JP2669075B2 - ロボットの位置と姿勢の直接教示装置及び直接教示方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はロボットの位置と姿勢の直接教示装置及び直
接教示方法に関し、特にティーチングプレイバック方式
のロボットや作業機械の教示作業において、教示データ
を読取り記憶させる操作を簡易化し作業能率を向上した
ロボットの位置と姿勢の直接教示装置及び直接教示方法
に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、力制御に基づくロボットの直接教示方法が提案
されている。この直接教示方法は、教示作業者がロボッ
トのアームの先部に設けられた手先効果器に力を加え、
この加えられた力をリスト部に備えた力センサで検出
し、力センサが出力する力信号に基づき且つ予め定めら
れた演算式により力制御を行う制御手段に従って、加え
られた力の方向に移動するようにロボットのアームの動
作を制御し、手先効果器の移動速度と移動方向を決定
し、手先効果器を目標とする位置に誘導して、教示デー
タを記憶するものである。この力制御によるロボットの
制御では、ロボットのアームに力を加えて誘導し、アー
ム先端の手先効果器の位置や姿勢を目標とする位置（姿
勢を含む）に位置決めした後、その位置決め地点で位置
や姿勢の教示データを記憶し、各位置決め地点ごとに教
示データの記憶を行うようにしていた。また、その他の
教示データの取り方としては、ロボットや作業機械の動
力装置を非能動状態にして教示を行うように構成された
直接教示方法で、教示データ読取り点の間隔を例えばコ
ントローラのサイクル時間などを利用して一定の時間的
な間隔として定め、この時間間隔に従って教示データを
記憶するものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記の従来の直接教示方法において、１点１点教示デ
ータを読込む地点を決めて教示データを記憶する方法に
よれば、例えば複雑な形状をしたワークの表面に沿って
倣うような作業では、ワークに沿って多数の教示点を設
定することとなり多数の教示点で位置と姿勢を教示しな
ければならず、そのため多大な時間と労力を要するとい
う欠点がある。

また、教示間隔を時間的なタイミングで設定した従来
方法では、教示点の時刻が決められているから教示作業
において厳密な時間管理が要求される。また、教示作業
全体に要する時間に依存して教示データの数が決まり、
作業に応じて教示データ数が変動するという不具合があ
る。更に、教示作業においてロボットを停止状態に維持
すると、教示データ記憶時点は一定の時間間隔によって
決まっているため、その停止状態でのデータが際限なく
記憶されることになる。従って、時間的なタイミングで
記憶を行う教示作業では、教示作業者の教示動作が非常
に重要となり、教示作業に非常な緊張を要求され、作業
を楽に行えないという欠点を有する。

また従来の技術文献として特開昭58−175005号公報を
挙げることができる。この文献によれば、人力でロボッ
ト本体を動かして教示作業を行うときに、教示の時点
を、位置検出手段で検出される位置データに基づいて移
動距離を求め、求めた移動距離と予め設定された一定値
とを比較することによって決定するようにしている。し
かしながら、この従来技術では、ワークの直線部の教示
作業では望ましい教示時点を正確に設定することができ
るが、曲線部ではこの曲線部に沿って移動距離を正確に
測定できず、このため望ましい教示間隔を決定できない
という問題を有する。

本発明の目的は、上記の従来の問題点に鑑み、力制御
によるロボットの位置と姿勢の直接教示作業において、
教示データ取込み時点を並進と回転の所定の移動距離で
設定できるように構成し、もって直接教示作業における
操作の簡易化、作業能率の向上、教示間隔の正確な設定
を企図したロボットの位置と姿勢の直接教示装置と直接
教示方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るロボットの位置と姿勢の直接教示装置
は、手先効果器を取付けたアームのリスト部に力センサ
を備え、厳密には既知でない加工線が設定されるワーク
上で、手先効果器に対してその位置と姿勢のうち少なく
とも一方を変更するための操作を加え、このとき力セン
サが出力する力信号を制御手段に入力し力信号に基づき
且つ制御手段による力制御に従って手先効果器を加工線
に沿って誘導し、加工線の上で適当な教示間隔で設定さ
れた複数の教示点で手先効果器の位置と姿勢を位置セン
サと位置検出手段を介して取出し記憶手段に記憶するよ
うに構成され、さらに、教示間隔を、並進動作に対応す
る並進移動距離（Δｌ）と回転動作に対応する回転移動
角度（Δθ）によって設定する教示間隔設定手段と、ロ
ボットの各部に配置された位置センサの出力信号から位
置検出手段が取出した位置データを入力して、直前の教
示点を基準にして手先効果器の移動距離と回転角度を演
算し、移動距離が並進移動距離（Δｌ）に達したときま
たは回転角度が回転移動角度（Δθ）に達したときにそ
の状態の位置を教示点として手先効果器の位置と姿勢の
データを記憶手段に記憶する演算手段とを備える。

また本発明に係るロボットの位置と姿勢の直接教示方
法は、教示作業者が、厳密には既知でない加工線が設定
されるワーク上で、力センサを介してアームに取付けら
れる手先効果器に対してその位置と姿勢のうち少なくと
も一方を変更するための操作を加え、このとき力センサ
が出力する力信号に基づき且つ制御手段による力制御に
従って手先効果器を加工線に沿って誘導し教示作業を行
う方法であり、教示作業者が並進動作に対応する並進移
動距離（Δｌ）と回転動作に対応する回転移動角度（Δ
θ）を教示間隔として設定し、手先効果器が誘導される
とき、直前の教示点を基準にして手先効果器の移動距離
と回転角度を自動的に演算し、移動距離が並進移動距離
（Δｌ）に達したときまたは回転角度が回転移動角度
（Δθ）に達したときにその状態の位置を教示点として
手先効果器の位置と姿勢の教示データを自動的に取込み
記憶することを特徴とする。

〔作用〕

上記のロボットの位置と姿勢の直接教示装置では、教
示作業を開始する時に教示間隔設定手段を用いて教示点
を決定する教示間隔を移動間隔として数値的に一定値を
与えることができ、この教示間隔が与えられると、教示
間隔演算手段が前記教示間隔に基づきロボットの位置セ
ンサから得られる位置データに基づき移動距離を判断し
て自動的に教示点を見出し、その時点でのロボットの手
先部の位置と姿勢を記憶手段に記憶させる。

上記のロボットの位置と姿勢の直接教示方法では、教
示作業者が作業の内容や作業状況に応じて教示点を定め
る教示間隔を並進及び回転の移動間隔として任意に与え
ることができ、教示間隔を設定した後は自動的にその教
示間隔を調べて教示点を決め教示データが記憶される。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明す
る。

第１図は本発明が適用されるロボットシステムの全体
構成を示す。第１図において、１はロボット本体で、複
数の関節部を有するアーム２が支持基台３に取付けら
れ、アーム２の各関節部の可動作用により、アームの手
先部は所要の位置に移動すると共にアーム全体は所要の
姿勢に変化する。アーム２の手先部に位置するリスト部
４に６軸の力センサ５が取付けられ、更に力センサ５の
先には、ワーク６に対して仕事を行う手先効果器７が取
付けられている。８はコントローラであり、このコント
ローラ８内にはコンピュータ等で構成される制御手段が
含まれ、予め定められた力制御のための演算式を用いて
且つ所定の手順でロボット１に対し力制御を実行する機
能を有している。コントローラ８は、ロボット１に対し
動作を指令するための指令信号９を与えると共に、力セ
ンサ５から力センサに加わる力に関する検出信号、すな
わち力信号10を取り込むように相互に電気的に接続され
ている。11は教示を行う作業者が所持するティーチング
ボックスであり、テンキー及び各種の指令をコントロー
ラ８に与えることのできる複数の操作スイッチが設けら
れている。その操作スイッチの中において、本実施例に
よるティーチングボックスでは直接教示ルーチンを呼び
出すためのスイッチ11A、ロボットのアーム手先部の位
置や姿勢を教示するためのスイッチ11B、教示間隔を設
定するための教示間隔設定スイッチ11Cが設けられてい
る。ティーチングボックス11はコントローラ８に接続さ
れており、作業者の操作でティーチングボックス11に与
えられたデータはコントローラ８に与えられる。

第２図に基づいてコントローラ８による制御機構の具
体的構成について説明する。本発明に係る直接教示装置
は、コントローラ８内に含まれるコンピュータ等を利用
して実現されるものであり、第２図に示される装置構成
では実質的に機能ブロック図として示されている。

第２図に示すように、コントローラ８内において機能
手段として先ず力検出部12、力成分座標変換部13、速度
演算部14、座標変換部15が設けられる。これらの機能手
段は、教示作業者がロボット１の手先効果器７に対し教
示の目的で力を加えた場合に、力センサ５で力を検出し
この加えられた力の方向にロボット１の手先効果器７を
動作させるための制御装置構成である。ロボット１のア
ームの動作モードは、速度演算部14に設定された力制御
のための演算式によって決められている。

上記の構成において、力検出部12は力センサ５が出力
する力信号を入力し、この力検出部12でロボット１のア
ーム２に対し誘導のため加えられた作業者による操作力
を検出する。検出された操作力に関する情報は力成分座
標変換部13に供給され、ここでロボット１のアーム２の
リスト部４に設けられたハンド座標系における、又はロ
ボット本体を基準としたベース座標系における直交３軸
方向についての軸方向の力と軸回りのモーメントに変換
する。このようにして求められた力とモーメントを基礎
に、速度演算部14でロボット１における各関節部に備え
られたモータの速度指令値を求める。具体的には、速度
演算部14には、例えば次のような演算式が設定されてい
る。

Vi:ベース座標系ｉ軸方向の並進の速度指令値 fi:操作力のｉ軸方向成分 M:仮想の質量 C:仮想の粘性減衰係数 上記の式において、力成分座標変換部13から与えられ
る力データfiを用いて、且つ固定値ＭとＣ（ただし、い
ずれの値も必要に応じて自由に変えることができる）を
用いて直交座標系の速度指令値を各軸について演算す
る。こうして得られた速度指令値は、座標変換部15でロ
ボット１の各関節部のモータの速度指令値に変換され、
各モータが駆動される。

更に、コントローラ８の中には位置検出部16と教示デ
ータ記憶部17とが設けられる。位置検出部16はロボット
１の各部に配設された図示しない位置センサからの出力
信号を入力し、所定の条件の下で、入力した位置信号か
ら位置データと姿勢データを取込み、指定された各教示
点におけるロボット１の位置や姿勢のデータを教示デー
タ記憶部17に送給する機能を有する。18は移動間隔演算
部であり、この移動間隔演算部18は後述するように位置
検出部16で得られた位置データ等を教示データ記憶部16
に記憶させる条件を与えるものである。

次にティーチングボックス11との関係について説明す
る。ロボット１の直接教示作業を行うときには、操作ス
イッチ11Aを押して直接教示ルーチンを呼び出す。これ
により作業者はロボット１の手先効果器７に対して力を
加えて教示作業を行うことができる。作業者によって手
先効果器７に加えられた力は力検出部12に送給される。
また前記教示データ記憶部17における記憶動作は、ティ
ーチングボックス11に設けられた教示スイッチ11Bのオ
ン動作によって行われる。また教示データ取込み時点は
教示間隔設定スイッチ11Cによって指示される。教示間
隔設定スイッチ11Cを操作することによって、並進動作
の場合には並進移動距離Δｌ、回転動作の場合には回転
移動角度Δθを任意に設定することができる。数値の入
力には、メニュー方式で与えても良いし、実際上ティー
チングボックス11のテンキーを使用してその都度入力す
ることもできる。教示スイッチ11Bの出力信号と教示間
隔設定スイッチ11Cの出力信号は前記の移動間隔演算部1
8に与えられる。

かかる構成において、移動間隔演算部18は、位置検出
部16で検出した位置情報と姿勢情報を入力し、この位置
情報等に基づいてロボット１の手先部分が移動した距離
と、リスト部４が回動移動した角度を演算し、これらの
演算値のいずれか一方が予め教示間隔設定スイッチ11C
によって設定された並進移動距離Δｌ、又は回転移動角
度Δθの値に達したとき、自動的に位置検出部17から出
力されるロボット１の位置と姿勢の教示データを記憶す
るように教示データ記憶部16に対し記憶指令信号を出
す。また、この教示データの記憶動作は、不要なデータ
を記憶しないように教示スイッチ11Bがオンしていると
きのみ有効となるようにプログラムされている。

次に第３図のフローチャートに従って本実施例による
直接教示装置の動作及び直接教示方法を説明する。この
フローチャートを実現するプログラムはコントローラ８
の中に用意される。

先ず、ステップ19において教示間隔を設定する。この
設定はティーチングボックス11における教示間隔設定ス
イッチ11Cを操作することにより行われる。教示間隔と
して、並進の場合には移動距離Δｌを、リスト部の回転
の場合には回転移動角度Δθをそれぞれ設定する。な
お、教示間隔の設定値は、予め内部に設定させておくこ
とも可能である。次の判断ステップ20では教示作業が終
了すべきか否かが判断される。終了すべきでない時に
は、ステップ21に移行し、教示スイッチ11Bの状態を判
断する。教示スイッチ11Bがオン状態のときには教示動
作を行い、ロボット１のアーム手先部のその時点（現
在）での位置と姿勢のデータを位置検出部16で検出し、
教示データを教示データ記憶部17に記憶する（ステップ
22）。次にステップ22で教示データとして記憶したロボ
ット１のアーム手先部の現在位置及び現在姿勢のデータ
を基準位置のデータとしてセットし、基準位置データ
は、位置データがP₀、姿勢データがQ₀としてセットされ
る（ステップ23）。この基準位置は、ロボット１の次の
移動において移動間隔を計算するための始点位置となる
ものである。次にステップ24でロボット１を移動させる
ためのプログラムを実行してロボット１を移動させる。
この移動は、力制御に基づくアーム２の手先部の移動で
あり、教示作業者によるアーム誘導によるアーム手先部
の移動を意味する。第３図に示されるフローチャートで
は、移動中のロボットの位置を検出する手順を分かりや
すくするために同一制御ループ上に移動のためのループ
を示したが、ロボット１の移動は別の制御ルーチンで実
行することもできる。

次いで、所定の１サイクルごとに移動中のロボット１
の現在位置を位置データPi、姿勢データQiとして位置検
出部16で検出する（ステップ25）。移動間隔演算部18
は、先に設定した基準位置（P₀,Q₀）と今回入力した現
在位置（Pi,Qi）のデータを用いて２つのデータの差を
取り、ロボットの移動間隔を演算する（ステップ26）。
このとき求められた演算値は、並進移動による差を並進
移動量ΔＰとし、回転移動による差を回転移動量ΔＱと
する。ここで、再び教示スイッチ11Bがオンであるか否
かを判定する（ステップ27）。教示スイッチ11Bがオン
のままであれば、並進移動量ΔＰと並進移動間隔Δｌを
比較し、且つ回転移動量ΔＱと回転教示間隔Δθを比較
し、Δｌ≦ΔＰ又はΔθ≦ΔＱの条件が満足される場合
において、ステップ22に移行してロボット１の手先部の
現在位置を検出して位置と姿勢の教示データを記憶し、
その後ステップ23以降の上記各ステップを繰り返す（ス
テップ28）。ステップ28における条件が満足されない時
には、移動のステップ24に移行し、次の移動ルーチンを
実行し、その後前記ステップ25〜28を繰り返す。

ステップ27において、教示スイッチ11Bがオフである
と判定された場合には、ロボット１の現在位置を位置検
出部16を介して検出し、これを教示データとして教示デ
ータ記憶部17に記憶する（ステップ29）。その後は移動
ルーチンを実行するステップ30に移り、教示作業判定の
ステップ20まで戻る。ステップ20において、教示作業が
終了したと判定されれば、教示作業は終了する。なお、
ステップ21で条件が満たされない時にもステップ30に移
行する。以上の手順によって本発明に係る直接教示方法
が実行される。

第４図は本発明による直接教示方法を用いた作業例を
示し、この作業は工具である手先効果器７をワーク６′
に倣わせる作業である。第４図において、手先効果器７
をワーク６′の倣い開始点Ａに誘導し、この開始点Ａに
おいて教示スイッチ11Bをオンにする。この時に、前記
フローチャートのステップ21と22で説明したように、開
始点Ａにおけるロボット１の手先効果器７の位置と姿勢
に関する教示データが教示記憶部16に記憶される。次い
で、手先効果器７をワーク６′に沿って教示作業者が誘
導すると、ステップ19において教示間隔設定スイッチ11
Cによって予め設定されている教示間隔Δｌ（並進の場
合）又はΔθ（回転の場合）ごとに手先効果器７の位置
と姿勢の教示データが自動的に記憶される。この部分の
直接教示作業のための制御は前記ステップ22乃至28によ
って実行される。最後にワーク６′の倣い終了点Ｂに手
先効果器７を誘導した時点で教示スイッチ11Bをオフに
すると、終了点Ｂにおける位置と姿勢の教示データが記
憶される（ステップ29に対応）。

なお、第４図では手先効果器７の直接教示作業の実行
例を２次元において説明しているが、３次元的なワーク
に対し３次元的な移動を行う場合も同様に行われる。

以上のように、教示間隔を、並進の場合にはその移動
距離で、回転の場合にはその回転角度でそれぞれ管理
し、自動的に教示点を定め、その教示点における教示デ
ータを記憶することにより、ワークの形状に沿って工具
を移動するだけでロボットに教示をすることができるた
め、教示能率が極めて向上し、その上にワークの直線部
及び曲線部のいかなる部分でも望ましい教示間隔を正確
に設定することができる。また、本実施例によるもので
は移動距離または角度によって教示間隔を管理している
から、教示作業中にロボット１のアームの移動を停止さ
せている場合には、時間で管理されるものとは異なり、
表示データが不必要に記憶されることはない。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば次のよ
うな効果が生じる。

力制御によるロボットの直接教示作業において、教示
作業者等が任意に設定し得る移動間隔を教示間隔として
用いるように構成したため、前記移動間隔ごとに位置と
姿勢の教示データを連続して自動的に教示することがで
きる。教示作業者はロボットのアームを誘導するだけで
作業を行うことができ、移動時間に対しても注意を払う
必要がなく、自分のペースで作業を行うことができるの
で、教示作業が楽になり、教示作業の能率を向上し、ま
たワークの直線部及び曲線部のいかなる部分でも望まし
い教示間隔を正確に設定することができる。

また、バリ取り作業のようにワークのエッジに沿って
その形状を倣う作業の教示においては、手先効果器をワ
ークに接触させ、ワークのエッジに倣いながら教示する
ことも可能であることから、比較的に正確な位置と姿勢
の教示を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用されるロボットシステムの全体構
成図、第２図は本発明に係る直接教示装置の構成を示す
ブロック図、第３図は本発明に係る直接教示装置の動作
を示すフローチャート、第４図は直接教示作業の一例を
示す作業図である。 〔符号の説明〕 １……ロボット ２……アーム ４……リスト部 ５……力センサ 6,6′……ワーク ７……手先効果器 ８……コントローラ 11……ティーチングボックス 11A……直接教示ルーチン呼出しスイッチ 11B……教示スイッチ 11C……教示間隔設定スイッチ 14……速度演算部 16……位置検出部 17……教示データ記憶部 18……移動間隔演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 榑沼 透 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 筒井 真作 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭58−175005（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−115505（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】手先効果器を取付けたアームのリスト部に
   力センサを備え、厳密には既知でない加工線が設定され
   るワーク上で、前記手先効果器に対してその位置と姿勢
   のうち少なくとも一方を変更するための操作を加え、こ
   のとき前記力センサが出力する力信号を制御手段に入力
   し前記力信号に基づき且つ前記制御手段による力制御に
   従って前記手先効果器を前記加工線に沿って誘導し、前
   記加工線の上で適当な教示間隔で設定された複数の教示
   点で前記手先効果器の位置と姿勢を位置センサと位置検
   出手段を介して取出し記憶手段に記憶するように構成さ
   れたロボットの位置と姿勢の直接教示装置において、 前記教示間隔を、並進動作に対応する並進移動距離（Δ
   ｌ）と回転動作に対応する回転移動角度（Δθ）によっ
   て設定する教示間隔設定手段と、 前記ロボットの各部に配置された前記位置センサの出力
   信号から前記位置検出手段が取出した位置データを入力
   して、直前の教示点を基準にして前記手先効果器の移動
   距離と回転角度を演算し、前記移動距離が前記並進移動
   距離（Δｌ）に達したときまたは前記回転角度が前記回
   転移動角度（Δθ）に達したときにその状態の位置を教
   示点として前記手先効果器の位置と姿勢のデータを前記
   記憶手段に記憶する演算手段と、 を備えることを特徴とするロボットの位置と姿勢の直接
   教示装置。
2. 【請求項２】教示作業者が、厳密には既知でない加工線
   が設定されるワーク上で、力センサを介してアームに取
   付けられる手先効果器に対してその位置と姿勢のうち少
   なくとも一方を変更するための操作を加え、このとき前
   記力センサが出力する力信号に基づき且つ前記制御手段
   による力制御に従って前記手先効果器を前記加工線に沿
   って誘導し教示作業を行うロボットの直接教示方法にお
   いて、 教示作業者が並進動作に対応する並進移動距離（Δｌ）
   と回転動作に対応する回転移動角度（Δθ）を教示間隔
   として設定し、 前記手先効果器が誘導されるとき、直前の教示点を基準
   にして前記手先効果器の移動距離と回転角度を自動的に
   演算し、 前記移動距離が前記並進移動距離（Δｌ）に達したとき
   または前記回転角度が前記回転移動角度（Δθ）に達し
   たときにその状態の位置を教示点として前記手先効果器
   の位置と姿勢の教示データを自動的に取込み記憶する、 ことを特徴とするロボットの位置と姿勢の直接教示方
   法。