッド側では、図５に示すように、吐出方向を第１ベクトルＶ１としたときに、ノズル並び方向に直交し、かつ第１ベクトルＶ１に直交したベクトルをヘッド側の第２ベクトルＶ２とする。

そして、法線ベクトルに第１ベクトルＶ１を合わせることに加えて、差分ベクトル（進行方向ベクトル）とヘッド側の第２ベクトルＶ２も合わせて、ロボットの軌道計算を行う。これにより、進行方向にヘッドの長手方向を直角に向けながら走査することができる。このように、進行方向に対してヘッドの長手方向を直角にして走査することにより、図６に示すような凹面Ｓｐに対しても、インクの吐出方向と被吐出面の角度θｔを設定した角度に維持し、被吐出面とヘッドの距離ｇを設定した距離に維持しながら、被吐出面の曲面に応じて印刷を進めることができる。

図７は、多関節ロボット１００によって位置と方向がコントロールされる吐出装置１の構成例を示している。吐出装置１は、インクなどの液材を吐出する吐出ヘッド２を備え、ヘッドユニット１Ａ内には、吐出ヘッド２に液材を供給する液材供給部３が配備されている。

液材供給部３の液材溜まり３Ａは、アクチュエータ３Ｃの動作で供給圧の調整がなされる。圧力センサ３Ｄは、液材溜まり３Ａから吐出ヘッド２への供給経路中に配置されており、アクチュエータ３Ｃの動作で調整される供給圧を検出している。

ヘッドユニット１Ａ内に設けられる制御部１０には、圧力センサ３Ｄの出力信号と、ジャイロセンサ２０の出力信号が入力され、制御部１０は、これらの信号によって演算処理を行い、アクチュエータ３Ｃの操作量を制御する。操作量が制御されたアクチュエータ３Ｃは、その動作で液材溜まり３Ａから吐出ヘッド２に供給される液材の供給圧を調整する。そして、アクチュエータ３Ｃの動作で調整された供給圧が圧力センサ３Ｄによって検出され、検出圧の出力信号が制御部１０に入力される。ジャイロセンサ２０は、吐出装置１におけるヘッドユニット１Ａの動き、すなわち、吐出ヘッド２の吐出方向角度や加速度を検出している。

吐出装置１は、多関節ロボット１００の動作によって、任意の立体物に設定された方向から所望の液材を吐出し、加飾や配線を行う。この際、多関節ロボット１００の動作と吐出ヘッド２の吐出は、例えば、ＰＣなどで構成可能なタイミング同期装置１０１によって同期させ、多関節ロボット１００の動作工程を監視し、それに合わせて、ヘッドコントローラ１０２から印字データを出力して、吐出ヘッド２の液材の吐出を制御している。

このような吐出装置１によると、吐出ヘッドへの供給圧を安定的に制御することで、吐出ヘッドの向きが変化した場合にも、吐出ヘッドが常に高い精度で安定して液材を吐出することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１：吐出装置，１Ａ：ヘッドユニット，
２：吐出ヘッド，３：液材供給部，３Ａ：液材溜まり，
３Ｃ：アクチュエータ，３Ｄ：圧力センサ，
１０：制御部，２０：ジャイロセンサ
１００：多関節ロボット，１０１：タイミング同期装置，
１０２：ヘッドコントローラ
２００：コントローラ（コンピュータ）

Claims (6)

1. ３次元曲面を有する被吐出面に対する吐出装置の位置と方向をコントロールする多関節ロボットの軌道生成方法であって、
   被吐出面の３Ｄデータを取り込む工程と、
   被吐出面に形成される画像の平面画像を取り込む工程と、
   前記３Ｄデータの曲面に前記平面画像を投影して、前記３Ｄデータの曲面上の射影点を特定する工程と、
   前記射影点を含む前記３Ｄデータ上の単位面を抽出して、前記単位面の法線ベクトルを求める工程と、
   前記射影点と前記法線ベクトルに基づいて、多関節ロボットの軌道を求める工程とを有することを特徴とする吐出装置のロボット軌道生成方法。
2. 前記法線ベクトルと前記吐出装置の吐出方向ベクトルが方向逆向きで一致することを特徴とする請求項１に記載された吐出装置のロボット軌道生成方法。
3. 多関節ロボットの軌道進行方向が、前記吐出装置のノズル並び方向と直交することを特徴とする請求項１又は２記載に記載された吐出装置のロボット軌道生成方法。
4. 前記射影点を特定する工程は、
   平面画像を３Ｄデータの空間内に配置し、平面画像に対して３Ｄデータの曲面が存在する側に投影ターゲットを定め、
   平面画像の任意の一点から投影ターゲットに直線を引き、引かれた直線が、３Ｄデータ上の単位面を貫通した点を射影点とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載された吐出装置のロボット軌道生成方法。
5. 前記法線ベクトルを求める工程は、
   前記単位面を構成する３点から構成される２つのベクトルの外積を求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載された吐出装置のロボット軌道生成方法。
6. ３次元曲面を有する被吐出面に対する吐出装置の位置と方向をコントロールする多関節ロボットの軌道生成を行うコンピュータに、
   被吐出面の３Ｄデータを取り込むステップと、
   被吐出面に形成される画像の平面画像を取り込むステップと、
   前記３Ｄデータの曲面に前記平面画像を投影して、前記３Ｄデータの曲面上の射影点を特定するステップと、
   前記射影点を含む前記３Ｄデータ上の単位面を抽出して、前記単位面の法線ベクトルを求めるステップと、
   前記射影点と前記法線ベクトルに基づいて、多関節ロボットの軌道を求めるステップとを実行させる吐出装置のロボット軌道生成プログラム。

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