JP2567834B2 - ロボツト制御デ−タの作成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、たとえば切断トーチなどのように、軸まわ
りに回転対称な道具を用い、ガス切断のように内容が毎
回異なる作業を多関節ロボツトを用いて行う場合などに
好適に用いられる、ロボツト制御データを作成する方法
に関する。

背景技術 従来、ロボツトを動作させるに必要な位置および姿勢
に関する制御データは、実際の作業環境の下で操作員が
教示ボツクスを用いて、ロボツトのアームを作業に必要
な各点へ直接誘導して教示した。このような制御データ
に従つてロボツトを動作させようとする場合、ロボツト
が周辺の障害物と衝突したり、動作範囲を越えたりし
て、希望した動作を行うことができない、などという事
態が生じる場合がある。このような場合、軸まわりに回
転対称な道具を用いる作業においては、操作員が道具を
軸まわりに回転させた別の姿勢に教示しなおして、再度
その動作をたとえば目視などにより確認する、という方
法がとられていた。

発明が解決しようとする問題点 このような先行技術では、ロボツトが周囲の障害物と
衝突することなく、動作可能な制御データとして道具の
軸まわりの回転量を作成するには、多大の時間と労力を
要していた。

したがつて本発明の目的は、上述の問題点を解決し、
道具の軸まりの回転量を操作することによつて、ロボツ
トを直接動作させることなく、格段に低減された時間と
労力で、ロボツトが周辺の物体と衝突しないで動作でき
るロボツト制御データとして道具の軸まわりの回転量を
作成する方法を提供することである。

問題点を解決するための手段 本発明は、道具の軸まわりに回転対称な、そのような
道具を用いて、その教示点間を移動させながら加工を行
う作業に対するロボツト制御データの作成方法におい
て、 ワーク座標系Σｗにおける道具の先端位置（xw,yw,z
w）およびオイラ角で表される姿勢（αw,βw,γｗ）の
うち道具の軸まわりの回転量γｗを除く（αw,βｗ）を
入力する第１ステツプと、 予め求めたγｗと、入力された（xw,yw,zw,αw,β
ｗ）で決められる道具の位置・姿勢ベクトル を、ロボツト座標系Σｒにおける位置・姿勢ベクトル へ変換して６自由度ロボツトの各関節の回転量θｉ（ｉ
＝１〜６）を求める第２ステツプと、 この回転量θｉ（ｉ＝１〜６）が各関節の構造上の動
作範囲に納まるか否かをチエツクする第３ステツプと、 ６自由度ロボツトのハンド部16の外形上の複数の点を
定め、これらの点のロボツト座標系Σｒにおける座標値
を求める第４ステツプと、 作業対象物体12の平面で囲まれた凸干渉領域20を定
め、その干渉領域20の境界の平面18のx,y,z直交座標系
であるロボツト座標系Σｒでの平面方程式 ｚ＝ｇ（ｘ） （ここで、ｇ（ｘ）はｘの関数であつて、しかもｙの
値には依存しない関数である） に、ハンド部16の外形上の複数の各点P1〜P8のロボツト
座標系Σｒの座標値を前記平面方程式と左辺と右辺とに
それぞれ代入して、左右両辺の値の大小を比較し、ハン
ド部16が作業対象物体の空間に存在するか否かをチエツ
クし、干渉の有無を判定する第５ステツプと、 各関節の回転量が許容される動作範囲内に納まらない
か、あるいは干渉すると判断されたときには、各関節の
回転量が動作範囲に納まり、かつ干渉しなくなるまで、
道具の軸まわりの回転量を（γｗ＋Δγｗ）、（γｗ−
Δγｗ）、（γｗ＋２Δγｗ）、（γｗ−２Δγｗ）、
…というように、γｗを中心に一定量Δγｗの整数倍を
順次的に交互に増加、減少させ、第２ステツプから第５
ステツプを繰返す第６ステツプとを含むことを特徴とす
るロボツト制御データの作成方法である。

作用 本発明に従えば、作業対象物体に対する道具の位置お
よび方向を入力する。この位置および方向を実現するロ
ボツトの各軸値が構造上の動作範囲に納まり、またロボ
ツト本体が空間的に占める部分と、予め入力されている
ロボツト周辺の物体が空間的に占める部分とが干渉しな
いように、道具の軸まわりの回転量を操作して、ロボツ
トの動作可能な制御データを作成するようにする。した
がつて、本発明によるロボツト制御データの作成では、
道具の姿勢のうち、軸まわりの回転量を指示する必要が
なく、ロボツトと周辺の障害物との衝突を回避して、動
作可能なように前記回転量を自動的に決定できる。した
がつて、道具の位置および姿勢の教示作業の軽減を図る
ことができる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例のブロツク図である。入
力装置１によつて道具の位置および方向が、データ作成
装置２に入力される。

データ作成装置２では、後述される道具の回転量に関
して、初期値を設定する装置３による初期値と入力装置
１から入力された道具の位置および方向が、座標変換装
置４に与えられる。座標変換装置４からの出力は、ロボ
ツトの各関節の角変位量を算出する装置５に与えられ、
算出された結果がチエツク装置６に入力される。チエツ
ク装置６では、動作範囲チエツク装置７および干渉チエ
ツク装置８によつて、後述されるような制御データのチ
エツクが行われる。

チエツク装置６からの出力は、判定装置９に与えられ
る。判定装置９において後述されるようなロボツトの動
作可能性などに関する判定がなされ、可の判定であれ
ば、入力装置１から入力された道具の位置および方向と
初期値設定装置３によつて設定された道具の回転量が、
ロボツト制御装置10に出力される。一方、判定装置９に
おいて不可の判定結果が得られると、初期値設定装置３
によつて設定された初期値を修正する回転量修正装置11
において、初期値の修正が行われ、再び入力装置１から
入力された値とあわせて、座標変換装置４に入力され
る。このようにして、適正な制御データの判定が得られ
るまで、繰返しチエツク動作が行われる。

第２図は作業対象物体12の斜視図であり、第３図はワ
ーク座標系Σｗにおける道具13の位置および姿勢の表現
を説明する図である。第２図および第３図を参照して、
作業対象物体12には、相互に直交する３本の座標軸Xw,Y
w,Zwから成るワーク座標系Σｗが設定される。このワー
ク座標系Σｗにおいて、道具13の位置および姿勢は、道
具先端の位置（x,y,z）と、オイラ角で表される姿勢を
表す数値の組（α，β，γ）とによつて表現される。

一方、本発明において軸まわりに回転対称な道具13を
用いる作業を対象とするので、入力装置１（第１図参
照）から入力される道具の位置および方向は、道具13の
先端位置（x,y,z）と、道具姿勢の中で軸まわりの回転
量γを除く（α，β）とである。ここで道具13を移動さ
せるには、まず直前の位置決め姿勢から、道具13の軸ま
わりの物理的な回転を生じない次の位置決め姿勢へ移動
させるようにする。このとき移動後の姿勢に対応する回
転量γの値を、初期値設定装置３（第１図参照）によつ
て設定する。

このようにして第１図の座標変換装置４に入力される
情報である、道具13の位置・姿勢ベクトル は、位置を表す３成分ベクトルおよび姿勢を表すオイラ
角の３成分ベクトルから成る６成分ベクトルである。位
置ベクトルは原点移動、オイラ角で表現された姿勢を回
転行列で表現すれば、位置・姿勢ベクトル は下記の４×４位置・姿勢行列Ｔへ変換することができ
る。

からＴへの変換およびその逆変換をそれぞれf,f^-1で表
現する。

ここでＳは、第３図のワーク座標系Σｗから、道具13
に設定された相互に直交する３本の座標軸Xt,Yt,Ztから
成るツール座標系Σｔへの３行３列の座標回転行列であ
り、その各要素はα，β，γの関数でそれぞれ表され
る。

ワーク座標系Σｗにおいて表現された道具13の位置・
姿勢ベクトル は、後述される相互に直交する３本の座標軸Xr,Yr,Zrで
構成されるロボツト座標系Σｒにおける位置・姿勢ベク
トル へ、第３式により変換される。

ロボツト座標系Σｒでの位置・姿勢ベクトル は絶対座標系では となり、ワーク座標系Σｗでの位置・姿勢ベクトル は絶対座標系では となる。これは一致するので、 したがつて、 ここで、Tw,Trは、それぞれ後述されるようなワーク座
標系Σｗおよびロボツト座標系Σｒから絶対座標系Σ０
への座標変換行列である。

第４図は、絶対座標系Σ０、ロボツト座標系Σｒ、ワ
ーク座標系Σｗの関係を示す図である。相互に直交する
３本の座標軸X,Y,Zから成る絶対座標系Σ０に関して、
作業対象物体12の位置が設定される。この作業対象物体
12に関して、前述したようなワーク座標系Σｗが設定さ
れる。また、作業対象物体12に対して作業を行うロボツ
ト（図示せず）に関してロボツト座標系Σｒが設定され
る。

第５図は、本発明の一実施例のロボツトの機構をモデ
ル化して示した斜視図である。本実施例においては、そ
れぞれA1〜A5の長さを有するリンクL1〜L5が用いられ
る。これらの各リングL1〜L5には、相互に直交する３本
の座標軸Xi,Yi,Ziから成る座標系Σｉ（ｉ＝１〜６）が
夫々設定される。各リンクの端部はそれぞれ関節であ
り、各関節の回転量がθｉ（ｉ＝１〜６）である。上記
ロボツトの機構と道具の形状、その取付け方に基づい
て、前記位置・姿勢ベクトル を実現する各関節の角変位量θｉ（ｉ＝１〜６）を要素
とする関節角変位ベクトルΘ＝（θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,
θ６）を求めることができる。したがって、角変位量θ
ｉが各関節の構造上の動作範囲に納まるか否かをチエツ
クすることにより、入力装置１から入力された道具の位
置・姿勢ベクトル の実現可能性をチエツクすることができる。上述の各関
節の構造上の動作範囲というのは、ロボツト本体の各関
節ごとに各軸値としてとり得る機械的なストロークの範
囲を意味し、前記位置・姿勢ベクトル を実現する各関節の各角変位量θｉが、動作範囲ai＜θ
ｉ＜bi（ｉ＝１〜６）を満足するか否かをチエツクす
る。一般的にいえば、ロボツトでは、アーム同士が衝突
しないように構成され、したがつて動作範囲に納まるか
否かをチエツクすることは、アーム同士の衝突等の回避
からくる動作範囲の制限を含むものではない。

また本発明において、実現される第２のチエツク機能
である干渉チエツク機能とは、ロボツトが前記角変位ベ
クトルΘで定められる姿勢をとつているとき、ロボツト
本体が空間的に占める部分を算出し、この空間部分と、
周辺部分のたとえば障害物などの空間的に占める部分と
が干渉するか否かを検証する機能である。このチエツク
機能について、以下に説明する。

第６図は多関節ロボツト14のロボツト本体15と、その
周辺の物体の形状を示す図であり、第７図はロボツトと
作業対象物体12との干渉チエツク方法を説明するための
図である。ロボツト本体15のハンド部16は、たとえば円
柱状である。したがつて第７図に示すように、円柱状の
ハンド部16を、その底面17の円周上の複数個（本実施例
においては８個）の点P1〜P8で近似する。

また作業対象物体12は、たとえば角柱状である。した
がつてロボツト座標系ΣｒのＹ軸と、ワーク座標系Σｗ
のＸ軸とが平行であると想定すると、作業対象物体12
は、第７図に示すように２つの平面18,19で近似でき
る。この２つの平面18,19に関して、ハンド部16と反対
側に形成される斜線を付した領域20が干渉領域であり、
ロボツトに対応する点が干渉領域20内に入らないことを
検証する。

この検証は、下記のようにして行われる。多関節ロボ
ツト14のハンド部16には、Σ６座標系（第５図参照）が
設定されており、第７図においてハンド部16として近似
した各近似点Pj（x6j,y6j,z6j）（ｊ＝１〜８）は、こ
のΣ６座標系で定義される。

これらの各近似点Pj（x6j,y6j,z6j）のロボツト座標
系Σｒにおける座標（xrj,yrj,zrj）は、下式によつて
求めることができる。

ここで行列Ti（ｉ＝１〜６）は、Σｉ座標系からΣ
_i-1座標系への座標変換行列であり、ここでΣ０は、ロ
ボツト座標系Σｒを意味する。行列Tiは、ベクトル（点
座標）の成分に対する変換行列である。

一方、第７図に示すように、作業対象物体12の境界に
対応する平面18のロボツト座標系Σｒでの方程式がｚ＝
ａ・ｘ＋ｂとすると、第７図の場合では下式で示される
条件が成立する限り、干渉が発生しないと判断できる。

ａ・xrj＋ｂ＞zrj（ｊ＝１〜８） ……（５） 同様にして、作業対象物体12の境界に対応する平面19に
ついても干渉のチエツクを行うことができる。

以上のようにして道具13の位置・姿勢ベクトル に対して、それを実現するロボツトとその周辺の障害物
との干渉を検証することができた。

以上の動作範囲チエツクおよび干渉チエツクは、第１
図のチエツク装置６において行われる。その２種のチエ
ツク結果が、第１図の判定装置９に与えられ、双方とも
可であるとき、そのときの道具の位置・姿勢ベクトル をロボツト制御データとする。一方、判定装置９におい
て、前記２つのチエツク結果の少なくとも一方が不可で
あつたとき、初期値設定装置３で設定した道具の軸まわ
りの回転量γｗを修正し、γｗ＋Δγｗを新たな値とし
て座標変換装置４に与え、再度チエツクを行う。こでΔ
γｗは、たとえば＋30°、−30°、＋60°、−60°、＋
90°、および−90°のように順次変更して、判定装置９
において可の判定がなされるまで干渉の各検証を繰返し
て行う。

ロボツトの或る時点の位置・姿勢ベクトル から、つぎの位置・姿勢ベクトル に至る途中の位置・姿勢を、補間演算によつて求めるこ
とができる。この補間演算によつて求められる前記ロボ
ツトの動作途中のすべての位置・姿勢に対し、前述した
判定装置９におけるチエツク結果の判定が可であれば、
その設定された道具の軸まりの回転量γw2を、制御デー
タとして採用する。一方、ロボツトの動作途中におい
て、不可の結果が得られたとき、前記つぎの位置・姿勢
ベクトル ２における回転量γw2の値を、前述したようにγw2＋Δ
γw2と変更し、再度同様な検証動作を行い、すなわち位
置・姿勢ベクトル ２に至る途中の位置・姿勢を上述と同様に補間演算し
て、その途中の位置・姿勢がロボツト本体の動作範囲内
にあるかを上述と同様にチエツクしてゆき、判定装置９
による判定結果が可となるまで繰返し検証を行い、こう
して前記途中の位置・姿勢である経路の全ての点におい
てチエツク結果の判定が可となるγｗを求める。

したがつて本実施例によれば、初期値設定装置３にお
いて、道具の軸まわりの回転量γｗを設定し、この回転
量γｗを含む入力された制御データベクトルXwに関して
チエツクを行う。このチエツク操作の判定結果に対応し
て、前記回転量γｗの値を変化して、再度チエツクを行
うようにした。したがつて、ロボツトの制御データを作
成するに当つて、実際の作業環境下でそのロボツトを実
際に動作させることなく、制御データを作成するように
できた。

したがつて、ロボツトへの制御データの教示において
道具の軸まわりの回転量の教示が不要となり、操作員の
労力を省くことができる。また内容が毎回異なる作業を
行うとき、各作業のたびにロボツトが周辺の障害物と衝
突しないことを、実際にロボツトを動作させて確認する
作業が不要となり、そのためにやはり操作員の労力を省
くことができ、また実際に作業を行つているロボツトを
停止させる必要がなくなるので、ロボツトを含む生産ラ
インの稼働率を向上することができる。

効果 以上のように本発明によれば、作業対象物体に対する
道具の位置および方向を入力し、この位置および方向を
実現するロボツトの各軸値が、構造上の動作範囲に納ま
り、ロボツト本体が周辺の障害物と衝突しないように、
道具の軸まわりの回転量を操作して、ロボツトの動作可
能な制御データを作成するようにした。したがつて制御
データの作成にあたり、道具の軸まわりの回転量を教示
することなく、作業対象物体などとの干渉を生じないロ
ボツトの制御データを作成するようにできた。したがつ
て、容易な操作によつてロボツトの制御データを作成で
きるとともに、このデータの確認にあたつてロボツトを
直接動作させる必要がなく、ロボツトを含む生産ライン
の稼働率を格段に向上することができた。

特に本発明では、通常のロボツト、すなわち自由度６
のロボツトを用い、道具13の軌跡として５自由度を要求
する、つまり軸まわりに回転対称な道具13を用いる作業
を対象としており、その道具13は、他の物体と絶対に干
渉することがないデータを作成することができる。

さらに本発明によれば、作業対象物体12による干渉領
域20の境界の平面18のロボツト座標系Σｒでの方程式を
求めて、干渉するかどうかを判定し、干渉するときに
は、道具13の軸まわりの回転量γｗ（γｗ＋Δγｗ）に
修正して、再び前記方程式に基づく判定を繰返すように
したので、自動的に、道具13が干渉することのないデー
タを得ることができる。

特に本発明では、各関節の回転量が動作範囲に納まら
ないか、あるいは干渉すると判断されたときには、各関
節の回転量が動作範囲に納まり、かつ干渉しなくなるま
で、道具の軸まわりの回転量を、γｗを中心に一定量Δ
γｗの整数倍を順次的に交互に増加、減少させてチエツ
クを行うようにしたので、ロボツトの制御データを自動
的に得ることができるという優れた効果が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロツク図、第２図は作業
対象物体12と、ワーク座標系Σｗとの関係を示す斜視
図、第３図は道具13と各座標系Σw,Σｔなどとの関係を
示す斜視図、第４図はワーク座標系Σｗとロボツト座標
系Σｒとの関係を示す斜視図、第５図は多関節ロボツト
のリンクL1〜L5の構成を模式的に示した斜視図、第６図
は多関節ロボツト14との作業対象物体12との関係を示す
図、第７図はハンド部16と、干渉領域20との関係を示す
図である。 ２……データ作成装置、３……初期値設定装置、４……
座標変換装置、５……関節角変位算出装置、６……チエ
ツク装置、９……判定装置、10……ロボツト制御装置、
11……回転量修正装置、12……作業対象物体、13……道
具、14……多関節ロボツト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石見 勝弘 明石市川崎町１番１号 川崎重工業株式 会社明石工場内 (56)参考文献 特開 昭60−16385（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−183408（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−110581（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−73289（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−186548（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−163001（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−77490（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−205284（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】道具の軸まわりに回転対称な、そのような
   道具を用いて、その教示点間を移動させながら加工を行
   う作業に対するロボツト制御データの作成方法におい
   て、 ワーク座標系Σｗにおける道具の先端位置（xw,yw,zw）
   およびオイラ角で表される姿勢（αw,βw,γｗ）のうち
   道具の軸まわりの回転量γｗを除く（αw,βｗ）を入力
   する第１ステツプと、 予め求めたγｗと、入力された（xw,yw,zw,αw,βｗ）
   で決められる道具の位置・姿勢ベクトル を、ロボツト座標系Σｒにおける位置・姿勢ベクトル へ変換して６自由度ロボツトの各関節の回転量θｉ（ｉ
   ＝１〜６）を求める第２ステツプと、 この回転量θｉ（ｉ＝１〜６）が各関節の構造上の動作
   範囲に納まるか否かをチエツクする第３ステツプと、 ６自由度ロボツトのハンド部16の外形上の複数の点を定
   め、これらの点のロボツト座標系Σｒにおける座標値を
   求める第４ステツプと、 作業対象物体12の平面で囲まれた凸干渉領域20を定め、
   その干渉領域20の境界の平面18のx,y,z直交座標系であ
   るロボツト座標系Σｒでの平面方程式 ｚ＝ｇ（ｘ） （ここで、ｇ（ｘ）はｘの関数であつて、しかもｙの値
   には依存しない関数である） に、ハンド部16の外形上の複数の各点P1〜P8のロボツト
   座標系Σｒの座標値を前記平面方程式と左辺と右辺とに
   それぞれ代入して、左右両辺の値の大小を比較し、ハン
   ド部16が作業対象物体の空間に存在するか否かをチエツ
   クし、干渉の有無を判定する第５ステツプと、 各関節の回転量が許容される動作範囲内に納まらない
   か、あるいは干渉すると判断されたときには、各関節の
   回転量が動作範囲に納まり、かつ干渉しなくなるまで、
   道具の軸まわりの回転量を（γｗ＋Δγｗ）、（γｗ−
   Δγｗ）、（γｗ＋２Δγｗ）、（γｗ−２Δγｗ）、
   …というように、γｗを中心に一定量Δγｗの整数倍を
   順次的に交互に増加、減少させ、第２ステツプから第５
   ステツプを繰返す第６ステツプとを含むことを特徴とす
   るロボツト制御データの作成方法。