JP3021202B2 - ロボットの位置姿勢の誘導方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ロボットマニピュレ
ータの位置および姿勢の誘導を容易にしたロボットの位
置姿勢の誘導方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ロボットマニピュレータの位置および姿
勢を指示する作業は、大きく分けて図６(a) に示す直接
指示と、同図(b) に示す間接指示に分けられる。

【０００３】直接指示は、関節駆動用電源が入っていな
い状態のマニピュレータ１をオペレータ１１が手で直接
各関節をその作業動作通り動かして教示し、作業内容を
記憶させてその動作を再現させる指示方法である。

【０００４】この直接指示は、マニピュレータ１の各関
節を動かすのに必要な力を全てオペレータ１１が先端部
に加える力に依存している。このため、マニピュレータ
１の各関節部の設計を工夫して操作力を軽減させる必要
がある。

【０００５】しかし、各関節部を軽い力で動かすことが
できるようにすると、マニピュレータ１の自重をオペレ
ータ１１に預けてしまうので、バランス機構が採り入れ
てこの負担を軽減している。

【０００６】図６(b) に示す間接指示については、この
指示方法は遠隔指示装置12に多数配置された操作ボタン
の中からオペレータ11が所用の操作ボタンを操作してマ
ニピュレータ１を動かす指示方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たように直接指示は、直接マニピュレータ１を動かす方
法を採る限り、操作力を軽減させることはできても、オ
ペレータ11の負担は根本的には無くならない。

【０００８】また、間接指示は、オペレータ１１は多数
の操作ボタンの中から、ある動作を教示するため、どの
ボタンを操作すれば良いかを理解する必要があり、操作
ミスをする可能性も多い。このため、オペレータ１１は
特別に訓練された知識が要求され、しかも、この方法は
操作性も良くない。ジョイスティクによる指示方法もあ
るが基本的には同じ問題を抱えている。

【０００９】この発明は、このような問題を解決するた
めになされたもので、操作力を不要として、ロボットマ
ニピュレータの設計制約を軽減し、かつオペレータの負
担も軽減させることができる、マニピュレータタイプの
ロボットの位置姿勢の誘導方法を提供することを目的と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明のロボットの位
置姿勢の誘導方法は、ロボットの被誘導部署との相対的
位置関係を二次元的に判別する光学的映像処理手段およ
び被誘導部署との間隔を計測する距離計測手段を有し、
位置姿勢誘導手段を動かしたとき、光学的映像処理手段
および距離計測手段からの情報により、これら手段と被
誘導部署との相対的位置及び相対的姿勢関係が不変であ
るように、被誘導部署を誘導することを特徴としてい
る。

【００１１】

【作用】この位置姿勢誘導方法は、６軸以下の自由度の
マニピュレータの制御は、その先端部つまり誘導すべき
部署の位置および姿勢の目標値（６要素）を基準の制御
座標系で定めれば決定されることを利用したもので、マ
ニビュレータ誘導部である位置姿勢誘導装置を動かした
ときの相対的位置および相対的姿勢の計測値の変化をカ
メラと距離センサを用いて被誘導部署の位置と姿勢の偏
差に変換し、被誘導部署の現在位置・姿勢と併せて目標
の位置および姿勢を算出して、この目標の相対的位置お
よび相対的姿勢にロボットの被誘導部署を非接触で制御
誘導するものである。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明の一実施
例を説明する。図１〜図３は第１の実施例の位置・姿勢
の誘導方法の説明図である。これらの図において、１は
ロボットのマニピュレータで、２はマニピュレータ１の
手先である誘導対象となる先端部である。

【００１３】３はオペレータ11が手で持って、マニピュ
レータの先端部２との相対位置・姿勢を観測計測して、
その位置・姿勢を誘導するための距離センサ3aとカメラ
3bを備えた位置姿勢誘導装置である。位置姿勢誘導装置
３の距離センサ3aとカメラ3bの出力はそれぞれ制御装置
４の距離演算部4aと画像処理部4bに送られるようになっ
ている。

【００１４】さらに、距離演算部４ａの距離偏差計算結
果と画像処理部４ｂの画像処理結果は位置姿勢偏差演算
部４ｃに送られて、先端部２の現在位置・姿勢の偏差値
が算出される。

【００１５】位置姿勢偏差演算部４ｃの偏差算出出力
は、目標位置姿勢演算部４ｄに送られて、先端部２の誘
導すべき目標位置姿勢が計算されて、位置姿勢駆動部４
ｅを介してマニピュレータ１の先端部２を制御するよう
な装置構成により誘導する実施例である。

【００１６】このような装置構成において、位置姿勢誘
導装置３は、マニピュレータ１の先端部２との相対位置
および姿勢関係のベクトルＰn を位置姿勢誘導装置３を
基準とした誘導座標系Ｘs ，Ｙs ，Ｚs で計測する。

【００１７】ベクトルＰn は、位置成分Ｘn ，Ｙn ，Ｚ
n とＸs ，Ｙs ，Ｚs 各軸まわりの姿勢成分ｒxn，ｒy
n，ｒznの計６成分で構成され、これらの成分の内、Ｚs
軸方向の位置成分Ｚn は距離センサ３ａで計測される
相対距離ｄであるが、他の５成分はＺs 軸方向の位置成
分Ｚn の計測値に基づいてカメラ３ｂの画像上から求め
る。なお、これら各成分の単位系は、マニピュレータ１
を基準とした制御座標系Ｘm ，Ｙm ，Ｚm の単位と共通
している。

【００１８】また、マニピュレータ１の制御座標系Ｘm
，Ｙm ，Ｚm と先端部２を基準とした先端座標系Ｘt
，Ｙt ，Ｚt との位置姿勢の変換行列（４×４要素）
をＲmt，このＲmtと等価な位置姿勢ベクトルＰmtとす
る。

【００１９】また、先端部２と位置姿勢誘導装置３との
相対位置および姿勢関係のベクトルＰn の基準値をベク
トルＰref とし、その位置成分をＸref ，Ｙref ，Ｚre
f とし、姿勢成分をｒxr，ｒyr，ｒzrとする。そして、
それぞれの成分を、 Ｘref ＝Ｙref ＝０，Ｚref ＝ｄ0 ｄ0 は先端部２と位置姿勢誘導装置３との基準距離 Ｘref ＝Ｙref ＝Ｚref ＝０ とする。

【００２０】位置・姿勢の誘導に当たって、位置姿勢誘
導装置３が先端部２を見るときの位置がベクトルＰn ＝
Ｐref の位置にあるとする。この状態から図２に示すよ
うに位置姿勢誘導装置３を少し動かすと、相対位置およ
び姿勢の計測値が変化して、ベクトルＰn ’となる。

【００２１】この変化したベクトルＰn ’の成分をそれ
ぞれ、Ｘn ’，Ｙn ’，Ｚn ’およびｒxn’，ｒyn’，
ｒzn’とする。但しＺn ’はそのときの先端部２と位置
姿勢誘導装置３との距離ｄ’である。

【００２２】この変化したベクトルＰn ’と基準ベクト
ルＰref との偏差ΔＰが０になるように、つまり、Ｐn
’＝Ｐref となるようにマニピュレータ１を制御すれ
ば、マニピュレータ１の先端部２と位置姿勢誘導装置３
との間の相対的位置および姿勢は、Ｐn ＝Ｐref の一定
に保たれる。この変化を制御座標系Ｘm ，Ｙm ，Ｚm か
ら見ると、先端部２の現在の位置姿勢ベクトルＰmtに変
化量ベクトルΔＰの和、つまりＰmt＋ΔＰで表現でき
る。

【００２３】相対位置姿勢の変化分のベクトルΔＰと等
価な変換行列をΔＲとすると、制御座標系から見た先端
部２の位置姿勢ベクトルＰmtと等価な変換行列Ｒmtの次
の目標値Ｒmtref はベクトル演算により次式で求められ
る。 Ｒmtref ＝ΔＲ・Ｒmt

【００２４】このＲmtref はマニピュレータ１自身の制
御座標系Ｘm ，Ｙm ，Ｚm で表現されており、外部の座
標系とは関係ないので、マニピュレータ１の据付誤差な
どを補正する必要はない。

【００２５】この、次の目標値Ｒmtref は制御装置４の
目標位置姿勢演算部４ｄにおいて計算され、計算結果は
位置姿勢駆動部４ｅに送られてマニピュレータ１を、先
端部２と位置姿勢誘導装置３との間の相対的位置および
姿勢関係が一定になるように制御する。

【００２６】このように、位置姿勢誘導装置３の動きの
都度、その動作に追従してマニピュレータ１を制御すれ
ば、非接触の状態で先端部２を所要の位置および姿勢に
誘導することができる。図４，図５は第２の実施例の誘
導方法の説明図である。

【００２７】この実施例は、距離センサ３ａとカメラ３
ｂを備えた位置姿勢誘導装置３をマニピュレータ１の先
端部２に設けた実施例であり、オペレータ１１は位置姿
勢指示棒５を持ってその先端５ａによって、マニピュレ
ータ１に先端部２の位置・姿勢を指示するものである。

【００２８】この実施例は、先端部２に取付けた距離セ
ンサ３ａとカメラ３ｂが位置姿勢指示棒５の先端５ａの
位置姿勢を計測するもので、センサ３ａとカメラ３ｂの
位置が異なるのみで、誘導動作は第１の実施例と同様で
あるので説明を省略する。なお、この発明は上記実施例
に限定されるものでなく、要旨を変更しない範囲で変形
して実施できる。

【００２９】例えば、被誘導物であるマニピュレータの
先端部と位置姿勢誘導装置との位置または距離関係のみ
を一定に維持するように誘導して、姿勢は他の方法ある
いは計算により指示する方法も実施例でる。

【００３０】

【発明の効果】この発明によれば、以下の効果が期待で
きる。オペレータはマニビレータと非接触状態で位置お
よび姿勢の誘導作業を行うことができるので、 (1) 操作力を必要としない。そのためオペレータへの負
担を軽減できる。 (2) マニビレータ設計上の制約が少なくなる。また、誘
導方法は幾何学的な位置および相対姿勢の偏差を基にす
るので、 (3) 直観的であり、オペレータが操作に当たって戸惑う
ことが少なくなる。 (4) 据付の精度が不要である。 (5) 第１の実施例の方法では、既存のマニビレータのロ
ボットでも改造することなく実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例の位置姿勢誘導方法を
実施するための誘導制御装置のブロック構成図。

【図２】同実施例の誘導動作を説明する説明図。

【図３】同実施例におけるオペレータの位置・姿勢の指
示仕方の説明図。

【図４】第２の実施例の位置姿勢誘導方法を実施するた
めの誘導制御装置のブロック構成図。

【図５】同実施例におけるオペレータの位置・姿勢の指
示仕方の説明図。

【図６】従来のマニピュレータに位置および姿勢を指示
する作業の説明図。

【符号の説明】

１…マニピュレータ、２…先端部、３…位置姿勢誘導装
置、３ａ…距離センサ、３ｂ…カメラ ４…制御装置、４ａ…距離演算部、４ｂ…画像処理部、
４ｃ…位置姿勢偏差演算部、４ｄ…目標位置姿勢演算
部、４ｅ…位置姿勢駆動部、５…位置姿勢指示棒、５ａ
…先端、１１…オペレータ、１２…遠隔指示装置。

フロントページの続き (72)発明者 佐々木 拓 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−122711（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−260778（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−278779（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 9/22 B25J 9/10 G05B 19/42

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロボットマニピュレータのティーチングに
   おける動作位置姿勢ポイントを教えるときに、マニピュ
   レータの位置姿勢を誘導する方法において、 マニピュレータ誘導部とマニピュレータの被誘導部署と
   の間隔を計測する距離計測手段及びマニピュレータ誘導
   部である位置誘導装置とマニピュレータの被誘導部署と
   の相対的位置関係を二次元的に判別する光学的処理手段
   をマニピュレータ誘導部又はマニピュレータの被誘導部
   署のいずれかに設けて、マニピュレータ誘導部を動かし
   たとき、光学的映像処理手段及び距離計測手段によっ
   て、マニピュレータ誘導部とマニピュレータの被誘導部
   署との相対的位置及び相対的姿勢関係が不変であるよう
   に、マニピュレータの被誘導部署を動かすことを特徴と
   したマニピュレータの位置姿勢を誘導する方法。