JP2556830B2

JP2556830B2 - ロボツトにおける自動テイ−チング方法

Info

Publication number: JP2556830B2
Application number: JP5198584A
Authority: JP
Inventors: 茂樹藤長
Original assignee: Shin Meiva Industry Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1984-03-16
Publication date: 1996-11-27
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: JPS60195617A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、ロボットの自動ティーチング方法に関
し、より特定的には、プラズマ，ガスあるいはレーザ等
を利用する切断ロボット等においてその切断すべきエッ
ジ形状ないし外形線あるいは罫書き線を自動的にティー
チングする方法に関する。

〔従来技術〕

従来より、たとえばプレス成形品のように曲線部の組
み合わせによる複雑な外形形状を有しかつ立体的な板金
加工品等を、たとえばプラズマ溶断ロボット等で切断す
ることが行なわれている。そのような溶断ロボットの一
例として、本件出願人の出願に係り昭和57年（1982）６
月16日付で出願公開された特開昭57-96791号公報に開示
されるものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような溶断ロボットにおいては、ワークピースの
外形形状すなわち溶断線やトーチの姿勢をティーチング
する必要がある。このようなティーチングは一般的に
は、PTP（Point to Point）方式によってトーチを順次
手動的に位置制御しながら行われる。しかしながら、形
状が複雑な場合や形状が大きい場合には、各ティーチン
グ点へその都度手動でトーチを位置制御する従来の方法
では、ティーチングに時間（工数）がかかる。

それゆえに、この発明の目的は、エッジないし外形線
あるいは罫書き線を自動的にティーチングできる、ロボ
ットにおける自動ティーチング方法を提供することであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、簡単に言えば、ティーチングサンプルの
線上に先にセンシングされた点を含む３点によって３次
元局所座標系を決定し、その局所座標系に含まれる検出
開始点からセンサを線方向に移動し、その線上にセンシ
ングされた点をティーチング点として記憶するようにし
た、ロボットにおける自動ティーチング方法である。

〔作用〕

まず、ステップ（ａ）では、ティーチングサンプル上
における１つの基準点（_on）とこの基準点に関連しか
つティーチングの方向と間隔（L_x,L_y）とを決定する線
上の２点（_En，_En+1）の位置データを取り込む。ス
テップ（ｂ）ではこの３点の位置データに基づいて局所
座標（_n，_n，_n）を求めることによって、基準点
を原点とする３次元局所座標系（）を決定し、その第
１の方向（ξ方向）に間隔（L_x）だけ移動した点を検出
開始点（_n+1）として決定する。そして、ステップ
（ｃ）において、センサを記ティーチングサンプル上に
おいて検出開始点から前記線の方向に移動させる。この
とき、ステップ（ｄ）において、センサからの出力に基
づいてセンサがその線を検出したことに応答してその検
出点のデータをティーチング点のデータとして記憶す
る。

〔発明の効果〕

この発明によれば、線上の点を自動的にティーチング
することができるので、マニュアル操作によってその都
度各ティーチング点へ移動させなくる必要はなく、複雑
な形状のワークピースでもまた大形のものでもティーチ
ングを非常に短時間で行なうことができる。

この発明の上述の目的およびその他の目的と特徴は図
面を参照して行なう以下の詳細な説明から一層明らかと
なろう。

〔実施例〕

第１図はこの発明の背景となるかつこの発明が利用さ
れる自動溶断ロボットの一例を示す正面図であり、第２
図はその平面図を示す。ロボット10は、水平方向すなわ
ちＸ軸方向に延長された基台12を含み、この基台12上に
はＸ軸方向に延びる２本のレール14,14が設けられる。
この１対のレール14上には、アーム16がＸ軸方向に移動
自在に支持される。また、Ｘ軸方向に延びる基台12の一
方端には、モータ18が取り付けられていて、このモータ
18には公知の動力伝達機構たとえばボールスクリュ20が
連結されている。したがって、アーム16は、モータ18に
よって、ボールスクリュ20を介して、Ｘ軸方向に移動制
御され得る。一方アーム16の側面には、Ｙ軸方向に延び
る２本のレール22,22が設けられ、この１対のレール22
上にはＹ軸方向に移動可能なように、移動体24が支持さ
れる。この移動体24は、アーム16に取り付けられたモー
タ26によって回転されるボールスクリュ28によって、Ｙ
軸方向に移動制御され得る。移動体24には、さらに、コ
ラム30がＺ軸方向に移動自在に支持される。このコラム
30は、その上部に取り付けられたモータ32によって、動
力伝達機構（図示せず）を介して、このＺ軸方向に移動
制御され得る。

コラム30の下端部には、旋回部材34が旋回可能に支持
される。この旋回部材34は、コラム30に取り付けられた
モータ36によって、φ軸回りに旋回制御され得る。この
旋回部材34の自由端にはトーチ38を保持するための保持
具40が支持される。このトーチ保持具40は、φ軸42に対
して、たとえば45°の傾斜軸すなわちψ軸44回りに旋回
可能に取り付けられている。したがって、トーチ保持具
40は、旋回部材34に取り付けられたモータ46によってψ
軸回りに旋回制御され得る。すなわち、トーチ38は、ψ
軸44に対しては、たとえば45°傾斜した姿勢に保持され
ている。そして、このφ軸42とψ軸44との交点48がトー
チ38による溶断点に一致するようにされている。

第１図および第２図に示すような溶断ロボットでは、
ワークピース（図示せず）を定盤ないしワークピース支
持具（図示せず）に固定し、各モータ18,26,32,36およ
び46などを制御して、トーチ38をワークピースに対して
最適な姿勢に維持するとともに溶断点すなわち点48（第
１図）をそのワークピースの溶断線ないし外形線に沿わ
せることによって、そのワークピースを溶断する。な
お、第１図および第２図に示す溶断ロボットは、X,Y,Z,
φおよびψの５つの自由度を持っている。しかしなが
ら、この発明は、第１図および第２図に示すような構成
のロボットに限られることなく、またその自由度がより
少なくてもあるいはより多くても、同様に適用できるも
のであることを予め指摘しておく。

第３図は第１図および第２図に示す溶断ロボットの位
置制御のための概略ブロック図を示す。コンピュータ60
は、周知のように、CPU62,RAM64およびROMを含み、I/O
インタフェース68を介してバス70に接続される。バス70
には、さらに、操作卓72が連結される。この操作卓72は
モード選択スイッチ74を含み、モード選択スイッチ74に
よってたとえばマニュアルモード（Ｍ），マニュアル操
作によるティーチングモード（MT），自動ティーチング
モード（AT），テストモード（TE）または自動モード
（Ａ）がそれぞれ選択的に設定され得る。スタートスイ
ッチ76が設けられ、このスタートスイッチ76はコンピュ
ータ60の動作をスタートさせるための押しボタンスイッ
チである。したがって、このスタートスイッチ76が押さ
れると、自動モード（Ａ）においてはスタート指令が与
えられ、ティーチングモードにおいてはティーチング指
令が与えられる。操作卓72には、さらに、速度設定スイ
ッチ78が設けられ、これはトーチ38（第１図）によって
ワークピースを切断するときの速度を設定するために用
いられる。操作卓72には、さらに、マニュアル操作スイ
ッチ80が設けられる。マニュアル操作スイッチ80には、
Ｘ軸,Y軸,Z軸，φ軸およびψ軸のためのそれぞれのスイ
ッチ80x,80y,80z,80φおよび80ψが含まれる。スイッチ
80x〜80ψは、それぞれ、３位置を取り得るトグルスイ
ッチのようなもので構成される。スイッチ80x,80yおよ
び80zは、それぞれ、上側（Ｕ）に倒すことによって対
応の各制御軸に沿ってトーチ38（第１図）をその軸の原
点から遠ざかる方向に移動させ、下側（Ｄ）に倒すこと
によってトーチ38をその原点に接近させる方向に移動さ
せることができる。また、スイッチ80φおよび80ψは、
それぞれ、上側（Ｃ）に倒すことによりその対応の軸回
りに時計方向に回動させ、逆に下側（CC）に倒すことに
よって半時計方向に回動させることができる。

バス70には、さらに各軸の位置決め装置82x,82y,82z,
82φおよび82ψが接続される。この第３図では、Ｘ軸の
位置決め装置82xが、他を代表して、詳細に図示されて
いる。他の位置決め装置82y〜82ψは、このＸ軸位置決
め装置82xと同様であるので、ここではＸ軸位置決め装
置82xについてのみ説明し、その他の軸についてはその
説明を省略する。位置決め装置82xには、バス70すなわ
ちコンピュータ60から指令位置情報を受け取るためのバ
ッファレジスタ821xが設けられる。このバッファレジス
タ821xには、一定の時間間隔で送り出される指定位置情
報がロードされ、その出力は減算器822xの一方入力とし
て与えられる。減算器822xの他方入力としてはカウンタ
823xの出力が与えられる。カウンタ823xは、位置検出器
824x（これはたとえばインクリメンタルエンコーダなど
を含む）からの位置パルス信号を受け、したがってこの
カウンタ823xの出力は現在位置を表す情報である。減算
器822xの出力は、バッファレジスタ821x（目標点位置）
とカウンタ823x（現在位置）との差分として、D/A変換
器825xに与えられる。D/A変換器825xの出力は、サーボ
アンプ826xに与えられ、サーボアンプ826xの出力はモー
タ18（第１図）に与えられる。カウンタ823xからのデー
タは、さらに、バス70を介してコンピュータ60に与えら
れる。

Ｙ軸位置決め装置82yは、モータ26および位置検出装
置824yを含む。Ｚ軸位置決め装置82zはモータ32および
位置検出装置824zを含み、φ軸位置決め装置82φはモー
タ36および位置検出装置824φを含み、ψ軸位置決め装
置82ψはモータ46および位置検出装置824ψを含む。

完成品84は、たとえばプレス成形された薄い金属板で
あり、ティーチングサンプルとして利用される。そし
て、センサ86は、第１図に示すトーチ38に代えて取り付
けられるたとえばセンサ付ダミートーチなどで構成され
る。このようなセンサの一例は、たとえば、昭和55年
（1980）３月29日付で出願公開された特開昭55-44950号
公報に開示されているような差動トランスを用いた電磁
式のものである。しかしながら、センサとしては、静電
式のものや光学式のものなど任意のセンサが用いられて
もよい。すなわち、センサ86は、ティーチングサンプル
84のエッジのような線を検出できるものであればよく、
エッジをティーチングする場合には、好ましくは、エッ
ジからサンプル上へセンサが戻るときそのエッジに当た
らないようにするために非接触式のものが用いられる。
そして、センサ86はサンプル84の輪郭ないし外形線84a
をセンシングし、その出力は、たとえば電圧，電流ある
いはその他のアナログ信号として導出され、A/D変換器8
8に与えられる。A/D変換器88からは、そのセンサ出力に
応じたディジタル信号がバス70を介してコンピュータ60
に与えられる。コンピュータ60は、このセンサ出力に基
づいて、後述のようにして自動ティーチングを行なう。

第４図は第１図ないし第３図に示す実施例の操作ない
し動作を説明するためのフロー図であり、第５図はその
説明に用いる図解図である。

最初に、完成品ないしティーチングサンプル84（第３
図）を準備し、トーチ38（第１図）に代えてセンサ付ダ
ミートーチ86（第３図）を取付ける。そして、操作卓72
のモータ選択スイッチ74を、自動ティーチング（AT）に
切り換える。

そして、最初のステップS1において、マニアル操作ス
イッチ80を操作して、センサ86を第５図（Ａ）で示すサ
ンプル84上の３点₀₀，_E0および_E1（第５図）へ、
好ましくはこの順序で、位置決めする。ここで、点₀₀
は、センサ86（第３図）の局所座標系の原点を示し、点
_E0および_E1は、それぞれ、サンプル84のエッジすな
わち輪郭線ないし外形線84a上の位置である。なお、上
述の位置決めの順序は任意に決められてよい。そして、
３点₀₀，_E0および_E1の位置データを絶対座標系す
なわちロボット座標系で取り込む。同時に、完成品（サ
ンプル）84（第３図）に対するダミートーチ（センサ）
86の姿勢を、ワークピース84に対して直角になるように
制御する。そして、そのときの姿勢すなわち姿勢角θ₀
および配向角Φ₀を絶対座標系すなわちロボット座標系
で取り込む。

つぎのステップS3において、上述の３点の位置データ
に基づいて、次式（１）を演算し局所座標₀，₀およ
び₀を求めることによって、局所座標系を決定す
る。

₀＝₀×₀ …（１）ここで、絶対座標系と局所座標系との間には、一
般的にいえば、次式（２）で示す関係がある。_n ＝_n _n＋_on …（２）そして、マトリクス_nは次式（３）で与えられる。

また、このステップS3では、上述のようにして取り込
んだ３点の位置データから、次式（４）を演算し、ティ
ーチング間隔L_xおよびL_yを求める。

なお、このティーチング間隔L_xおよびL_yは、以後の自動
ティーチングに際して常に使用される値である。

つぎに、ステップS5において最初の検出開始点₀を
求める。一般に検出開始点_nは、次式（５）で与えら
れる。

そして、最初の検出開始点₀については、その点₀
の方向が局所座標系の原点₀₀からみて₀の方向であ
るため、Ｘ＝L_x,Y＝０およびＺ＝０として、上述の第
（５）式を演算すればよい。

なお、局所座標系のＺは、次式（６）で与えられる。

Ｚ＝Ｚ＋Kf（S-S₀） …（６）ここで、Ｋは定数、Ｓはセンサ86の出力、そしてS₀はエ
ッジ部分すなわち外形線84a（第５図）上におけるセン
サ86の出力である。したがって、最初の検出開始点₀
の計算において、前述の第（５）式におけるマトリクス
_nの局所座標系のＺは「０」となることが理解されよ
う。

つぎのステップS7では、コンピュータ60（第３図）
は、新しい局所座標系を決定する。

一般的にいえば、この実施例では、第５図（Ｂ）で示
すように、_n，_nおよび_nの方向を持つ局所座標
と、それに対応した検出開始点_nとを決定したうえ
で、外形線84a上のエッジ点_Enを決め、そしてそれら
のデータに基づいてつぎの局所座標系を決定し、以後、
順次、検出開始点_n+1，エッジ点_En+1，…を決定し
て、自動的に外形線84a上の点位置を順次ティーチング
するのである。

しかしながら、第５図（Ａ）で示すように、最初の検
出開始点₀から検出ないし走査を始めれば、そのとき
検出されるエッジすなわち外形線84aの点は、最初のマ
ニュアル操作でティーチングした点_E1そのものであ
る。したがって、最初の検出開始点₀からの検出ない
し走査を行なうかどうかにかかわらず、つぎの局所座標
₁，₁および₁の方向は決められ、つぎの検出開始
点₁も決められる。すなわち、最初のマニュアル操作
の最後に、センサ86が３点₀₀，_E0および_E1のどこ
にあるかは操作の順序によるが、エッジ検出のための走
査は、第５図（Ａ）に示す点_E1から始まってつぎの検
出開始点₁へと行われることにかわりはない。

そこで、以下には、一般的に、局所座標_n，_nおよ
び_nが決まりかつ検出開始点_nが決まっている状態か
ら、エッジ点_En+1が求められたとき、つぎの局所座標
_n+1，_n+1および_n+1を求めるプロセスを説明す
る。

第５図（Ｂ）で示すように、局所座標_n+1は線分
_En _En+1と平行に決められ、局所座標_n+1は線分_n+1
_En+1と直角でかつ_n+1と直角に決められ、さらに局
所座標_n+1は_n+1と_n+1に直角でかつ_En+1を通る
ように決められる。次式（７）および（８）の演算がこ
のような座標の決めかたを表している。

_n+1＝_n+1＋_n+1 …（７） _0n+1 ＝_En+1‐L_y・_n+1 …（８）上記第（７）式および第（８）式の演算によって、ス
テップS7において、新しい局所座標_n+1，_n+1および
_n+1ならびにその原点_0n+1が決められるのである。
そして、新しい局所座標系の原点_0n+1におけるセンサ
付ダミートーチ86の姿勢（θ，Φ）は、_n+1（_x，
_y，_z）から、それぞれ、次式（９）および（10）で求
められる。

Φ＝tan^-1（_y／_x） …（10）このようにして、ステップS7において、新しい局所座標
_0n+1，_n+1，_n+1および_n+1ならびに新しい姿勢
角θ_n+1および配向角Φ_n+1が求められる。

つぎのステップS9において、上述の第（７）および第
（８）式の演算により、第（５）式からつぎの検出開始
点_n+1が求められる。

そして、ステップS11において、先のエッジ点_En+1
からつぎの検出開始点_n+1への移動が指令される。し
たがって、このステップS11において、つぎの検出開始
点_n+1への移動が行なわれる。この移動は局所座標系
のＸ軸,Y軸については補間により、Ｚ軸については倣い
により、それぞれ、行われる。なお、このときの移動の
ためのダミートーチの角度は先の第（９）および第（1
0）式で求めた姿勢角（θ）および配向角（Φ）が用い
られる。そして、このときの移動すべき経路長（Ｌ）は
次式（11）で与えられ、その移動時間（ｔ）は次式（1
2）で与えられ、その間の補間点の数（Ｍ）は次式（1
3）で決められる。

ｔ＝L/V …（12）Ｍ＝t/Δｔ＝（L/V）・（1/Δｔ） …（13）ここで、Ｖは操作卓72の速度指令スイッチ78（第３図）
によって指令された速度である。そして、上述のそれぞ
れの補間点の局所座標系のＸ軸およびＹ軸上の座標はそ
れぞれ次式（14）で与えられ、Ｚ軸上の座標は前述の第
（６）式で与えられる。

Ｘ＝（N/M）・L_x Ｙ＝L_y−（L_yN/M）＝L_y｛（Ｍ−Ｎ）/M｝ …（14）そして絶対座標系における指令値は上述の第（14）式に
基づいて次式（15）を演算することにより求められる。

この指令値によって、センサ86はつぎの検出開始点
_n+1へ移動される。

ステップS13において、局所座標系のＹ軸方向への移
動が指令される。このとき、移動速度をＶとすると、次
式（16）によって、刻々のΔＹが指令され、ダミートー
チ86は、それに応じてＹ軸上を移動する。

ΔＹ＝Ｖ・Δｔ …（16）そして、センサ86の出力に基づいて、前述の第（６）式
に基づいて演算される局所座標系のＺから、刻々のΔＺ
も演算される。センサ86がティーチングサンプル84（第
３図．第５図）上を移動している間は｜ΔZ/ΔY|はほぼ
一定である。しかしながら、センサがサンプル84のエッ
ジ84aまでくると、センサからの出力が急激に変化する
ので、｜ΔZ/ΔY|≧一定となり、コンピュータ60はセン
サ86がワークピースのエッジ84aに到達したことを知
る。

そして、ステップS15において、センサ86がエッジ84a
に到達したタイミングで、コンピュータ60が、そのとき
の位置データを取り込み記憶する。その位置データは
_En+1のものである。

ステップS17において、まだティーチングしなければ
ならないならば、コンピュータ60は再び先のステップS7
に戻る。ステップS7では、前述したように、第（７），
（８）式を演算する。なお、この「ティーチング終了か
？」の判断は、ダミートーチないしセンサ86がワークピ
ース84のエッジないし外形線84aを一周したかどうかで
コンピュータ60が自動的に判断してもよく、またオペレ
ータの任意の停止指令で行なってもよい。

そして、取り込んだ位置および姿勢データは、公知の
方法でロボットの自動制御に利用される。そのようなロ
ボットとしては、たとえば、先に引用した特開昭57-967
91号や特開昭57-125406号に開示されたものなどが考え
られる。

なお、先のステップS15においては、｜ΔZ/ΔY|でエ
ッジを検出するようにした。すなわち、センサがエッジ
へきていきなりＺが急変するのではなく、エッジの近く
から少しずつ変化してその後急変するような場合、変化
率が一定のところをエッジと判断することが望ましいの
で、上述の実施例では、｜ΔZ/ΔY|によってエッジを検
出するようにした。しかしながら、エッジの検出は、単
純にＺの変化すなわちΔＺだけで行うようにしてもよ
い。

さらに、検出開始点を決定するのに、前述の実施例の
ように局所座標系で決めて座標変換によって絶対座標系
に変換するのではなく、初めから絶対座標系で決定する
こともできる。その場合は却って演算式は簡単でなくな
り演算が複雑になるが、高速コンピュータを使えば、そ
のようにすることもできる。

また、上述の実施例ではティーチングサンプルのエッ
ジないし外形線をティーチングする場合について説明し
た。しかしながら、この発明はティーチングサンプル上
に形成された罫書き線をティーチングする場合にも適用
できることはいうまでもない。罫書き線をティーチング
する場合には、センサとして光学式のものやその他線を
センシングできるものを使用すべきであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の背景となるかつこの発明が適用され
る溶断ロボットの一例を示す正面図である。第２図は第１図に示す溶断ロボットの平面図である。第３図はこの発明の一実施例を示すブロック図である。第４図は第１図ないし第３図に示す溶断ロボットの操作
ないし動作を説明するためのフロー図である。第５図は動作を説明するための局所座標や検出開始点を
示す図解図である。図において、60はコンピュータ、72は操作卓、84は完成
品ないしティーチングサンプル、84aは外形線ないしエ
ッジ、86はセンサ付ダミートーチを示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】位置制御可能なセンサを有するロボットに
おいてティーチングサンプル上の線を自動的にティーチ
ングする方法であって、（ａ）前記ティーチングサンプル上における１つの基準
点とこの基準点に関連しかつティーチングの方向および
間隔を決定する前記線上の２点の位置データを取り込む
ステップ、（ｂ）前記３点の位置データに基づいて前記基準点を原
点としかつ前記３点で決まる３次元局所座標系の第１方
向に所定の間隔だけ移動した点を検出開始点として決定
するステップ、（ｃ）前記センサを前記ティーチングサンプル上におい
て前記検出開始点から前記線方向に移動させるステッ
プ、および（ｄ）前記センサからの出力に基づいて前記センサが前
記線を検出したことに応答してその検出点をティーチン
グ点として記憶するステップを含む、ロボットにおける
自動ティーチング方法。
【請求項２】前記ステップ（ｂ）は、（ｂ−ｉ）前記検
出開始点と前回のティーチング点と前記線上の別の点と
で決定される局所座標系を第２の間隔だけ第２方向に移
動した新しい局所座標系を決定し、その原点を順次の基
準点とするステップ、および（ｂ−ii）前記順次の基準
点に基づいて前記局所座標系の前記第２方向に所定の間
隔だけ移動した順次の前記検出開始点を決定するステッ
プを含む、特許請求の範囲第１項記載のロボットにおけ
る自動ティーチング方法。
【請求項３】前記ステップ（ｂ）において、前記検出開
始点は前記線に沿って一定間隔毎に決定される、特許請
求の範囲第１項または第２項に記載のロボットにおける
自動ティーチング方法。
【請求項４】前記ステップ（ｄ）において記憶した前記
線上の点のデータに基づいて前記局所座標系の第３の方
向を加工具の姿勢データとするステップを含む、特許請
求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のロボッ
トにおける自動ティーチング方法。
【請求項５】前記ステップ（ｄ）は、前記線上の点のデ
ータとともにその点に関連する法線のデータを記憶す
る、特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
載のロボットにおける自動ティーチング方法。
【請求項６】前記線は前記ティーチングサンプルのエッ
ジを含む、特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれ
かに記載のロボットにおける自動ティーチング方法。
【請求項７】前記線は前記ティーチングサンプル上に形
成された罫書き線を含む、特許請求の範囲第１項ないし
第５項のいずれかに記載のロボットにおける自動ティー
チング方法。