JP2604838B2 - 工業用ロボットの制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、教示・再生型の工業用ロボットの制御方法
に係り、搬送されるワークに追従して作業を行うことが
できる工業用ロボットの制御方法に関する。

「従来の技術」 従来、塗装や溶接等の作業を人間に代わって行う自動
機として、動作プログラムを変更することにより多様な
ワークにフレキシブルに対応可能な教示・再生型の工業
用ロボットが用いられている。そして、このような工業
用ロボットは、特に自動車等の流れ生産ライン等におい
ては、コンベア等により次々と搬送されるワークに対す
る作業に用いられることが多い。そして通常、静止して
いるワークに対してなされた教示データをもとに、ワー
クに対して取るべきロボットの姿勢をコントローラが演
算し、ロボット本体を搬送されるワークに追従するよう
に制御していた。

そして、上記の制御は、ロボット本体のアームに取り
付けられた作業具（例えば塗装ガン）がロボット本体に
対して平行移動又は回転移動するようにロボット本体を
動作させる機能をコントローラに設け、この機能を利用
して行っていた。すなわち、前記動作の速度をワークの
搬送速度に等しく設定し、静止しているワークに対して
教示された動作と前記動作を合成することにより行って
いた。そして、前記平行移動の方向は、通常ロボット本
体から見て前後（Ｘ軸方向），左右（Ｙ軸方向），上下
（Ｚ軸方向）の三方向に限定されており、また前記回転
移動の位置は、通常その回転中心位置と回転半径をコン
トローラに定数として与えることにより設定していた。

具体的にいえば、搬送経路が直線状である場合には、
コンベア等の搬送経路が例えば前記Ｙ軸方向になるよう
にロボット本体が据え付けていた。

また、搬送経路が円弧状である場合には、据え付けら
れたロボットに対するコンベア等の経路の中心位置と半
径を正確に測定し、この値を定数としてコントローラに
与え、前記回転移動機能を利用して行っていた。

「発明が解決しようとする課題」 上記従来の制御方法は、以下のような改善すべき点を
有していた。

すなわち、前記平行移動又は回転移動の位置あるいは
方向を実際のコンベア等の搬送経路に対応させる作業が
難しく時間と設備を要するものであった。つまり、直線
状のコンベア等の場合には、その搬送方向と例えば前記
Ｙ軸方向の平行度を出すために、多大な時間を要し、ま
た通常相当の重量を有するロボット本体を微動させるた
めの治具が必要であった。また、円弧状のコンベア等の
場合には、その中心位置と半径を正確に測定するために
多大な時間を要し、そのための測定具が必要であった。

また、ロボットの据付精度を上げるのに限界があり、
追従距離が長くなると誤差が増えロボットの作業品質が
低下していた。

さらに、搬送経路が直線状か円弧状でない場合には、
ロボット本体を搬送されるワークに追従させることがで
きなかった。このため、既存のコンベア等の搬送装置に
対しては、ロボット本体の据付場所が限られるか、直線
状が円弧状の搬送経路がない場合には追従させて用いる
ことができなかった。

本発明は上記従来の問題点に鑑みなされたものであっ
て、下記のような特長を有する工業用ロボットの制御方
法を提供することを目的としている。

（ａ）搬送されるワークにロボット本体を追従させるた
めの作業が簡単で、またそのためにロボット本体の据付
位置又は方向を調整したり、ワークの搬送経路のロボッ
ト本体に対する位置等を測定する必要がない。

（ｃ）ワークの搬送経路が直線又は円弧以外であって
も、搬送されるワークにロボット本体を追従させること
ができる。

「課題を解決するための手段」 本発明の工業用ロボットの制御方法は、ロボット本体
と該ロボット本体の制御及び教示データの記憶・演算等
を行うコントローラとを有する教示・再生型の工業用ロ
ボットにおいて、静止しているワークに対してなされた
教示データをもとに、搬送されるワークに追従してロボ
ット本体に作業を行わせることができる工業用ロボット
の制御方法であって、作業前に、搬送量が異なる２ケ所
以上の位置でワークの同一点を搬送量と対応させて教示
することにより、前記コントローラによりロボット本体
に対するワークの搬送経路を搬送量をパラメータとして
求めておき、作業時には、前記コントローラがこの搬送
経路のデータと搬送量に基づいてロボット本体を制御し
て搬送されるワークに追従するようにしたことを特徴と
している。

「作用」 本発明の工業用ロボットの制御方法は、作業前に、搬
送量が異なる２カ所以上の位置でワークの同一点を搬送
量と対応させて教示することにより、コントローラがロ
ボット本体に対するワークの搬送経路を搬送量をパラメ
ータとして求め、作業時には、コントローラがこの搬送
経路のデータと搬送量に基づいてロボット本体を制御し
て搬送されるワークに追従するようにする。このため、
搬送されるワークにロボット本体を追従させるための作
業としては、前述の搬送経路を求めるための教示作業の
みとなる。また、前述の教示作業により、搬送経路を求
めるための座標データは二つ以上与えられるため、搬送
経路が高次の方程式で表されるような複雑なものであっ
ても、コントローラの演算により求めることができる。

「実施例」 以下、本発明の一実施例を第１図〜第６図により説明
する。

まず、本発明の工業用ロボットの制御方法を実施する
ための装置の構成について説明する。

第１図は、塗装用ロボット及び搬送ラインの全体斜視
図である。また、第２図は該塗装用ロボットのブロック
図である。図において、１はワークである。ワーク１は
ハンガ２によりコンベア３の下に吊り下げられて、第１
図において矢印Ａで示す方向に搬送されるようになって
いる。

ここで、ハンガ２は、後述するワーク１に固定された
Z_W軸が常に鉛直方向を向き、X_W軸がコンベア３の搬送経
路を水平面上に投影してできた曲線の接線の方向に常に
一致するような構造になっている。

コンベア３には、搬送量検出手段４が設けられてい
る。この搬送量検出手段４は、作業開始位置に設けられ
てハンガ２の通過を検出するリミットスイッチ５と、コ
ンベア３の搬送量に比例してパルスを発生するパルス発
生器６とよりなっている。

コンベア３に隣接する場所にはロボット本体７が設けら
れている。ロボット本体７は、据え付けのためのベース
7aと該ベース7aに対して六つの自由度をもって動作する
手首先端部7bとを有するものである。このロボット本体
７は、前記リミットスイッチ５よりもコンベア３の下流
にあるワーク１に対して塗装作業ができるような位置に
据え付けられている。また、このロボット本体７の手首
先端部7bには、塗装ガン８が取り付けられている。

ここで、説明の便宜上、第１図に示すように座標等を
定義する。X_R,Y_R,Z_Rは、前記ベース7aに固定されたロボ
ット座標である。また、X_W,Y_W,Z_Wは、ワーク１に固定さ
れ、コンベア３の中心線からの鉛直線上にあるワーク１
の基準点Ｗを原点とするワーク座標である。また、X_G,Y
_G,Z_Gは、塗装ガン８に固定され、塗装ガン８の先端点Ｇ
を原点とするガン座標である。さらに、ｓはハンガ２が
リミットスイッチ５を動作させてから搬送された搬送経
路に沿う距離（以下、“搬送量”と呼ぶ。）である。な
お、Z_R軸は鉛直方向を向く軸である。また、前述のよう
にZ_W軸は常に鉛直方向を向くようになっており、X_W軸は
コンベア３の搬送経路を水平面上に投影してできた曲線
の接線の方向に一致するようになっている。

ロボット本体７には、第２図に示すようにコントロー
ラ９が接続されている。コントローラ９は、ロボット本
体７の姿勢の検知及び制御さらには該制御に必要な演算
等を行うものである。このコントローラ９は、前記リミ
ットスイッチ５及びパルス発生器６に接続されてこれら
の信号を取り込むようになっている。また、コントロー
ラ９には、メモリ10が接続されている。メモリ10は、ロ
ボット本体７の制御に必要な教示データ等を記憶するも
のである。

ここで、第２図において符号11は、前記リミットスイ
ッチ5,パルス発生器6,コントローラ9,メモリ10により構
成される制御装置である。

つぎに、上記構成からなる装置によって実施する、本
発明の工業用ロボットの制御方法について、第３図〜第
６図により説明する。

まず、ロボットに塗装作業の動作を教示する（以下、
この教示作業を“作業教示”と呼ぶ。）前に、搬送量ｓ
が異なる２カ所以上の位置でワークの同一点を搬送量ｓ
と対応させて教示する（以下、この教示作業を“搬送経
路教示”と呼ぶ。）ことにより、前記コントローラ９に
おいてロボット本体７に対するコンベア３の搬送経路を
搬送量ｓをパラメータとして求めておく。この搬送経路
教示は、ロボット本体７を据え付けた後で、最初の作業
教示の前ならばいつ行ってもよく、またロボット本体７
の据付位置又はコンベア３の搬送経路が変わらなけれ
ば、一度だけ行えばよい。そして、この搬送経路教示
は、ロボット本体７の作業領域におけるコンベア３の搬
送経路がｎ次の方程式で表される場合には、ｎ＋１箇所
の位置で行えばよい。

この搬送経路教示は、具体的には第４図に示すように
行う。まず、コンベア３を動作させワーク１を搬送さ
せ、リミットスイッチ５を動作させる。この際、コント
ローラ９は、step1〜step3の処理をおこない、リミット
スイッチ５の信号を受けて、パルス発生器６からのパル
スの数を計測するパルスカウンターの値を０とする。つ
ぎに、搬送量s₁のところでコンベア３を停止させる（ワ
ーク１は、第１図においてW₁で示す位置になる）。そし
て、ロボット本体７を動作させ、塗装ガン８の先端点Ｇ
をワーク１の基準点W₁（ワークの同一点）に一致させ、
その時のロボット本体の姿勢を教示する。この教示が終
了したならば、またワーク１を例えば第１図においてW₂
で示す位置に搬送させ、同様に教示を行う。その後、同
様の操作を必要回数（搬送経路がｎ次の方程式で表され
る場合には、ｎ＋１回）繰り返す。この際、コントロー
ラ９は、step4−１〜step4−５の処理を行う。これによ
り、ワーク１の基準点Ｗの前記ロボット座標における位
置データ（x,y,z）_ｉ（ｉ＝1,……,n＋１）及びこれに
対応した搬送量s_iが得られメモリ10に記憶される。

ここで、搬送量s_iは、リミットスイッチ５が動作して
からワーク１が停止するまでの時間ｔの間にパルス発生
器６より発生したパルス数P_tとパルス発生器６の特性に
より決まる比例定数K_pにより、下記のように求められ
る。

s_i＝K_p・P_t （１） その後、コントローラ９は、step5の処理を行う。こ
れにより、ワーク１の搬送経路を決めるための定数が求
められ、メモリ10に記憶される。すなわち、ワーク１の
基準点Ｗの搬送経路は、ワーク１の搬送量ｓを媒介変数
とすれば、ロボット座標において、 Ｘ＝a₀＋a₁・ｓ＋……＋a_n+1・sⁿ Ｙ＝b₀＋b₁・ｓ＋……＋b_n+1・sⁿ （II） Ｚ＝c₀＋c₁・ｓ＋……＋c_n+1・sⁿ と表され、基準点Ｗの位置データ（x,y,z）_ｉにより、a
_i,b_i,c_i（ｉ＝1,……,n＋１）が求められる。

つぎに、第５図に示すように作業教示を行う。まず、
上記搬送経路教示と同様にコンベア３を動作させてワー
ク１を搬送させ、リミットスイッチ５を動作させる。そ
して、ワーク１がある位置になったところでコンベア３
を停止させる。この際、コントローラ９は、step6〜ste
p8の処理をおこなう。

ここで、ワーク１を停止させる位置は任意であるが、
作業教示し易い位置が好ましい。

その後、コントローラ９は、step9の処理を行う。こ
れにより、ワーク１が停止した位置における、基準点Ｗ
のロボット座標における位置（x₀,y₀,z₀）とその位置で
の搬送経路のロボット座標におえる接線ベクトル が求められる。すなわち、ワーク１が停止するまでのパ
ルス数P₀によりワーク１の搬送量s₀は、式（Ｉ）と同様
に、 s₀＝K_p・P₀ （III） となり、これを式（II）に代入すれば、基準点Ｗの位置
座標（x₀,y₀,z₀）が求まる。また、搬送経路が式（II）
により表されている時、そのロボット座標における接線
ベクトル は、 l_t＝dx/ds＝a₁＋2a₂・ｓ＋……＋na_n+1・s^n-1 m_t＝dy/ds＝b₁＋2b₂・ｓ＋……＋nb_n+1・s^n-1 （IV） n_t＝dz/ds＝c₁＋2c₂・ｓ＋……＋nc_n+1・s^n-1 であるので、この式（IV）にs₀を代入すれば、 が求められる。またその後、コントローラ９は、step10
の処理を行う。これにより、Ｗ＝（x₀,y₀,z₀）における
ワーク座標からロボット座標への座標変換マトリックス とその逆マトリックス が求められる。すなわち、前述のハンガ２の構造から、
第３図に示すように、ワーク１の搬送経路の接線ベクト
ル が与えられれば、ロボット座標とワーク座標との関係が
決まるので、座標変換マトリックス を求めることができる。

さらにその後、ロボット本体７を動作させて作業教示
を行う。この際、コントローラ９は、step12−１〜step
12−４を処理する。これにより、教示点毎のガン座標か
らロボット座標への座標変換マトリックス が求められ、指定された作業速度v_iとともにメモリ10に
記憶される。そして、コントローラ９は、step12の後
で、step13を処理する。これにより、step12で教示され
た作業プログラムの作業時間T_Wが算出され、メモリ10に
記憶される。

そして、第６図は前記作業プログラムを実行させる際
のコントローラ９の動作を示している。

ワーク１がリミットスイッチ５の上流から搬送され、
リミットスイッチ５を動作させると、コントローラ９は
step16,step17,step18−１〜step18−７の処理を実行す
る。すなわち、コントローラ９は、リミットスイッチ５
の動作からT_Wの時間が経過するまで微小時間Δｔ毎に以
下の動作を繰り返す。

まずメモリ10に記憶された座標変換マトリックス に対応するロボット座標におけるロボット本体７の位置
姿勢を表す座標変換マトリックス （ここで、ｔはリミットスイッチ５が動作してからの時
刻）を算出する。そして、時刻ｔにおけるパルス数P_tか
らワーク１の搬送量s_tを算出し、このs_tからワーク１の
位置（x_t,y_t,z_t）及び接線ベクトル を算出する。さらに、この接線ベクトル から、ワーク座標からロボット座標への座標変換マトリ
ックス を計算し、最後に下記式（Ｖ）により求められるロボッ
ト姿勢 を目標姿勢としてロボット本体７を動作させる。

ここで、 は上述のように、作業教示を行った際の位置にワーク１
がある時のロボット座標からワーク座標への座標変換マ
トリックスであるため、 は、ワーク座標におけるロボット本体７の姿勢ベクトル
であり、時刻ｔにおいてロボット本体７が取るべき姿勢
をワーク１から見たものである。また、 は、上述のように、時刻ｔにおけるワーク座標からロボ
ット座標への座標変換マトリックスである。このため、 は、時刻ｔにおいて搬送されるワーク１に対して、ロボ
ット本体７が取るべき位置姿勢を表す座標変換マトリッ
クスとなる。これにより、ロボット本体７は、ワーク１
に追従して、作業教示により記憶された塗装作業をなす
ことができる。

本実施例の工業用ロボットの制御方法は、以下のよう
な効果をもたらす。

第一に、ロボット本体７を搬送されるワーク１に追従
させるための作業としては、ワーク１の基準点Ｗを教示
するだけでよく、ロボット本体７の据付位置を調整する
等の必要がないため、作業が非常に容易になる。このた
め、搬送経路の変更，ロボット本体７の据付位置の変更
にともなう作業が容易になり、簡単に据付変更等ができ
る。また、作業が難しいために追従精度が低下すること
がない。

第二に、ワーク１の搬送経路が高次の方程式で表され
るような複雑なものであっても追従させることができ
る。このため、複雑な搬送経路に対してもロボット本体
７を略任意な位置に据え付けて作業を行わせることがで
きる。

第三に、ロボット本体７の動作時には、コントローラ
９は搬送量ｓをもとにロボット本体７の姿勢を演算し、
ロボット本体７を動作させるので、ロボット本体７の動
作範囲が許す限り、ワーク１がどの位置にきた時点から
でも動作を開始できる。具体的に言えば、上記の説明で
は、ワーク１がリミットスイッチ５を動作させた時点か
らロボット本体７を動作させているが、リミットスイッ
チ５が動作した後にロボット本体７を動作させてもよ
い。このため、ロボット本体７の動作開始時点が限定さ
れないので、教示をやり直さなくても、容易にロボット
の作業エリアをコンベア３の経路の沿って変更すること
ができるという効果がある。

なお、上記実施例において、ロボットの作業教示は、
PTP（Point to Point）教示方式を採用した場合である
が、その他の方式例えばCP（Continuous Path）教示方
式を用いることもできる。

「発明の効果」 本発明の工業用ロボットの制御方法は、ロボット本体
を搬送されるワークに追従させるための作業としては、
ワークの同一点を教示するだけでよく、ロボット本体の
据付位置を調整する等の必要がないため、作業が非常に
容易になる。このため、搬送経路の変更，ロボット本体
の据付位置の変更にともなう作業が容易になり、簡単に
据付変更等ができる。また、作業が難しいために追従精
度が低下することがない。

また、ワークの搬送経路が高次の方程式で表されるよ
うな複雑なものであっても追従させることができる。こ
のため、複雑な搬送経路に対してもロボット本体を略任
意な位置に据え付けて作業を行わせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第２図は本発明の工業用ロボットの制御方法を
実施するための装置の一例を示すものである。第１図は
塗装用ロボット及び搬送ラインの全体斜視図であり、第
２図は塗装用ロボットのブロック図である。 第３図〜第６図は本発明の工業用ロボットの制御方法の
一例を説明するための図である。第３図はロボット座標
とワーク座標の関係を示す図である。第４図〜第６図は
コントローラの処理のブロック図であって、第４図は搬
送経路教示のブロック図、第５図は作業教示のブロック
図、第６図はロボット本体が作業をする際のブロック図
である。 １……ワーク、４……搬送量検出手段、７……ロボット
本体、９……コントローラ、11……制御装置。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロボット本体と該ロボット本体の制御及び
   教示データの記憶・演算等を行うコントローラとを有す
   る教示・再生型の工業用ロボットにおいて、静止してい
   るワークに対してなされた教示データをもとに、搬送さ
   れるワークに追従してロボット本体に作業を行わせるこ
   とができる工業用ロボットの制御方法であって、作業前
   に、搬送量が異なる２ケ所以上の位置でワークの同一点
   を搬送量と対応させて教示することにより、前記コント
   ローラによりロボット本体に対するワークの搬送経路を
   搬送量をパラメータとして求めておき、作業時には、こ
   の搬送経路のデータと搬送量に基づいてロボット本体を
   制御して搬送されるワークに追従するようにしたことを
   特徴とする工業用ロボットの制御方法。