JP2520006B2

JP2520006B2 - ロボット教示方式

Info

Publication number: JP2520006B2
Application number: JP1057996A
Authority: JP
Inventors: 正弘藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-03-13
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPH02243281A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はロボット教示方式、特にその位置姿勢および
力・トルクの教示方式に関するものである。

［従来の技術］教示を行う操作者が移動を指示する操作箱を操作して
ロボットを実際にある位置姿勢に動かし、その時の位置
姿勢を記憶しておき、作業時にその位置姿勢を再生する
ことをティーチングプレイバック方式といい、広く産業
用シロボットの位置姿勢の教示に用いられている。

一方、位置姿勢および力・トルクを教示する方法とし
ては、例えば、特開昭59−116806号公報に示されるよう
に、ロボットアームに力・トルクセンサを取り付け、さ
らに操作者が加えた力・トルクを測定する力・トルクセ
ンサを別に用意し、操作者が加えた力・トルクの方向に
ロボットアームが移動し、作業対象物に接触した状態で
はこ力・トルクと等しい力・トルクをロボットが発生す
るよう制御し、そのときのロボットの位置姿勢を位置姿
勢教示データとし、操作者が加えている力・トルクを力
・トルク教示データとして記憶する方法がある。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、従来の教示方法では高価な力・トルク
センサを二つ用いる必要があり、操作者が加えた力・ト
ルクにより教示するため微妙に調整することが困難であ
り、また、ある力・トルクの教示が終わるまでその力・
トルクを加え続ける必要があり、操作者への負担も大き
い。さらに、操作者が力・トルクを加える際にある一つ
の方向のみに力あるいはトルクを加えるのは困難であ
り、干渉のため予期せぬ移動が生じる恐れもある。

本発明は、力・トルクセンサを一つ用いるだけで位置
姿勢および力・トルクの教示が可能で、しかも、微妙な
調整もでき、操作者への負担とも少ないロボットの教示
方式を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明に係るロボット教示方式は、ロボットアームに
力・トルクセンサを取り付け、バネ定数入力装置により
操作者が指定するバネ定数でもって外力の大きさに応じ
て変位するバネとしてロボットアームを動作させ、移動
を指示するための操作箱などの操作手段により仮想的な
バネの中心位置姿勢を変化させるものである。

［作用］本発明においては、作業対象物に接触していない状態
では、外力が作用していないため、仮想的なバネの中心
位置姿勢は実際のロボットアームの位置姿勢と一致し、
操作箱を操作することにより、ロボットは移動し、位置
姿勢の教示が可能となる。また、作業対象物に接触した
状態では、指定されたバネ定数とバネの変位に応じた力
・トルクを発生し、操作箱を操作して仮想的なバネ中心
位置姿勢を変化させることにより発生する力・トルクも
変化し、位置姿勢および力・トルクの教示が可能とな
る。

［実施例］第１図は本発明の一実施例によるロボット制御装置の
構成図である。図において、（１）はロボットアーム、
（２）はロボットアーム（１）の手首部に組み込まれた
力・トルクセンサ、（３）はバネ定数を設定するための
入力装置である。（４）はバネ動作制御装置、（５）は
操作者が移動を指示するための操作箱、（６）はロボッ
トの位置姿勢および力・トルクを記憶するための記憶装
置、（７）は作業を行なう手先効果器、（８）は作業対
象物である。バネ動作制御装置（４）において、（９）
はロボットアーム（１）の各関節を駆動するための駆動
装置、（10）はロボットアーム（１）の関節位置を計測
する位置検出装置、（11）は操作者が操作箱５を操作す
ることにより移動されるバネ中心位置姿勢演算部、（1
2）は関節位置を直交座標系で表されたロボットアーム
（１）の位置姿勢に変換する座標交換部、（13）は力・
トルク計測値、バネ定数、バネ中心位置姿勢およびロボ
ットアーム（１）の位置姿勢から、バネとして動作する
ための位置姿勢の修正量を求めるバネ制御演算部であ
る。（14）はバネ中心位置姿勢からバネとして動作する
ための修正された位置姿勢指令値を生成する位置姿勢指
令生成部、（15）は直交座標系で表された位置姿勢指令
を関節位置指令に変換する座標逆変換部、（16）はロボ
ットアーム（１）の関節位置を制御する関節位置制御部
である。

第２図は座標系の定義を示す説明図である。図におい
て、（17）はワールド座標系（以下Ｗ系と記述）で、ロ
ボットの作業環境に設定された基準となる直交座標系で
ある。（18）はバネ中心座標系（以下Ｃ系と記述）で、
仮想的なバネ中心位置姿勢を指定する直交座標系であ
る。（19）は手先効果器に固定された座標系でエンドエ
フェクタ座標系（以下Ｅ系と記述）とし、現在の手先効
果器の位置姿勢を表す。外力が作用していない状態では
バネとしての変位がないので、Ｃ系とＥ系は一致するこ
とになる。また、以下の説明において、ある座標系から
見た別の座標系を表すのに、原点の位置ベクトルＰで位
置を表し、回転を表す行列Ｒで姿勢を表す。

すなわち、Ｐ＝［P_x P_y P_z］^t （１）ここで、ｔは転置を表し、［n_x n_y n_z］^t，［o_x o_y o
_z］^t，［a_x a_y a_z］^tは、それぞれ、表されている座標
系のｘ軸ｙ軸ｚ軸を示す単位ベクトルである。

さらに、どの座標系で定義されているかを前方上付添
字で表し、どの座標系が表されているかを後方下付け添
字で表す。例えば、^WP_C、^WR_CはそれぞれＷ系で表したＣ
系の位置と姿勢である。

まず、バネ動作について説明する。

今、バネ定数入力装置（３）により設定されたバネ定
数が６行６列の行列Ksで与えられ、力・トルクセンサ
（２）により計測されたロボツトが対象に作用している
力・トルクを６行１列のベトクルFaとし、力・トルクが
０の場合しの位置姿勢と現在の位置姿勢の偏差を６行１
列のベトクルΔＸで表すと、 Fa＝KsΔＸ（３）なる関係が成り立っていればバネとして動作しているこ
とになる。

そこで、バネ制御演算部（13）は、バネ中心位置姿勢
演算部（11）から得られたバネ中心位置姿勢と実際の位
置姿勢との偏差を求め、それにバネ定数入力装置（３）
で指定されているバネ定数をかけ、バネとして発生すべ
き力・トルクを求める。それを力・トルクセンサ（２）
で計測される実際の力・トルクと比較し、それらが等し
くなるようにロボットアーム（１）の位置姿勢の修正量
を求める。次に、位置姿勢指令生成部（14）が修正され
た位置姿勢指令を演算し、それを座標変換部（15）で関
節位置指令に変換し、関節位置制御部（16）が関節の位
置制御を行ない、駆動装置（９）がロボットアーム
（１）を駆動する。以上のようにしてバネ動作は実現さ
れる。

また、バネ制御を実現する座標系としては、Ｅ系また
はＷ系を考える。バネ中心位置姿勢と実際の位置姿勢の
偏差ΔＸは以下のように求まる。

とする。ただし、ΔX_pは位置の偏差を表す３行１列のベ
クトル、ΔX_rは姿勢の偏差を表す３行１列のベトクルで
ある。

また、Ｗ系で表したバネ中心位置が^WP_C、姿勢が^WR_Cで
あり、手先効果器（７）の位置が^WP_E、姿勢が^WR_Eである
とすると、Ｗ系で表した位置偏差^WΔX_pは、^W ΔX_p＝^WP_C−^WP_E （５）である。

これをＥ系で表すと、^E ΔX_p＝（^WR_E）^-1 ^WΔX_p＝（^WR_E）^-1（^WP_C−^WP_E）（６）となる。

次に姿勢の偏差ベクトルを求める。Ｅ系で表したＣ系
の姿勢^ER_Cは^E R_C＝（^WR_E）^-1 ^WR_C （７）である。

とおくと、これと等価な姿勢の偏差ベクトル^E ΔX_rは、ただし、である。

この偏差ベクトルをＷ系で表すと、^W ΔX_r＝^WR_E ^EΔX_r （11）となる。

以上より、Ｗ系でバネ動作を行なっている場合バネが
つりあった状態では、が成り立ち、Ｅ系でバネ動作を行なっている場合バネが
つりあった状態では、が成り立つ。

第３図は操作箱（５）の構成図であり、図において、
キー（51a）および（51b）はバネ中心位置姿勢を動かす
座標系を選択するためのものである。

キー（52a）および（52b）はバネ中心位置姿勢を移動
する速度として高速または低速を選択するためのもので
ある。

キー（53）〜（58）は現在選択されている座標系の各
座標軸に沿った移動を操作者が指示するためのものであ
る。（53a）はｘ軸−方向、（53b）はｘ軸＋方向、（54
a）はｙ軸−方向、（54b）はｙ軸＋方向、（55a）はｚ
軸−方向、（55b）はｚ軸＋方向の並進移動を指示する
ためのキーであり、（56a）はｘ軸回り−方向、（56b）
はｘ軸回り＋方向、（57a）はｙ軸回り−方向、（57b）
はｙ軸回り＋方向、（58a）はｚ軸回り−方向、（58b）
はｚ軸回り＋方向の回転移動を指示するためのキーであ
る。

キー（59）は記憶を指示するものであり、このキー
（59）が押されたときのロボットアーム（１）の位置姿
勢および力・トルクの計測値がメモリ（６）に記憶され
る。

第４図はバネ定数を設定するための入力装置（３）の
構成図である。この入力装置（３）はディスプレイ（3
1）とキーボード（32）からなっており、キーボードか
ら、ｘ軸方向のバネ定数k_X,y軸方向のバネ定数k_y、ｚ軸
方向のバネ定数k_z、ｘ軸回りのバネ定数k_rx、ｙ軸回り
のバネ定数k_ry、ｚ軸回りのバネ定数k_rzを数値で入力す
る。

このときバネ定数を６行６列の行列Ksで表すと、となる。

次に教示動作について説明する。

まず手先効果器（７）が作業対象物（８）に接触して
いない状態を第５図に示す。また、バネ定数Ksは既に設
定されているとする。このとき、外力が作用していない
ので、バネ中心位置姿勢Ｃ系と手先効果器（７）の位置
姿勢Ｅ系は一致し、操作箱（５）を用いてバネ中心位置
姿勢Ｃ系を移動すると手先効果器位置姿勢Ｅ系も同様に
移動し、所望の位置姿勢で、第３図で示す操作箱の記憶
キー（59）を押せば位置姿勢の教示が行われる。手先効
果器（７）を作業対象物（８）の方へ移動し、まさに接
触しようとするところの例を第６図（ａ）に示す。この
状態からさらにＥ系ｚ軸＋の方向へばね中心位置を移動
すると作業対象物（８）と接触し反力を受け始める。作
業対象物（８）のバネ定数がロボットが設定されている
バネ定数に比べて十分大きいものとし、第６図（ｂ）に
示すように接触した位置からＥ系ｚ軸方向にΔｚバネ中
心が移動し点線の状態になってとする。このとき手先効
果器（７）はほぼ接触を開始した位置にとどまり、手先
効果器（７）が作業対象物（８）に作用しているｚ軸方
向の力をスカラ量f_zとし、ｚ軸方向のバネ定数をスカラ
量k_zとするとこれらの間には次の関係が成り立つ。

f_z＝k_zΔｚ（15）また、作業対象物（８）のバネ定数k_eがロボットが設
定しているバネ定数に比べて無視できないとき、手先効
果器（７）は第６図（ｃ）のように接触を開始した位置
から移動した位置でつりあう。このとき次の関係が成り
立つ。

f_z＝k_zΔｚ′ （17）ただし、Δｚ′は仮想バネ中心位置と実際の手先効果
器（７）のｚ軸方向の位置の差である。

作業対象物（８）のバネ定数がいずれの場合でも所望
の位置にロボットアーム（１）があると考えた時点で操
作箱の記憶キー（59）を押せばそのときのロボットアー
ム（１）の位置姿勢およびロボットアーム（１）が発生
している力・トルクを教示データとして記憶することが
できる。

バネ定数k_zを小さく設定し、さらにバネ中心位置を微
小量ずつ変化させれば発生する力を微妙に調整すること
ができる。バネ定数k_zを大きく設定するかバネ中心位置
の移動量を大きくすれば、大きな力を発生することがで
きる。また、第３図の操作箱（５）の移動を指示するキ
ー（53）〜（58）を押さずにバネ中心位置を一定に保て
ば、発生している力も一定に保つことができる。

上記の教示動作の例ではＥ系ｚ軸方向に関して述べた
が、当然他の座標軸に関してもバネとして動作させ、位
置姿勢、力・トルクの教示を行うことができる。さらに
座標系に関してもＥ系のみならず、Ｗ系あるいはその他
の作業に応じて設定した座標系でも同様である。

また、移動させる方向が操作箱（５）のキーによって
座標軸ごとに分離して選択できるので、操作者が考えて
いる方向に移動させることができる。

本実施例では、力・トルクセンサ（２）がロボットア
ーム（１）の手首部に組み込まれたものを考えたが、各
関節あるいは指に組み込まれたセンサでも同様に位置姿
勢、力・トルクの教示が可能である。また、バネ動作の
実現を位置姿勢指令の修正で行ったが、関節サーボ系の
ゲインを適切に設定することでも可能である。さらにロ
ボットに限らず、工作機械などの教示に転用することも
可能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、操作手段によ
ってバネ中心位置姿勢を移動することによりロボットア
ームの位置姿勢および発生する力・トルクを変化させ
て、位置姿勢教示データおよび力・トルク教示データを
得るようにして、作業対象物に接触している状態で移動
を停止させた場合には、バネとしてバランスする力・ト
ルクを作業対象物に作用させながらロボットアームを停
止させることができるようにしたので、作業対象物に接
触していないときは、バネ中心位置と実際の位置が一致
し、通常の位置姿勢の教示が可能となるとともに、作業
対象物に接触しているときは、同様の操作で力・トルク
教示データはもちろんのこと位置姿勢教示データも同時
に得ることができる。このため、ロボットの位置姿勢お
よび力・トルク教示を極めて簡単に行うことができる。

また、操作手段によってロボットアームを動かすの
で、作業員がアームを持って力を加えるというような危
険操作も不要となり、安全性の確保が容易となるととも
に、作業対象物に加える力を微妙にかつ確実に調整する
ことができる。

更に、力・トルクセンサを一つ用いるだけでよく、安
価な装置の供給も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるロボット制御装置の構
成図、第２図は座標系の定義を示す説明図、第３図は操
作箱の構成図、第４図はバネ定数入力装置の構成図、第
５図及び第６図は教示動作の説明図である。図中、（１）はロボットアーム、（２）は力・トルクセ
ンサ、（３）はバネ定数入力装置、（４）はバネ動作制
御装置、（５）は操作箱、（６）は記憶装置である。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボットアームに固定され作業対象物に作
用している力およびトルクを計測する力・トルクセンサ
と、バネ定数を入力するバネ定数入力手段と、前記ロボ
ットアームを前記バネ定数入力手段で設定されたバネ定
数をもったバネとして動作させるバネ動作制御手段と、
このバネ動作制御手段によって前記のバネ動作をさせる
ときの仮想的なバネの中心位置姿勢の移動を指示する操
作手段と、前記ロボットアームの位置姿勢及び前記力・
トルクセンサで検出した力・トルクを記憶する記憶手段
とを備え、前記操作手段によってバネ中心位置姿勢を移
動することにより前記ロボットアームの位置姿勢および
発生する力・トルクを変化させて、位置姿勢教示データ
および力・トルク教示データを得ることを特徴とするロ
ボット教示方式。