JP3633760B2 - ロボットマニピュレータの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接作業やシーリング作業といったロボットマニピュレータを経路に追従させる作業において、必要なマニピュレータの位置姿勢を決定すべくマニピュレータの関節角度指令値を生成して制御するのに直接使用するロボットマニピュレータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットシステムが動作するべき経路を獲得する方法には、操作者がマニピュレータを操作しながら作業前にロボットシステムに教示する方法、センサにより検出された情報をもとにロボットシステムが算出する方法［例えば、特開昭６３−１１４８５３号］、作業前に教示された経路をセンサ情報に基づき修正する方法［特開平７−２６６２７２号］などがとられている。
【０００３】
前記経路を教示する方法では教示点の位置だけでなく、その点における姿勢も同時にロボットシステムに教示している。前記センサを用いる方法では、経路に対する姿勢を予め設定し、設定した位置姿勢でマニピュレータに経路を倣わせている。例えば、経路に対するツールの姿勢は維持したまま、絶えずセンサの検出領域中心が経路にくるようにマニピュレータの関節角度を決定している。
【０００４】
前記センサ情報と教示情報の両方を用いる場合は、事前に教示された位置姿勢情報と逐次検出されるセンサ情報をもとに経路を算出し、さらに事前に設定された経路に対するロボットの位置姿勢を実現するようにロボットの関節角度を決定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
教示により事前にロボットの位置姿勢を記憶させる方法では、ツールが目的の作用を対象物体に及ぼすことができ（ツール条件）、かつマニピュレータの動作が可動範囲におさまり（可動範囲条件）、かつマニピュレータが動き易い（可操作度条件）位置姿勢を人間が判断しながら教示する必要があるため、多大の労力を要するという欠点を有していた。
【０００６】
特に、教示データとセンサデータの両方を用いる方法では、センサが経路を捉えることができる（センサ条件）位置姿勢をも考慮する必要があり、さらなる労力と時間を要していた。
【０００７】
一方、センサのみを用いる方法では、例えば経路に対するツール姿勢を固定した場合、センサの視野に経路が入る姿勢を実現できない場合がある。また、予め設定した姿勢ではロボットの可動範囲を超える可能性もあった。
【０００８】
ここにおいて本発明の解決すべき主要な目的は、次の通りである。
即ち、本発明の第１の目的は、上述した課題を解決し、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、その他の新規条件についての重み付けとなるそれぞれ任意数値からなる重要度を動作途中でもその都度外部から随時入力を受付けることにより調節可能とし、重み付け後のこれらを統合した条件を満たしたマニピュレータの位置姿勢を実現すべくマニピュレータの関節角度指令値を自動で算出するロボットマニピュレータの制御装置を提供せんとするものである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、予め、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、その他の新規条件の評価関数と重み付き評価関数を算出し、その上で全重み付き評価関数を統合した統合化評価関数を用いるロボットマニピュレータの制御装置を提供せんとするものである。
【００１０】
本発明の第３の目的は、センサデータ又は教示データをもとにマニピュレータが動作する経路をそれぞれ求める二通りのいずれかを用いるロボットマニピュレータの制御装置を提供せんとするものである。
【００１２】
本発明のその他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から自ずと明らかとなろう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題の解決をするに際し、マニピュレータ先端とその近傍にそれぞれツールとセンサを取り付けた多関節マニピュレータにおいて、新規条件重み付き評価関数生成部と、ツール条件評価関数生成部と同重み付き評価関数生成部と、センサ条件評価関数生成部と同重み付き評価関数生成部と、可動範囲条件評価関数生成部と同重み付き評価関数生成部と、可操作度条件重み付き評価関数生成部と、評価関数統合部と、経路生成部と、座標変換部と、マニピュレータ関節角度生成部と、関節角度制御部とを備えて、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件及びその他の新規条件についてそれぞれ任意数値からなる重要度を動作途中でもその都度外部から随時入力を受付けることにより調節可能に構成される。
【００１４】
当該多関節マニピュレータが動作するべき経路をセンサのデータあるいは教示データをもとに算出し、算出された経路をツールが追従するようにマニピュレータの関節角度を制御するに当っては、まず、ツール条件とセンサ条件と関節の可動範囲条件と関節角度の可操作度条件とその他の新規条件に関するそれぞれの重み付き評価関数を統合した統合化評価関数を求めて置く。
【００１５】
次いで、前記センサデータを用いて経路を算出する場合には、前記経路と、検出手段によって得られたマニピュレータの関節角度と、当該経路及び当該関節角度によりそれぞれ算出された、前記ツールと前記センサのそれぞれ位置姿勢及び前記新規条件の変数と、をもとに前記統合化評価関数を最適化しつつマニピュレータの関節角度を逐次生成してその位置姿勢を逐次最適自動制御する。
【００１６】
又は、前記教示データを用いる経路を算出する場合には、前記経路と、教示ファイルに書き込まれた手先姿勢から逆運動学を解析して算出したマニピュレータの関節角度と、当該関節角度と前記経路とにより、それぞれ算出された、前記ツールと前記センサの位置姿勢及び前記他の新規条件の変数と、をもとに前記統合化評価関数を最適化しつつマニピュレータの関節角度を逐次生成してその位置姿勢を逐次最適自動制御する。
【００１７】
本発明によれば、ツール条件とセンサ条件と可動範囲条件と可操作度条件と他の新規条件に関する評価関数を動作途中でもその都度外部から入力された重要度に基づき随時重み付け調節可能に構成し、これら重み付き評価関数を統合した評価関数を最適にすることにより、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、他の新規条件を満足するマニピュレータの関節角度を算出することができる。
【００１８】
このとき、状況に応じて各条件の重要度を動作途中でもその都度随時入力変更可能に構成することにより各条件の許容範囲内で重要度に応じたマニピュレータの関節角度を算出することができる。また、既存の教示データ、あるいは倣い経路の位置のみを重視して作成した教示データの姿勢情報を、本発明により算出したマニピュレータ関節角度をもとに順運動学を解いて算出した手先位置姿勢に変更すれば、教示データを修正することが可能である。
【００１９】
ここにおいて、更に具体的詳細に述べれば、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手段を採用することにより、前記目的を達成する。
【００５５】
本発明装置の第１の特徴は、マニピュレータの先端とその近傍にそれぞれツールとセンサを取り付けて、当該マニピュレータが動作するべき経路をセンサデータあるいは教示データをもとに算出し、算出された経路を追従するようにマニピュレータの関節角度を制御するロボットマニピュレータの制御装置において、ツール条件評価関数生成部を前置直結し、前記ツールの重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を前記ツール条件評価関数生成部にて生成されたツール条件評価関数に乗じてツール条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有するツール条件重み付き評価関数生成部と、センサ条件評価関数生成部を前置直結し、前記センサの重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を前記センサ条件評価関数生成部にて生成されたセンサ条件評価関数に乗じてセンサ条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有するセンサ条件重み付き評価関数生成部と、関節に関する可動範囲条件評価関数生成部を前置直結し、前記ロボットマニピュレータの各関節の可動範囲の重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を前記可動範囲条件評価関数生成部にて生成された可動範囲条件評価関数に乗じて可動範囲条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有する可動範囲条件重み付き評価関数生成部と、前記ロボットマニピュレータの前記関節角度を検出する検出手段に接続し、当該検出手段によって得られた当該関節角度により前記可操作度を算出する演算手段と、当該可操作度の重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を当該可操作度に乗じて可操作度に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有する可操作度条件重み付き評価関数生成部と、前記ロボットマニピュレータの前記他の新規条件の望ましい値と、その許容範囲をあらわす値及びその重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該許容範囲内にのみ値を持ち、かつ極小値又は極大値を持つ評価関数を算出した後に、当該重要度を当該評価関数に乗じて他の新規条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有する他の新規条件重み付き評価関数生成部と、前記全ての重み付き評価関数を統合化する評価関数統合部と、前記センサデータと前記検出手段からそれぞれ経路情報と関節角度情報を、あるいは教示データから経路情報と関節角度情報を生成する経路生成部と、当該経路情報と当該関節角度情報とにより座標変換し経路に対するツール位置及びツール姿勢、経路に対するセンサ原点位置、経路上特徴点位置あるいは仮想特徴点位置を算出する座標変換部と、当該関節角度情報と当該ツール位置及び当該ツール姿勢と当該センサ原点位置と当該特徴点位置あるいは仮想特徴点位置により統合化評価関数を最適化してマニピュレータ関節角度指令値の運動指令値信号を逐次生成するマニピュレータ関節角度生成部と、当該マニピュレータ運動指令値信号を駆動指令信号に変換して当該マニピュレータ関節角度を制御する関節角度制御部と、を備えてなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００５６】
本発明装置の第２の特徴は、前記本発明装置の第１の特徴におけるツール条件評価関数生成部が、マニピュレータに装着されたツールが経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値及び当該経路に対して当該ツールがとるべき位置姿勢の許容範囲を表す数値を入力する手段と、当該入力手段により入力された許容範囲内に値をもち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値を持つ評価関数を算出する演算手段と、を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００５８】
本発明装置の第３の特徴は、前記本発明装置の第１又は第２の特徴におけるセンサ条件評価関数生成部が、センサが経路を認識するために当該センサが当該経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値及び当該センサが当該経路に対してとるべき位置姿勢の範囲を表す数値を入力する入力手段と、当該入力手段により入力された許容範囲内に値をもち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段と、を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６０】
本発明装置の第４の特徴は、前記本発明装置の第１、第２又は第３の特徴における可動範囲条件評価関数生成部が、ロボットマニピュレータの各関節の可動範囲を表す数値を入力する入力手段と、当該入力手段により入力された可動範囲内にのみ値をもち、かつ極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段と、を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６４】
本発明装置の第５の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における評価関数統合部が、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件及び他の新規条件に関するそれぞれの重み付き評価関数を統合した評価関数を算出する演算手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６５】
本発明装置の第６の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における経路生成部が、センサデータあるいは教示データからツールが追従すべき経路を算出する演算手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６６】
本発明装置の第７の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５又は第６の特徴における座標変換部が、経路と、関節角度により当該経路に対するツールとセンサのそれぞれの位置姿勢を算出する演算手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６７】
本発明装置の第８の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴におけるマニピュレータ関節角度生成部が、経路と、関節角度と、これ等によりそれぞれ算出されたツールとセンサのそれぞれの算出位置姿勢及び新規条件の変数をもとに統合化評価関数を最適化するようにマニピュレータの関節角度を算出する演算手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６８】
本発明装置の第９の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７又は第８の特徴における関節角度制御部が、マニピュレータ関節角度生成部より算出された関節角度指令値になるようにマニピュレータの各関節を制御する制御手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６９】
本発明装置の第１０の特徴は、前記本発明装置の第９の特徴におけるマニピュレータが、各関節角度を検出する検出手段と、関節角制御部からの駆動指令信号により制御駆動される駆動手段と、を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００７０】
本発明装置の第１１の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第１０の特徴における検出手段が、マニピュレータの各関節に取り付けられたロータリーエンコーダであるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００７１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態をその装置例及び動作例につき図面を参照して説明する。
なお、本実施形態では専ら６つの関節を持ったマニピュレータを用いた例を説明するもこれに限定されず、又、代表的な装置例、動作例について説明したが、必ずしも当該装置例の手段等だけに限定されるものではない。本発明の目的を達成し、後述する効果を有する範囲内において適宜変更して実施することができるものである。
【００７２】
（装置例１）
本装置例は、センサデータを基に生成した経路を、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件及びその他の新規条件についてそれぞれ任意数値からなる重要度を動作途中でもその都度外部から随時入力を受付けることにより調節可能に構成されて、これら条件を満たすようにツール姿勢を決定し、ディジタル制御によりツールを追従させるロボットシステムの例である。
図１は本装置例の産業用溶接ロボット装置の概略ブロック全体構成図、図２は図１の部分拡大詳細図、図３は図１の別の部分拡大詳細図、図４は図１のさらに別の部分拡大図である。
【００７３】
図中、１はツール条件評価関数生成部、２はセンサ条件評価関数生成部、３は可動範囲条件評価関数生成部、４はツール条件重み付き評価関数生成部、５はセンサ条件重み付き評価関数生成部、６は可動範囲条件重み付き評価関数生成部である。
【００７４】
７は可操作度条件重み付き評価関数生成部、８は評価関数統合部、９はマニピュレータ関節角度生成部、１０は座標変換部、１１は経路生成部、１２は関節角度制御部、１３はその他の新規条件重み付き評価関数生成部、１４はロボットアームを用いたマニピュレータ、１５はマニピュレータ１４先端に装着された光切断型レーザセンサ、１６は溶接トーチを用いたツール、１７は加工対象物、１８は溶接すべき線としての経路である。
【００７５】
図２に示すよう、前記ツール条件評価関数生成部１は、マニピュレータ１４に装着されたツール１６が経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値、及び経路に対してツール１６がとるべき位置姿勢の許容範囲を表す数値を入力する入力手段１ａと、入力手段１ａにより入力された許容範囲内にのみ値を持ち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段１ｂとを有する。
【００７６】
同図に示すよう、前記ツール条件重み付き評価関数生成部４は、ツール１６の重要度を表す数値を入力する入力手段４ａと、演算手段１ｂにより算出された評価関数に当該入力手段４ａにより入力されたツール１６の重要度を表す数値を乗じたツール条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段４ｂとを有する。
【００７７】
同図に示すよう、前記センサ条件評価関数生成部２は、センサ１５が経路を認識するためにセンサ１５が経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値及びセンサ１５が経路に対してとるべき位置姿勢の許容範囲を表す数値を入力する入力手段２ａと、入力手段２ａにより入力された許容範囲内にのみ値を持ち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段２ｂとを有する。
【００７８】
同図に示すよう、前記センサ条件重み付き評価関数生成部５は、センサ１５の重要度を表す数値を入力する入力手段５ａと、演算手段２ｂにより算出された評価関数に当該入力手段５ａにより入力されたセンサ１５の重要度を表す数値を乗じたセンサ条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段５ｂとを有する。
【００７９】
同図に示すよう、前記可動範囲条件評価関数生成部３は、マニピュレータ１４の各関節の可動範囲を表す数値を入力する入力手段３ａと、入力手段３ａにより入力された可動範囲内にのみ値を持ち、かつ極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段３ｂとを有する。
【００８０】
同図に示すよう、前記可動範囲条件重み付き評価関数生成部６は、可動範囲の重要度を表す数値を入力する入力手段６ａと、演算手段３ｂにより算出された評価関数に当該可動範囲の重要度を表す数値を乗じた可動範囲条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段６ｂとを有する。
【００８１】
図３に示すよう、前記可操作度条件重み付き評価関数生成部７は、マニピュレータ１４の関節角度を検出する検出手段１４ａと接続し、可操作度の重要度を表す数値を入力する入力手段７ａと、検出手段１４ａによって得られたマニピュレータ１４の関節角度によりマニピュレータ１４の操作性を示す指標である可操作度を算出するとともに、算出された可操作度に当該可操作度の重要度を表す数値を乗じた可操作度に関する重み付き評価関数を算出する演算手段７ｂとを有する。
【００８２】
同図に示すよう、前記他の新規条件重み付き評価関数生成部１３は、新規条件の望ましい値と許容範囲と重要度をそれぞれ表す数値を入力する入力手段１３ａと、入力手段１３ａにより入力された前記許容範囲内にのみ値を持ち、かつ最も前記望ましい値の時の極小値又は極大値を持つ評価関数に前記重要度を表す数値を乗じた新規条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段１３ｂとを有する。
【００８３】
同図に示すよう、前記評価関数統合部８は、ツール条件に関する重み付き評価関数と、センサ条件に関する重み付き評価関数と、可動範囲条件に関する重み付き評価関数と、可操作度に関する重み付き評価関数と、新規条件に関する評価関数とを統合した統合化評価関数を算出する演算手段８ａを有する。
【００８４】
図４に示すよう、前記経路生成部１１は、センサデータからマニピュレータ１４が追従すべき経路を算出する演算手段１１ａを有する。
同図に示すよう、前記座標変換部１０は、演算手段１１ａによって得られた経路と、前記検出手段１４ａによって得られたマニピュレータ１４の関節角度により、経路に対するツール１６の位置姿勢と経路に対するセンサ１５の位置姿勢を算出する演算手段１０ａを有する。
【００８５】
同図に示すよう、前記マニピュレータ関節角度生成部９は、演算手段１１ａにより得られた経路と、検出手段１４ａによって得られたマニピュレータ１４の関節角度と、演算手段１０ａにより算出された経路に対するツール１６の位置姿勢、及び経路に対するセンサ１５の位置姿勢をもとに、前記演算手段８ａより算出された統合化評価関数を最適化するようにマニピュレータ１４の関節角度を算出する演算手段９ａを有する。
同図に示すよう、前記関節角度制御部１２は、演算部９ａにより算出された関節角度になるようにマニピュレータ１４の関節を制御する制御手段１２ａを有する。
【００８６】
同図に示すよう、マニピュレータ１４は、各関節に取り付け、関節角度を検出するロータリーエンコーダの検出手段１４ａと、制御手段１２ａからの駆動指令信号に基づき、各関節を駆動する駆動手段１４ｂを有する。
なお、実際には全入力手段１ａ〜７ａ，１３ａはキーボード等に、全演算手段１ｂ〜７ｂ，８ａ〜１１ａ，１３ｂはプログラム演算可能なＣＰＵに、全評価関数式は予め記憶させて置く図示しないＲＯＭ等にそれぞれ集約化されたコンピュータに置き換えられるものとする。
【００８７】
（装置例２）
本装置例は、前記装置例１の図１に示す経路生成部１１にセンサ１５からのセンサデータに代わって教示データを入力する構成を取れば、他の構成を同一として本装置例により、既存の教示データをツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、他の新規条件の全てを満たし、かつ経路を追従する教示データに修正可能であることは勿論である。この場合、教示データ作成時には姿勢を考慮する必要がなく、教示者の負担を大幅に減らすことができる。
【００８８】
（動作例１）
前記装置例１に適用される動作例１の実行手順を図面について説明する。
【外４３】
【００８９】
本動作例において、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、新規条件をそれぞれ以下のように設定する。
ツール条件：経路１８接線１９に対するツール１６角度をθt、最も望ましい角度θdとした場合、その差分Δθtは、より０に近い方が望ましいとする。
【外４４】
【００９０】
センサ条件：センサ１５がとらえた経路１８上の特徴点２３とセンサ原点２２との距離をιとした場合、ιはより０に近い方が望ましいとする。但し、ιの許容範囲は、ιｍａｘとし、ιｍａｘは例えばセンサ視野２１範囲を考慮して設定する（図６）。
可動範囲条件：マニピュレータ１４の各関節角度θｉの可動領域中心をθｉ＝０とした場合、θｉはより０に近い方が望ましいとする。
【外４５】
【００９１】
可操作度条件：可操作度がより大きい方が望ましい。
新規条件：ｊ番目の新規条件の望ましい値Ｌｄ［ｊ］、ｊ番目の許容範囲最大値Ｌｍａｘ［ｊ］、新規条件の変数をＬ［ｊ］とした場合、Ｌ［ｊ］−Ｌｄ［ｊ］より０に近いほうが望ましいとする。
【００９２】
【外４６】
【００９３】
【外４７】
【００９４】
（１）経路追従動作前
図１をもとにまず、経路追従動作前の説明を行う。
ツール条件評価関数生成部１は、ツール１６が経路接線１９に対してとるべき最も望ましい角度θｄ、及びツール１６が経路接線１９に対してとるべき角度の許容範囲の最大値θｔｍａｘを予め入力値として受け取り、許容範囲内にのみ値を持ち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極大値をもつツール評価関数として、例えば、
【外４８】
【００９５】
θtは経路１８追従時にマニピュレータ１４の関節に取り付けたロータリエンコーダの検出手段１４ａが逐次出力する関節角度情報θｉと、経路生成部１１により生成された経路情報Ｐdから座標変換部１０により算出される経路接線１９に対するツール角度である。ツール条件重み付き評価関数生成部４は、ツール評価関数Ｅaに、予め入力されたツール１６の重要度を表す数値αを乗じたＥa・αをツール条件に関する重み付き評価関数Ｅbとして生成する。
Ｅb＝Ｅa・α （２）
【００９６】
センサ条件評価関数生成部２は、センサ視野２１の許容範囲の最大値ιｍａｘを予め入力値として受け取り、センサ視野２１内でセンサ１５がとらえた経路１８上の特徴点２３とセンサ原点２２との距離が小さい時に極大値をもつセンサ評価関数として、例えば、
【外４９】
【００９７】
【外５０】
【００９８】
センサ条件重み付き評価関数生成部５は、センサ評価関数Ｅcに予め入力されたセンサ１５の重要度を表す数値βを乗じたＥc・βをセンサ条件に関する重み付き評価関数Ｅdとして生成する。
Ｅd＝Ｅc・β （４）
【００９９】
可動範囲条件評価関数生成部３は、予め入力された可動範囲の最大値θｍａｘ．ｉから、可動範囲内にのみ値をもち、かつ可動範囲の中心角度で極大値をもつ可動範囲評価関数として、例えば、
【外５１】
【０１００】
θｉは経路１８追従時にマニピュレータ１４のｎ＝６個の関節に取り付けられたロータリエンコーダが逐次出力する経路１８追従時の関節角度である。
θｍａｘ．ｉ、θｉにおける添え字ｉは関節番号を示し、関節角度θｉは可動領域の中心を０とする。
【０１０１】
可動範囲条件重み付き評価関数生成部６は可動範囲評価関数Ｅeに、予め入力された可動範囲の重要度を表す数値γを乗じたＥe・γを可動範囲条件に関する重み付き評価関数Ｅfとして生成する。
Ｅf＝Ｅe・γ （６）
【０１０２】
【外５２】
【０１０３】
新規条件重み付き評価関数生成部１３は、マニピュレータ１４のｊ番目の新規条件の望ましい値Ｌd［ｊ］とその許容範囲Ｌmax［ｊ］を表す数値及びその重要度を表す数値ε［ｊ］をそれぞれ予め入力し、入力された許容範囲Ｌmax［ｊ］内にのみ値をもち、かつ極小値又は極大値をもつ評価関数として、例えば、
【外５３】
【０１０４】
新規条件評価関数Ｅｍに予め入力された新規条件の重要度を表す数値εを乗じたＥｍ・ε［ｊ］を新規条件に関する重み付き評価関数Ｅｎｅｗ［ｊ］として生成する。
【外５４】
【０１０５】
評価関数統合部８はツール条件に関する重み付き評価関数Ｅｂ、センサ条件に関する重み付き評価関数Ｅｄ、可動範囲条件に関する重み付き評価関数Ｅｆ、可操作度条件に関する重み付き評価関数Ｅｇ、
【外５５】
【０１０６】
（２）経路追従動作時
次に、経路１８追従動作時の動作説明を行う。
経路生成部１１は、センサデータＴｄとマニピュレータ１４の関節角度情報θｉからマニピュレータ１４が追従すべき経路Ｐｄを世界座標系で生成する。世界座標系とは、ロボット制御装置が定義する座標系である。
【０１０７】
センサデータＴｄは経路１８上に検出された特徴点２３位置情報であり、センサ座標系で表記されている。座標変換部１０は経路生成部１１により生成された経路Ｐｄと、マニピュレータ１４の関節角度情報θｉから、ツール先端２０位置Ｐｔと経路接線１９に対するツール先端２０角度θｔ、及びセンサ１５が捉えた経路１８上の特徴点２３位置Ｐｓ、及びセンサ原点２２の位置Ｐｓ０を算出する。Ｐｔ、Ｐｓ、Ｐｓ０はすべて世界座標系で表記されている。
【０１０８】
サンプリング周期をΔｔとすれば、マニピュレータ関節角度生成部９は、関節角度情報θｉ、ツール先端２０位置Ｐｔ、ツール先端２０角度θｔ、特徴点２３位置Ｐｓ、センサ原点２２の位置Ｐｓ０を式（１）〜（１０）に代入して統合化評価関数Ｅｈを算出し、
【外５６】
により次のサンプル値におけるマニピュレータ１４の関節角度指令値θｉ（ｎｅｘｔ）を逐次算出し、運動指令値信号として関節角度制御装置に出力する。
【０１０９】
なお、（１２）式は冗長マニピュレータ１４における冗長性利用に関する基本式［例えば、吉川、「ロボット制御基礎論」、コロナ社、１９９５］として知られている。ここで、Ｊ＋はヤコビ行列Ｊの擬似逆行列、Ｉは単位行列、
【外５７】
【０１１０】
関節角度制御部１２は、前記運動指令値信号θi(next)を駆動指令信号Ｔｇに変換してマニピュレータ１４を制御する。
本動作例では、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、新規条件の全てを満たし、かつ経路１８を追従するためのマニピュレータ１４の位置姿勢を自動で求めることができる。
【０１１１】
（動作例２）
前記装置例２に適用される動作例２を説明する。
本動作例の教示データ修正の場合、教示データの位置情報のみを使用し、算出した姿勢情報を教示データとして修正するものである。
前記動作例１と異なる点は、（Ｉ）経路Ｐdを教データより算出し、
（II）特徴点Ｐsに相当する仮想特徴点Ｐsvを経路Ｐdとマニピュレータ１４関節角度θiより算出する。
【０１１２】
（III）オフラインのため位置決め制御の必要がない。
（IV）教示ファイルを修正する部分が必要となる。
他は、前記動作例１と同様に処理される。
即ち、センサ１５の使用を仮定した場合、オフラインではセンサ１５が検出する経路Ｐdの特徴点Ｐsを取得することが出来ないので、特徴点Ｐsに相当する仮想特徴点Ｐsvを算出する必要がある。具体的にはレーザ面との経路と交点として求める。
【０１１３】
次に、本動作例の具体的詳細な実行処理手順を図面について説明する。
図９は、新規条件に関する重み付き評価関数を設定処理する新規条件評価処理手順のフローチャート、図１０はツール条件に関する重み付き評価関数を設定処理するツール条件評価処理手順とセンサ条件に関する重み付き評価関数を設定処理するセンサ条件評価処理手順の連続フローチャートである。
【０１１４】
図１１は可動範囲条件に関する重み付き評価関数を設定処理する可動範囲条件評価処理手順と可操作度条件に関する重み付き評価関数を設定処理する可操作度条件評価処理手順と統合化評価関数を設定処理する統合化評価関数作成処理手順との連続フローチャート、図１２はセンサデータを用いた関節角度最適処理手順であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は部分詳細図、図１３は教示データと修正ファイルを用いた関節角度最適処理手順であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は部分詳細図である。
【０１１５】
本動作例の具体的実行処理手順は、その他の新規条件の重み付き評価関数を設定作成する新規条件評価処理手順（後述のＳＴ１〜ＳＴ９）と、ツール条件の評価関数とその重み付き評価関数を設定作成するツール条件評価処理手順（後述のＳＴ１０〜ＳＴ１４）と、センサ条件の評価関数とその重み付き評価関数を設定作成するセンサ条件評価処理手順（後述のＳＴ１６〜ＳＴ２０）と、可動範囲条件の評価関数とその重み付き評価関数を設定作成する可動範囲条件評価処理手順（後述のＳＴ２２〜ＳＴ２７）と、可操作度条件の重み付き評価関数を設定作成する可操作度条件評価処理手順（後述のＳＴ２８〜ＳＴ３０）と、当該全重み付き評価関数を統合算出して統合化評価関数を設定作成する統合化評価関数作成処理手順（後述のＳＴ３２）と、センサデータ又は教示データによりそれぞれ算出された経路とツール位置姿勢情報とセンサ位置姿勢情報及び前記他の新規条件の変数に基づき前記全条件重み付き評価関数の統合化評価関数を最適化してマニピュレータの関節角度を逐次生成する関節角度最適処理手順（後述のＳＴ３３〜ＳＴ４５又はＳＴ３３〜ＳＴ４６）と、を順次一貫経由する。
以下、処理手順を項分けして順に説明する。
【０１１６】
（１）新規条件評価処理手順
予め、新規条件番目ｊ＝０，統合化評価関数Ｅｈ値＝０に、それぞれリセットクリアして初期条件をセットするステップ１（ＳＴ１）と、まず、指標の新規条件の数Ｎを入力するステップ２（ＳＴ２）と、次いで、ｊ＜Ｎ、かどうかを比較判断し、ＮＯであれば次のツール条件評価処理手順に進み、ＹＥＳであれば、次のステップ４（ＳＴ４）へ振り分けるステップ３（ＳＴ３）と、引続き、ｊ番目の新規条件の重要度ε［ｊ］を入力するステップ４（ＳＴ４）と、ε［ｊ］＝０、であるかどうかを比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ６（ＳＴ６）へ、ＹＥＳの場合はステップ８（ＳＴ８）へそれぞれ振り分けるステップ５（ＳＴ５）と、さらに、ｊ番目の新規条件の許容範囲Ｌｍａｘ［ｊ］とｊ番目の新規条件の最適値をＬｄ［ｊ］を入力するステップ６（ＳＴ６）と、ｊ番目の新規条件における変数（関節角度θｉの関数）Ｌ［ｊ］、ｊ番目の新規条件の重み付き評価関数（Ｌ［ｊ］の関数）Ｅｎｅｗ［ｊ］とした場合、
【外５８】
【０１１７】
（２）ツール条件評価処理手順
まず、ツール条件の重要度αを入力するステップ１０（ＳＴ１０）と、
次いで、α＝０、であるかを比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ１２（ＳＴ１２）へ、ＹＥＳの場合はステップ１５（ＳＴ１５）へそれぞれ振り分けるステップ１１（ＳＴ１１）と、引続き、ツール条件最適角度θｄとツール条件評価許容範囲最大角度θｔｍａｘのそれぞれの値を入力するステップ１２（ＳＴ１２）と、経路接線に対するツール角度θｔ、センサ条件評価関数（θｔの関数）Ｅａとした場合、
【外５９】
【０１１８】
（３）センサ条件評価処理手順
まず、センサ条件の重要度βを入力するステップ１６（ＳＴ１６）と、次いで、β＝０、であるかを比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ１８（ＳＴ１８）へ、ＹＥＳの場合はステップ２１（ＳＴ２１）へそれぞれ振り分けるステップ１７（ＳＴ１７）と、引続き、センサ視野の許容範囲の最大値ιｍａｘ、センサ角度θｓの最適値＝０のそれぞれの値を入力するステップ１８（ＳＴ１８）と、さらに、センサ条件評価関数（θｓの関数）Ｅｃとした場合、
【外６０】
【０１１９】
（４）可動範囲条件評価処理手順
まず、可動範囲条件の重要度γを入力するステップ２２（ＳＴ２２）と、
次いで、γ＝０、であるかを比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ２４（ＳＴ２４）へ、ＹＥＳの場合はステップ２６（ＳＴ２６）へそれぞれ振り分けるステップ２３（ＳＴ２３）と、引続き、可動範囲最適値＝０、可動範囲最大値θｍａｘ．ｉのそれぞれの値を入力するステップ２４（ＳＴ２４）と、さらに、関節角度θｉ、関節番号ｉ、関節数ｎ、可動範囲評価関数（θｉの関数）Ｅｅとした場合、
【外６１】
【０１２０】
（５）可操作度条件評価処理手順
可操作度条件の重要度δを入力する入力ステップ２８（ＳＴ２８）と、次いで、δ＝０、かどうか比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ３０（ＳＴ３０）へ、ＹＥＳの場合はステップ３１へそれぞれ振り分けるステップ２９（ＳＴ２９）と、
【外６２】
【０１２１】
（６）統合化評価関数作成処理手順
ｊ番目の新規条件重み付き評価関数Ｅｎｅｗ［ｊ］、新規条件の数Ｎ、ツール条件重み付き評価関数Ｅｂ、センサ条件重み付き評価関数Ｅｄ、可動範囲条件重み付き評価関数Ｅｆ、可操作度条件重み付き評価関数Ｅｇ、統合化評価関数Ｅｈとした場合、
【外６３】
【０１２２】
（７）センサデータを用いた関節角度最適処理手順
予め、サンプリング番号ｍをｍ＝０、にリセットクリアするステップ３３（ＳＴ３３）と、まず、関節角度情報θｉ、関節番号ｉ、時間ｔとした場合、初期姿勢θｉ［ｍ］とサンプリング周期Δｔのそれぞれの値を入力するステップ３４（ＳＴ３４）と、次いで、θｉ［ｍ］値に関節角を位置決め制御するステップ３５（ＳＴ３５）と、引続き、終点であるかどうかを制御し、ＮＯの場合は次のステップ３７（ＳＴ３７）へ、ＹＥＳの場合はＥＮＤにそれぞれ振り分けるステップ３６（ＳＴ３６）と、さらに、新規条件とツール条件とセンサ条件と可動範囲条件と可操作度条件が許容範囲であるか比較判断し、ＹＥＳの場合は次のステップ３８（ＳＴ３８）へ、ＮＯの場合はＥＮＤにそれぞれ振り分けるステップ３７（ＳＴ３７）と、加えて、センサデータＴｄより経路上特徴点Ｐｓを各算出するステップ３８（ＳＴ３８）と、その上、経路上特徴点Ｐｓより経路Ｐｄを生成するステップ３９（ＳＴ３９）と、
【外６４】
【０１２３】
前記ステップ４０（ＳＴ４０）は、サンプリング番号ｍのｉ番目の関節の検出角度θｉ［ｍ］と経路Ｐｄからツール角度θｔを算出するステップ４０ａ（ＳＴ４０ａ）と、前記θｉ［ｍ］からツール先端位置Ｐｔとセンサ原点位置Ｐｓ０を算出するステップ４０ｂ（ＳＴ４０ｂ）と、
【外６５】
【０１２４】
（８）教示データを用いた関節角度最適処理手順
予め、サンプリング番号ｍをｍ＝０、にリセットクリアするステップ３３（ＳＴ３３）と、まず、関節角度情報θｉ、関節番号ｉ、時間ｔとした場合、初期姿勢θｉ［ｍ］とサンプリング周期Δｔのそれぞれの値を入力するステップ３４（ＳＴ３４）と、次いで、教示データより経路Ｐｄを生成するステップ３５（ＳＴ３５）と、順運動学を解いて手先姿勢Ｆ（θｉ［ｍ］）を算出するステップ３６（ＳＴ３６）と、引続き、教示ファイルに当該Ｆ（θｉ［ｍ］）の値を書き込むステップ３７（ＳＴ３７）と、さらに、終点であるかどうか判断し、ＮＯの場合は次のステップ３９（ＳＴ３９）へ、ＹＥＳの場合はＥＮＤにそれぞれ振り分けるステップ３８（ＳＴ３８）と、加えて、新規条件とツール条件とセンサ条件と可動範囲条件と可操作度条件が許容範囲であるかどうか比較判断し、ＹＥＳの場合は次のステップ４０（ＳＴ４０）へ、ＮＯの場合はＥＮＤにそれぞれ振り分けるステップ３９（ＳＴ３９）と、その上、前記Ｐｄ、前記θｉ［ｍ］の値より仮想特徴点Ｐｓｖを算出するステップ４０（ＳＴ４０）と、
【外６６】
【０１２５】
前記ステップ４１（ＳＴ４１）は、サンプリング番号ｍのｉ番目関節の算出関節角度θｉ［ｍ］と経路Ｐｄからツール角度θｔを算出するステップ４１ａ（ＳＴ４１ａ）と、前記θｉ［ｍ］からツール先端位置Ｐｔとセンサ原点Ｐｓ０を算出するステップ４１ｂ（ＳＴ４１ｂ）と、
【外６７】
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によればツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、新規条件のすべての条件を満たしたマニピュレータの位置姿勢を自動で算出することができる。また、各条件の重要度を動作途中でもその都度外部から随時入力を受付けることで調節可能に構成することにより、すべての条件を満たす中で、重要度の高い条件を優先したマニピュレータの位置姿勢を算出することができる。その結果、作業者の教示負荷を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の産業用溶接ロボット装置例の概略ブロック全体構成図である。
【図２】同上、部分拡大詳細図である。
【図３】同上、別の部分拡大詳細図である。
【図４】同上、さらに別の部分拡大詳細図である。
【図５】本発明の実施形態の装置例に適用される動作例の説明における経路接線に対するツール角度θtと最も望ましい角度θdの関係を示す図である。
【図６】同上におけるセンサが捉えた経路上の特徴点とセンサ原点との距離ιと、ιの許容範囲の最大値ιmaxとの関係を示す図である。
【図７】【外６８】
【図８】同上におけるセンサ視野内に特徴点を捉えるθsの許容範囲を示す図である。
【図９】同上において、新規条件に関する重み付き評価関数設定処理する新規条件評価処理手順のフローチャートである。
【図１０】同上において、ツール条件に関する重み付き評価関数を設定処理するツール条件評価処理手順と、センサ条件に関する重み付き評価関数を設定処理するセンサ条件評価処理手順の連続フローチャートである。
【図１１】同上において、可動範囲条件に関する重み付き評価関数を設定処理する可動範囲条件評価処理手順と、可操作度条件に関する重み付き評価関数を設定処理する可操作度条件評価処理手順と、統合化評価関数を設定処理する統合化評価関数作成処理手順との連続フローチャートである。
【図１２】同上において、センサデータを用いた関節角度最適処理手順であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は部分詳細図である。
【図１３】同上において、教示データと修正ファイルを用いた関節角度最適処理手順であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は部分詳細図である。
【符号の説明】
１…ツール条件評価関数生成部
１ａ〜７ａ，１３ａ…入力手段
１ｂ〜７ｂ，８ａ〜１１ａ，１３ｂ…演算手段
２…センサ条件評価関数生成部
３…可動範囲条件評価関数生成部
４…ツール条件重み付き評価関数生成部
５…センサ条件重み付き評価関数生成部
６…可動範囲条件重み付き評価関数生成部
７…可操作度条件重み付き評価関数生成部
８…評価関数統合部
９…マニピュレータ関節角度生成部
１０…座標変換部
１１…経路生成部
１２…関節角度制御部
１２ａ…制御手段
１３…新規条件重み付き評価関数生成部
１４…マニピュレータ
１４ａ…検出手段
１４ｂ…駆動手段
１５…センサ
１６…ツール
１７…加工対象物
１８…経路
１９…経路接線
２０…ツール先端
２１…センサ視野
２２…センサ原点
２３…特徴点
Ｅa…ツール条件評価関数
Ｅb…ツール条件重み付き評価関数
Ｅc…センサ条件評価関数
Ｅd…センサ条件重み付き評価関数
Ｅe…可動範囲条件評価関数
Ｅf…可動範囲条件重み付き評価関数
Ｅg…可操作度条件重み付き評価関数
Ｅh…統合化評価関数
Ｅm［ｊ］…新規条件評価関数
Ｅnew［ｊ］…新規条件重み付き評価関数
α…ツール条件の重要度
β…センサ条件の重要度
γ…可動範囲条件の重要度
δ…可操作度条件の重要度
ε［ｊ］…新規条件の重要度
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接作業やシーリング作業といったロボットマニピュレータを経路に追従させる作業において、必要なマニピュレータの位置姿勢を決定すべくマニピュレータの関節角度指令値を生成して制御するのに直接使用するロボットマニピュレータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットシステムが動作するべき経路を獲得する方法には、操作者がマニピュレータを操作しながら作業前にロボットシステムに教示する方法、センサにより検出された情報をもとにロボットシステムが算出する方法［例えば、特開昭６３−１１４８５３号］、作業前に教示された経路をセンサ情報に基づき修正する方法［特開平７−２６６２７２号］などがとられている。
【０００３】
前記経路を教示する方法では教示点の位置だけでなく、その点における姿勢も同時にロボットシステムに教示している。前記センサを用いる方法では、経路に対する姿勢を予め設定し、設定した位置姿勢でマニピュレータに経路を倣わせている。例えば、経路に対するツールの姿勢は維持したまま、絶えずセンサの検出領域中心が経路にくるようにマニピュレータの関節角度を決定している。
【０００４】
前記センサ情報と教示情報の両方を用いる場合は、事前に教示された位置姿勢情報と逐次検出されるセンサ情報をもとに経路を算出し、さらに事前に設定された経路に対するロボットの位置姿勢を実現するようにロボットの関節角度を決定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
教示により事前にロボットの位置姿勢を記憶させる方法では、ツールが目的の作用を対象物体に及ぼすことができ（ツール条件）、かつマニピュレータの動作が可動範囲におさまり（可動範囲条件）、かつマニピュレータが動き易い（可操作度条件）位置姿勢を人間が判断しながら教示する必要があるため、多大の労力を要するという欠点を有していた。
【０００６】
特に、教示データとセンサデータの両方を用いる方法では、センサが経路を捉えることができる（センサ条件）位置姿勢をも考慮する必要があり、さらなる労力と時間を要していた。
【０００７】
一方、センサのみを用いる方法では、例えば経路に対するツール姿勢を固定した場合、センサの視野に経路が入る姿勢を実現できない場合がある。また、予め設定した姿勢ではロボットの可動範囲を超える可能性もあった。
【０００８】
ここにおいて本発明の解決すべき主要な目的は、次の通りである。
即ち、本発明の第１の目的は、上述した課題を解決し、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、その他の新規条件についての重み付けとなるそれぞれ任意数値からなる重要度を動作途中でもその都度外部から随時入力を受付けることにより調節可能とし、重み付け後のこれらを統合した条件を満たしたマニピュレータの位置姿勢を実現すべくマニピュレータの関節角度指令値を自動で算出するロボットマニピュレータの制御装置を提供せんとするものである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、予め、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、その他の新規条件の評価関数と重み付き評価関数を算出し、その上で全重み付き評価関数を統合した統合化評価関数を用いるロボットマニピュレータの制御装置を提供せんとするものである。
【００１０】
本発明の第３の目的は、センサデータ又は教示データをもとにマニピュレータが動作する経路をそれぞれ求める二通りのいずれかを用いるロボットマニピュレータの制御装置を提供せんとするものである。
【００１２】
本発明のその他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から自ずと明らかとなろう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題の解決をするに際し、マニピュレータ先端とその近傍にそれぞれツールとセンサを取り付けた多関節マニピュレータにおいて、新規条件重み付き評価関数生成部と、ツール条件評価関数生成部と同重み付き評価関数生成部と、センサ条件評価関数生成部と同重み付き評価関数生成部と、可動範囲条件評価関数生成部と同重み付き評価関数生成部と、可操作度条件重み付き評価関数生成部と、評価関数統合部と、経路生成部と、座標変換部と、マニピュレータ関節角度生成部と、関節角度制御部とを備えて、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件及びその他の新規条件についてそれぞれ任意数値からなる重要度を動作途中でもその都度外部から随時入力を受付けることにより調節可能に構成される。
【００１４】
当該多関節マニピュレータが動作するべき経路をセンサのデータあるいは教示データをもとに算出し、算出された経路をツールが追従するようにマニピュレータの関節角度を制御するに当っては、まず、ツール条件とセンサ条件と関節の可動範囲条件と関節角度の可操作度条件とその他の新規条件に関するそれぞれの重み付き評価関数を統合した統合化評価関数を求めて置く。
【００１５】
次いで、前記センサデータを用いて経路を算出する場合には、前記経路と、検出手段によって得られたマニピュレータの関節角度と、当該経路及び当該関節角度によりそれぞれ算出された、前記ツールと前記センサのそれぞれ位置姿勢及び前記新規条件の変数と、をもとに前記統合化評価関数を最適化しつつマニピュレータの関節角度を逐次生成してその位置姿勢を逐次最適自動制御する。
【００１６】
又は、前記教示データを用いる経路を算出する場合には、前記経路と、教示ファイルに書き込まれた手先姿勢から逆運動学を解析して算出したマニピュレータの関節角度と、当該関節角度と前記経路とにより、それぞれ算出された、前記ツールと前記センサの位置姿勢及び前記他の新規条件の変数と、をもとに前記統合化評価関数を最適化しつつマニピュレータの関節角度を逐次生成してその位置姿勢を逐次最適自動制御する。
【００１７】
本発明によれば、ツール条件とセンサ条件と可動範囲条件と可操作度条件と他の新規条件に関する評価関数を動作途中でもその都度外部から入力された重要度に基づき随時重み付け調節可能に構成し、これら重み付き評価関数を統合した評価関数を最適にすることにより、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、他の新規条件を満足するマニピュレータの関節角度を算出することができる。
【００１８】
このとき、状況に応じて各条件の重要度を動作途中でもその都度随時入力変更可能に構成することにより各条件の許容範囲内で重要度に応じたマニピュレータの関節角度を算出することができる。また、既存の教示データ、あるいは倣い経路の位置のみを重視して作成した教示データの姿勢情報を、本発明により算出したマニピュレータ関節角度をもとに順運動学を解いて算出した手先位置姿勢に変更すれば、教示データを修正することが可能である。
【００１９】
ここにおいて、更に具体的詳細に述べれば、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手段を採用することにより、前記目的を達成する。
【００５５】
本発明装置の第１の特徴は、マニピュレータの先端とその近傍にそれぞれツールとセンサを取り付けて、当該マニピュレータが動作するべき経路をセンサデータあるいは教示データをもとに算出し、算出された経路を追従するようにマニピュレータの関節角度を制御するロボットマニピュレータの制御装置において、ツール条件評価関数生成部を前置直結し、前記ツールの重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を前記ツール条件評価関数生成部にて生成されたツール条件評価関数に乗じてツール条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有するツール条件重み付き評価関数生成部と、センサ条件評価関数生成部を前置直結し、前記センサの重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を前記センサ条件評価関数生成部にて生成されたセンサ条件評価関数に乗じてセンサ条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有するセンサ条件重み付き評価関数生成部と、関節に関する可動範囲条件評価関数生成部を前置直結し、前記ロボットマニピュレータの各関節の可動範囲の重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を前記可動範囲条件評価関数生成部にて生成された可動範囲条件評価関数に乗じて可動範囲条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有する可動範囲条件重み付き評価関数生成部と、前記ロボットマニピュレータの前記関節角度を検出する検出手段に接続し、当該検出手段によって得られた当該関節角度により前記可操作度を算出する演算手段と、当該可操作度の重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を当該可操作度に乗じて可操作度に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有する可操作度条件重み付き評価関数生成部と、前記ロボットマニピュレータの前記他の新規条件の望ましい値と、その許容範囲をあらわす値及びその重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該許容範囲内にのみ値を持ち、かつ極小値又は極大値を持つ評価関数を算出した後に、当該重要度を当該評価関数に乗じて他の新規条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有する他の新規条件重み付き評価関数生成部と、前記全ての重み付き評価関数を統合化する評価関数統合部と、前記センサデータと前記検出手段からそれぞれ経路情報と関節角度情報を、あるいは教示データから経路情報と関節角度情報を生成する経路生成部と、当該経路情報と当該関節角度情報とにより座標変換し経路に対するツール位置及びツール姿勢、経路に対するセンサ原点位置、経路上特徴点位置あるいは仮想特徴点位置を算出する座標変換部と、当該関節角度情報と当該ツール位置及び当該ツール姿勢と当該センサ原点位置と当該特徴点位置あるいは仮想特徴点位置により統合化評価関数を最適化してマニピュレータ関節角度指令値の運動指令値信号を逐次生成するマニピュレータ関節角度生成部と、当該マニピュレータ運動指令値信号を駆動指令信号に変換して当該マニピュレータ関節角度を制御する関節角度制御部と、を備えてなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００５６】
本発明装置の第２の特徴は、前記本発明装置の第１の特徴におけるツール条件評価関数生成部が、マニピュレータに装着されたツールが経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値及び当該経路に対して当該ツールがとるべき位置姿勢の許容範囲を表す数値を入力する手段と、当該入力手段により入力された許容範囲内に値をもち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値を持つ評価関数を算出する演算手段と、を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００５８】
本発明装置の第３の特徴は、前記本発明装置の第１又は第２の特徴におけるセンサ条件評価関数生成部が、センサが経路を認識するために当該センサが当該経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値及び当該センサが当該経路に対してとるべき位置姿勢の範囲を表す数値を入力する入力手段と、当該入力手段により入力された許容範囲内に値をもち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段と、を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６０】
本発明装置の第４の特徴は、前記本発明装置の第１、第２又は第３の特徴における可動範囲条件評価関数生成部が、ロボットマニピュレータの各関節の可動範囲を表す数値を入力する入力手段と、当該入力手段により入力された可動範囲内にのみ値をもち、かつ極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段と、を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６４】
本発明装置の第５の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における評価関数統合部が、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件及び他の新規条件に関するそれぞれの重み付き評価関数を統合した評価関数を算出する演算手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６５】
本発明装置の第６の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における経路生成部が、センサデータあるいは教示データからツールが追従すべき経路を算出する演算手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６６】
本発明装置の第７の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５又は第６の特徴における座標変換部が、経路と、関節角度により当該経路に対するツールとセンサのそれぞれの位置姿勢を算出する演算手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６７】
本発明装置の第８の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴におけるマニピュレータ関節角度生成部が、経路と、関節角度と、これ等によりそれぞれ算出されたツールとセンサのそれぞれの算出位置姿勢及び新規条件の変数をもとに統合化評価関数を最適化するようにマニピュレータの関節角度を算出する演算手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６８】
本発明装置の第９の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７又は第８の特徴における関節角度制御部が、マニピュレータ関節角度生成部より算出された関節角度指令値になるようにマニピュレータの各関節を制御する制御手段を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００６９】
本発明装置の第１０の特徴は、前記本発明装置の第９の特徴におけるマニピュレータが、各関節角度を検出する検出手段と、関節角制御部からの駆動指令信号により制御駆動される駆動手段と、を有してなるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００７０】
本発明装置の第１１の特徴は、前記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第１０の特徴における検出手段が、マニピュレータの各関節に取り付けられたロータリーエンコーダであるロボットマニピュレータの制御装置の構成採用にある。
【００７１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態をその装置例及び動作例につき図面を参照して説明する。
なお、本実施形態では専ら６つの関節を持ったマニピュレータを用いた例を説明するもこれに限定されず、又、代表的な装置例、動作例について説明したが、必ずしも当該装置例の手段等だけに限定されるものではない。本発明の目的を達成し、後述する効果を有する範囲内において適宜変更して実施することができるものである。
【００７２】
（装置例１）
本装置例は、センサデータを基に生成した経路を、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件及びその他の新規条件についてそれぞれ任意数値からなる重要度を動作途中でもその都度外部から随時入力を受付けることにより調節可能に構成されて、これら条件を満たすようにツール姿勢を決定し、ディジタル制御によりツールを追従させるロボットシステムの例である。
図１は本装置例の産業用溶接ロボット装置の概略ブロック全体構成図、図２は図１の部分拡大詳細図、図３は図１の別の部分拡大詳細図、図４は図１のさらに別の部分拡大図である。
【００７３】
図中、１はツール条件評価関数生成部、２はセンサ条件評価関数生成部、３は可動範囲条件評価関数生成部、４はツール条件重み付き評価関数生成部、５はセンサ条件重み付き評価関数生成部、６は可動範囲条件重み付き評価関数生成部である。
【００７４】
７は可操作度条件重み付き評価関数生成部、８は評価関数統合部、９はマニピュレータ関節角度生成部、１０は座標変換部、１１は経路生成部、１２は関節角度制御部、１３はその他の新規条件重み付き評価関数生成部、１４はロボットアームを用いたマニピュレータ、１５はマニピュレータ１４先端に装着された光切断型レーザセンサ、１６は溶接トーチを用いたツール、１７は加工対象物、１８は溶接すべき線としての経路である。
【００７５】
図２に示すよう、前記ツール条件評価関数生成部１は、マニピュレータ１４に装着されたツール１６が経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値、及び経路に対してツール１６がとるべき位置姿勢の許容範囲を表す数値を入力する入力手段１ａと、入力手段１ａにより入力された許容範囲内にのみ値を持ち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段１ｂとを有する。
【００７６】
同図に示すよう、前記ツール条件重み付き評価関数生成部４は、ツール１６の重要度を表す数値を入力する入力手段４ａと、演算手段１ｂにより算出された評価関数に当該入力手段４ａにより入力されたツール１６の重要度を表す数値を乗じたツール条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段４ｂとを有する。
【００７７】
同図に示すよう、前記センサ条件評価関数生成部２は、センサ１５が経路を認識するためにセンサ１５が経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値及びセンサ１５が経路に対してとるべき位置姿勢の許容範囲を表す数値を入力する入力手段２ａと、入力手段２ａにより入力された許容範囲内にのみ値を持ち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段２ｂとを有する。
【００７８】
同図に示すよう、前記センサ条件重み付き評価関数生成部５は、センサ１５の重要度を表す数値を入力する入力手段５ａと、演算手段２ｂにより算出された評価関数に当該入力手段５ａにより入力されたセンサ１５の重要度を表す数値を乗じたセンサ条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段５ｂとを有する。
【００７９】
同図に示すよう、前記可動範囲条件評価関数生成部３は、マニピュレータ１４の各関節の可動範囲を表す数値を入力する入力手段３ａと、入力手段３ａにより入力された可動範囲内にのみ値を持ち、かつ極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段３ｂとを有する。
【００８０】
同図に示すよう、前記可動範囲条件重み付き評価関数生成部６は、可動範囲の重要度を表す数値を入力する入力手段６ａと、演算手段３ｂにより算出された評価関数に当該可動範囲の重要度を表す数値を乗じた可動範囲条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段６ｂとを有する。
【００８１】
図３に示すよう、前記可操作度条件重み付き評価関数生成部７は、マニピュレータ１４の関節角度を検出する検出手段１４ａと接続し、可操作度の重要度を表す数値を入力する入力手段７ａと、検出手段１４ａによって得られたマニピュレータ１４の関節角度によりマニピュレータ１４の操作性を示す指標である可操作度を算出するとともに、算出された可操作度に当該可操作度の重要度を表す数値を乗じた可操作度に関する重み付き評価関数を算出する演算手段７ｂとを有する。
【００８２】
同図に示すよう、前記他の新規条件重み付き評価関数生成部１３は、新規条件の望ましい値と許容範囲と重要度をそれぞれ表す数値を入力する入力手段１３ａと、入力手段１３ａにより入力された前記許容範囲内にのみ値を持ち、かつ最も前記望ましい値の時の極小値又は極大値を持つ評価関数に前記重要度を表す数値を乗じた新規条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段１３ｂとを有する。
【００８３】
同図に示すよう、前記評価関数統合部８は、ツール条件に関する重み付き評価関数と、センサ条件に関する重み付き評価関数と、可動範囲条件に関する重み付き評価関数と、可操作度に関する重み付き評価関数と、新規条件に関する評価関数とを統合した統合化評価関数を算出する演算手段８ａを有する。
【００８４】
図４に示すよう、前記経路生成部１１は、センサデータからマニピュレータ１４が追従すべき経路を算出する演算手段１１ａを有する。
同図に示すよう、前記座標変換部１０は、演算手段１１ａによって得られた経路と、前記検出手段１４ａによって得られたマニピュレータ１４の関節角度により、経路に対するツール１６の位置姿勢と経路に対するセンサ１５の位置姿勢を算出する演算手段１０ａを有する。
【００８５】
同図に示すよう、前記マニピュレータ関節角度生成部９は、演算手段１１ａにより得られた経路と、検出手段１４ａによって得られたマニピュレータ１４の関節角度と、演算手段１０ａにより算出された経路に対するツール１６の位置姿勢、及び経路に対するセンサ１５の位置姿勢をもとに、前記演算手段８ａより算出された統合化評価関数を最適化するようにマニピュレータ１４の関節角度を算出する演算手段９ａを有する。
同図に示すよう、前記関節角度制御部１２は、演算部９ａにより算出された関節角度になるようにマニピュレータ１４の関節を制御する制御手段１２ａを有する。
【００８６】
同図に示すよう、マニピュレータ１４は、各関節に取り付け、関節角度を検出するロータリーエンコーダの検出手段１４ａと、制御手段１２ａからの駆動指令信号に基づき、各関節を駆動する駆動手段１４ｂを有する。
なお、実際には全入力手段１ａ〜７ａ，１３ａはキーボード等に、全演算手段１ｂ〜７ｂ，８ａ〜１１ａ，１３ｂはプログラム演算可能なＣＰＵに、全評価関数式は予め記憶させて置く図示しないＲＯＭ等にそれぞれ集約化されたコンピュータに置き換えられるものとする。
【００８７】
（装置例２）
本装置例は、前記装置例１の図１に示す経路生成部１１にセンサ１５からのセンサデータに代わって教示データを入力する構成を取れば、他の構成を同一として本装置例により、既存の教示データをツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、他の新規条件の全てを満たし、かつ経路を追従する教示データに修正可能であることは勿論である。この場合、教示データ作成時には姿勢を考慮する必要がなく、教示者の負担を大幅に減らすことができる。
【００８８】
（動作例１）
前記装置例１に適用される動作例１の実行手順を図面について説明する。
【外４３】
本動作例において、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、新規条件をそれぞれ以下のように設定する。
ツール条件：経路１８接線１９に対するツール１６角度をθt、最も望ましい角度θdとした場合、その差分Δθtは、より０に近い方が望ましいとする。
【外４４】
センサ条件：センサ１５がとらえた経路１８上の特徴点２３とセンサ原点２２との距離をιとした場合、ιはより０に近い方が望ましいとする。但し、ιの許容範囲は、ιｍａｘとし、ιｍａｘは例えばセンサ視野２１範囲を考慮して設定する（図６）。
可動範囲条件：マニピュレータ１４の各関節角度θｉの可動領域中心をθｉ＝０とした場合、θｉはより０に近い方が望ましいとする。
【外４５】
可操作度条件：可操作度がより大きい方が望ましい。
新規条件：ｊ番目の新規条件の望ましい値Ｌｄ［ｊ］、ｊ番目の許容範囲最大値Ｌｍａｘ［ｊ］、新規条件の変数をＬ［ｊ］とした場合、Ｌ［ｊ］−Ｌｄ［ｊ］より０に近いほうが望ましいとする。
【００９２】
【外４６】
【外４７】
（１）経路追従動作前
図１をもとにまず、経路追従動作前の説明を行う。
ツール条件評価関数生成部１は、ツール１６が経路接線１９に対してとるべき最も望ましい角度θｄ、及びツール１６が経路接線１９に対してとるべき角度の許容範囲の最大値θｔｍａｘを予め入力値として受け取り、許容範囲内にのみ値を持ち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極大値をもつツール評価関数として、例えば、
【外４８】
θtは経路１８追従時にマニピュレータ１４の関節に取り付けたロータリエンコーダの検出手段１４ａが逐次出力する関節角度情報θｉと、経路生成部１１により生成された経路情報Ｐdから座標変換部１０により算出される経路接線１９に対するツール角度である。ツール条件重み付き評価関数生成部４は、ツール評価関数Ｅaに、予め入力されたツール１６の重要度を表す数値αを乗じたＥa・αをツール条件に関する重み付き評価関数Ｅbとして生成する。
Ｅb＝Ｅa・α （２）
【００９６】
センサ条件評価関数生成部２は、センサ視野２１の許容範囲の最大値ιｍａｘを予め入力値として受け取り、センサ視野２１内でセンサ１５がとらえた経路１８上の特徴点２３とセンサ原点２２との距離が小さい時に極大値をもつセンサ評価関数として、例えば、
【外４９】
【外５０】
センサ条件重み付き評価関数生成部５は、センサ評価関数Ｅcに予め入力されたセンサ１５の重要度を表す数値βを乗じたＥc・βをセンサ条件に関する重み付き評価関数Ｅdとして生成する。
Ｅd＝Ｅc・β （４）
【００９９】
可動範囲条件評価関数生成部３は、予め入力された可動範囲の最大値θｍａｘ．ｉから、可動範囲内にのみ値をもち、かつ可動範囲の中心角度で極大値をもつ可動範囲評価関数として、例えば、
【外５１】
θｉは経路１８追従時にマニピュレータ１４のｎ＝６個の関節に取り付けられたロータリエンコーダが逐次出力する経路１８追従時の関節角度である。
θｍａｘ．ｉ、θｉにおける添え字ｉは関節番号を示し、関節角度θｉは可動領域の中心を０とする。
【０１０１】
可動範囲条件重み付き評価関数生成部６は可動範囲評価関数Ｅeに、予め入力された可動範囲の重要度を表す数値γを乗じたＥe・γを可動範囲条件に関する重み付き評価関数Ｅfとして生成する。
Ｅf＝Ｅe・γ （６）
【０１０２】
【外５２】
新規条件重み付き評価関数生成部１３は、マニピュレータ１４のｊ番目の新規条件の望ましい値Ｌd［ｊ］とその許容範囲Ｌmax［ｊ］を表す数値及びその重要度を表す数値ε［ｊ］をそれぞれ予め入力し、入力された許容範囲Ｌmax［ｊ］内にのみ値をもち、かつ極小値又は極大値をもつ評価関数として、例えば、
【外５３】
新規条件評価関数Ｅｍに予め入力された新規条件の重要度を表す数値εを乗じたＥｍ・ε［ｊ］を新規条件に関する重み付き評価関数Ｅｎｅｗ［ｊ］として生成する。
【外５４】
評価関数統合部８はツール条件に関する重み付き評価関数Ｅｂ、センサ条件に関する重み付き評価関数Ｅｄ、可動範囲条件に関する重み付き評価関数Ｅｆ、可操作度条件に関する重み付き評価関数Ｅｇ、
【外５５】
（２）経路追従動作時
次に、経路１８追従動作時の動作説明を行う。
経路生成部１１は、センサデータＴｄとマニピュレータ１４の関節角度情報θｉからマニピュレータ１４が追従すべき経路Ｐｄを世界座標系で生成する。世界座標系とは、ロボット制御装置が定義する座標系である。
【０１０７】
センサデータＴｄは経路１８上に検出された特徴点２３位置情報であり、センサ座標系で表記されている。座標変換部１０は経路生成部１１により生成された経路Ｐｄと、マニピュレータ１４の関節角度情報θｉから、ツール先端２０位置Ｐｔと経路接線１９に対するツール先端２０角度θｔ、及びセンサ１５が捉えた経路１８上の特徴点２３位置Ｐｓ、及びセンサ原点２２の位置Ｐｓ０を算出する。Ｐｔ、Ｐｓ、Ｐｓ０はすべて世界座標系で表記されている。
【０１０８】
サンプリング周期をΔｔとすれば、マニピュレータ関節角度生成部９は、関節角度情報θｉ、ツール先端２０位置Ｐｔ、ツール先端２０角度θｔ、特徴点２３位置Ｐｓ、センサ原点２２の位置Ｐｓ０を式（１）〜（１０）に代入して統合化評価関数Ｅｈを算出し、
【外５６】
【０１０９】
なお、（１２）式は冗長マニピュレータ１４における冗長性利用に関する基本式［例えば、吉川、「ロボット制御基礎論」、コロナ社、１９９５］として知られている。ここで、Ｊ＋はヤコビ行列Ｊの擬似逆行列、Ｉは単位行列、
【外５７】
関節角度制御部１２は、前記運動指令値信号θi(next)を駆動指令信号Ｔｇに変換してマニピュレータ１４を制御する。
本動作例では、ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、新規条件の全てを満たし、かつ経路１８を追従するためのマニピュレータ１４の位置姿勢を自動で求めることができる。
【０１１１】
（動作例２）
前記装置例２に適用される動作例２を説明する。
本動作例の教示データ修正の場合、教示データの位置情報のみを使用し、算出した姿勢情報を教示データとして修正するものである。
前記動作例１と異なる点は、（Ｉ）経路Ｐdを教データより算出し、
（II）特徴点Ｐsに相当する仮想特徴点Ｐsvを経路Ｐdとマニピュレータ１４関節角度θiより算出する。
【０１１２】
（III）オフラインのため位置決め制御の必要がない。
（IV）教示ファイルを修正する部分が必要となる。
他は、前記動作例１と同様に処理される。
即ち、センサ１５の使用を仮定した場合、オフラインではセンサ１５が検出する経路Ｐdの特徴点Ｐsを取得することが出来ないので、特徴点Ｐsに相当する仮想特徴点Ｐsvを算出する必要がある。具体的にはレーザ面との経路と交点として求める。
【０１１３】
次に、本動作例の具体的詳細な実行処理手順を図面について説明する。
図９は、新規条件に関する重み付き評価関数を設定処理する新規条件評価処理手順のフローチャート、図１０はツール条件に関する重み付き評価関数を設定処理するツール条件評価処理手順とセンサ条件に関する重み付き評価関数を設定処理するセンサ条件評価処理手順の連続フローチャートである。
【０１１４】
図１１は可動範囲条件に関する重み付き評価関数を設定処理する可動範囲条件評価処理手順と可操作度条件に関する重み付き評価関数を設定処理する可操作度条件評価処理手順と統合化評価関数を設定処理する統合化評価関数作成処理手順との連続フローチャート、図１２はセンサデータを用いた関節角度最適処理手順であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は部分詳細図、図１３は教示データと修正ファイルを用いた関節角度最適処理手順であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は部分詳細図である。
【０１１５】
本動作例の具体的実行処理手順は、その他の新規条件の重み付き評価関数を設定作成する新規条件評価処理手順（後述のＳＴ１〜ＳＴ９）と、ツール条件の評価関数とその重み付き評価関数を設定作成するツール条件評価処理手順（後述のＳＴ１０〜ＳＴ１４）と、センサ条件の評価関数とその重み付き評価関数を設定作成するセンサ条件評価処理手順（後述のＳＴ１６〜ＳＴ２０）と、可動範囲条件の評価関数とその重み付き評価関数を設定作成する可動範囲条件評価処理手順（後述のＳＴ２２〜ＳＴ２７）と、可操作度条件の重み付き評価関数を設定作成する可操作度条件評価処理手順（後述のＳＴ２８〜ＳＴ３０）と、当該全重み付き評価関数を統合算出して統合化評価関数を設定作成する統合化評価関数作成処理手順（後述のＳＴ３２）と、センサデータ又は教示データによりそれぞれ算出された経路とツール位置姿勢情報とセンサ位置姿勢情報及び前記他の新規条件の変数に基づき前記全条件重み付き評価関数の統合化評価関数を最適化してマニピュレータの関節角度を逐次生成する関節角度最適処理手順（後述のＳＴ３３〜ＳＴ４５又はＳＴ３３〜ＳＴ４６）と、を順次一貫経由する。
以下、処理手順を項分けして順に説明する。
【０１１６】
（１）新規条件評価処理手順
予め、新規条件番目ｊ＝０，統合化評価関数Ｅｈ値＝０に、それぞれリセットクリアして初期条件をセットするステップ１（ＳＴ１）と、まず、指標の新規条件の数Ｎを入力するステップ２（ＳＴ２）と、次いで、ｊ＜Ｎ、かどうかを比較判断し、ＮＯであれば次のツール条件評価処理手順に進み、ＹＥＳであれば、次のステップ４（ＳＴ４）へ振り分けるステップ３（ＳＴ３）と、引続き、ｊ番目の新規条件の重要度ε［ｊ］を入力するステップ４（ＳＴ４）と、ε［ｊ］＝０、であるかどうかを比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ６（ＳＴ６）へ、ＹＥＳの場合はステップ８（ＳＴ８）へそれぞれ振り分けるステップ５（ＳＴ５）と、さらに、ｊ番目の新規条件の許容範囲Ｌｍａｘ［ｊ］とｊ番目の新規条件の最適値をＬｄ［ｊ］を入力するステップ６（ＳＴ６）と、ｊ番目の新規条件における変数（関節角度θｉの関数）Ｌ［ｊ］、ｊ番目の新規条件の重み付き評価関数（Ｌ［ｊ］の関数）Ｅｎｅｗ［ｊ］とした場合、
【外５８】
（２）ツール条件評価処理手順
まず、ツール条件の重要度αを入力するステップ１０（ＳＴ１０）と、
次いで、α＝０、であるかを比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ１２（ＳＴ１２）へ、ＹＥＳの場合はステップ１５（ＳＴ１５）へそれぞれ振り分けるステップ１１（ＳＴ１１）と、引続き、ツール条件最適角度θｄとツール条件評価許容範囲最大角度θｔｍａｘのそれぞれの値を入力するステップ１２（ＳＴ１２）と、経路接線に対するツール角度θｔ、センサ条件評価関数（θｔの関数）Ｅａとした場合、
【外５９】
（３）センサ条件評価処理手順
まず、センサ条件の重要度βを入力するステップ１６（ＳＴ１６）と、次いで、β＝０、であるかを比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ１８（ＳＴ１８）へ、ＹＥＳの場合はステップ２１（ＳＴ２１）へそれぞれ振り分けるステップ１７（ＳＴ１７）と、引続き、センサ視野の許容範囲の最大値ιｍａｘ、センサ角度θｓの最適値＝０のそれぞれの値を入力するステップ１８（ＳＴ１８）と、さらに、センサ条件評価関数（θｓの関数）Ｅｃとした場合、
【外６０】
（４）可動範囲条件評価処理手順
まず、可動範囲条件の重要度γを入力するステップ２２（ＳＴ２２）と、
次いで、γ＝０、であるかを比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ２４（ＳＴ２４）へ、ＹＥＳの場合はステップ２６（ＳＴ２６）へそれぞれ振り分けるステップ２３（ＳＴ２３）と、引続き、可動範囲最適値＝０、可動範囲最大値θｍａｘ．ｉのそれぞれの値を入力するステップ２４（ＳＴ２４）と、さらに、関節角度θｉ、関節番号ｉ、関節数ｎ、可動範囲評価関数（θｉの関数）Ｅｅとした場合、
【外６１】
（５）可操作度条件評価処理手順
可操作度条件の重要度δを入力する入力ステップ２８（ＳＴ２８）と、次いで、δ＝０、かどうか比較判断し、ＮＯの場合は次のステップ３０（ＳＴ３０）へ、ＹＥＳの場合はステップ３１へそれぞれ振り分けるステップ２９（ＳＴ２９）と、
【外６２】
（６）統合化評価関数作成処理手順
ｊ番目の新規条件重み付き評価関数Ｅｎｅｗ［ｊ］、新規条件の数Ｎ、ツール条件重み付き評価関数Ｅｂ、センサ条件重み付き評価関数Ｅｄ、可動範囲条件重み付き評価関数Ｅｆ、可操作度条件重み付き評価関数Ｅｇ、統合化評価関数Ｅｈとした場合、
【外６３】
（７）センサデータを用いた関節角度最適処理手順
予め、サンプリング番号ｍをｍ＝０、にリセットクリアするステップ３３（ＳＴ３３）と、まず、関節角度情報θｉ、関節番号ｉ、時間ｔとした場合、初期姿勢θｉ［ｍ］とサンプリング周期Δｔのそれぞれの値を入力するステップ３４（ＳＴ３４）と、次いで、θｉ［ｍ］値に関節角を位置決め制御するステップ３５（ＳＴ３５）と、引続き、終点であるかどうかを制御し、ＮＯの場合は次のステップ３７（ＳＴ３７）へ、ＹＥＳの場合はＥＮＤにそれぞれ振り分けるステップ３６（ＳＴ３６）と、さらに、新規条件とツール条件とセンサ条件と可動範囲条件と可操作度条件が許容範囲であるか比較判断し、ＹＥＳの場合は次のステップ３８（ＳＴ３８）へ、ＮＯの場合はＥＮＤにそれぞれ振り分けるステップ３７（ＳＴ３７）と、加えて、センサデータＴｄより経路上特徴点Ｐｓを各算出するステップ３８（ＳＴ３８）と、その上、経路上特徴点Ｐｓより経路Ｐｄを生成するステップ３９（ＳＴ３９）と、
【外６４】
前記ステップ４０（ＳＴ４０）は、サンプリング番号ｍのｉ番目の関節の検出角度θｉ［ｍ］と経路Ｐｄからツール角度θｔを算出するステップ４０ａ（ＳＴ４０ａ）と、前記θｉ［ｍ］からツール先端位置Ｐｔとセンサ原点位置Ｐｓ０を算出するステップ４０ｂ（ＳＴ４０ｂ）と、
【外６５】
（８）教示データを用いた関節角度最適処理手順
予め、サンプリング番号ｍをｍ＝０、にリセットクリアするステップ３３（ＳＴ３３）と、まず、関節角度情報θｉ、関節番号ｉ、時間ｔとした場合、初期姿勢θｉ［ｍ］とサンプリング周期Δｔのそれぞれの値を入力するステップ３４（ＳＴ３４）と、次いで、教示データより経路Ｐｄを生成するステップ３５（ＳＴ３５）と、順運動学を解いて手先姿勢Ｆ（θｉ［ｍ］）を算出するステップ３６（ＳＴ３６）と、引続き、教示ファイルに当該Ｆ（θｉ［ｍ］）の値を書き込むステップ３７（ＳＴ３７）と、さらに、終点であるかどうか判断し、ＮＯの場合は次のステップ３９（ＳＴ３９）へ、ＹＥＳの場合はＥＮＤにそれぞれ振り分けるステップ３８（ＳＴ３８）と、加えて、新規条件とツール条件とセンサ条件と可動範囲条件と可操作度条件が許容範囲であるかどうか比較判断し、ＹＥＳの場合は次のステップ４０（ＳＴ４０）へ、ＮＯの場合はＥＮＤにそれぞれ振り分けるステップ３９（ＳＴ３９）と、その上、前記Ｐｄ、前記θｉ［ｍ］の値より仮想特徴点Ｐｓｖを算出するステップ４０（ＳＴ４０）と、
【外６６】
前記ステップ４１（ＳＴ４１）は、サンプリング番号ｍのｉ番目関節の算出関節角度θｉ［ｍ］と経路Ｐｄからツール角度θｔを算出するステップ４１ａ（ＳＴ４１ａ）と、前記θｉ［ｍ］からツール先端位置Ｐｔとセンサ原点Ｐｓ０を算出するステップ４１ｂ（ＳＴ４１ｂ）と、
【外６７】
【発明の効果】
本発明によればツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件、新規条件のすべての条件を満たしたマニピュレータの位置姿勢を自動で算出することができる。また、各条件の重要度を動作途中でもその都度外部から随時入力を受付けることで調節可能に構成することにより、すべての条件を満たす中で、重要度の高い条件を優先したマニピュレータの位置姿勢を算出することができる。その結果、作業者の教示負荷を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の産業用溶接ロボット装置例の概略ブロック全体構成図である。
【図２】同上、部分拡大詳細図である。
【図３】同上、別の部分拡大詳細図である。
【図４】同上、さらに別の部分拡大詳細図である。
【図５】本発明の実施形態の装置例に適用される動作例の説明における経路接線に対するツール角度θtと最も望ましい角度θdの関係を示す図である。
【図６】同上におけるセンサが捉えた経路上の特徴点とセンサ原点との距離ιと、ιの許容範囲の最大値ιmaxとの関係を示す図である。
【図７】【外６８】
【図９】同上において、新規条件に関する重み付き評価関数設定処理する新規条件評価処理手順のフローチャートである。
【図１０】同上において、ツール条件に関する重み付き評価関数を設定処理するツール条件評価処理手順と、センサ条件に関する重み付き評価関数を設定処理するセンサ条件評価処理手順の連続フローチャートである。
【図１１】同上において、可動範囲条件に関する重み付き評価関数を設定処理する可動範囲条件評価処理手順と、可操作度条件に関する重み付き評価関数を設定処理する可操作度条件評価処理手順と、統合化評価関数を設定処理する統合化評価関数作成処理手順との連続フローチャートである。
【図１２】同上において、センサデータを用いた関節角度最適処理手順であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は部分詳細図である。
【図１３】同上において、教示データと修正ファイルを用いた関節角度最適処理手順であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は部分詳細図である。
【符号の説明】
１…ツール条件評価関数生成部
１ａ〜７ａ，１３ａ…入力手段
１ｂ〜７ｂ，８ａ〜１１ａ，１３ｂ…演算手段
２…センサ条件評価関数生成部
３…可動範囲条件評価関数生成部
４…ツール条件重み付き評価関数生成部
５…センサ条件重み付き評価関数生成部
６…可動範囲条件重み付き評価関数生成部
７…可操作度条件重み付き評価関数生成部
８…評価関数統合部
９…マニピュレータ関節角度生成部
１０…座標変換部
１１…経路生成部
１２…関節角度制御部
１２ａ…制御手段
１３…新規条件重み付き評価関数生成部
１４…マニピュレータ
１４ａ…検出手段
１４ｂ…駆動手段
１５…センサ
１６…ツール
１７…加工対象物
１８…経路
１９…経路接線
２０…ツール先端
２１…センサ視野
２２…センサ原点
２３…特徴点
Ｅa…ツール条件評価関数
Ｅb…ツール条件重み付き評価関数
Ｅc…センサ条件評価関数
Ｅd…センサ条件重み付き評価関数
Ｅe…可動範囲条件評価関数
Ｅf…可動範囲条件重み付き評価関数
Ｅg…可操作度条件重み付き評価関数
Ｅh…統合化評価関数
Ｅm［ｊ］…新規条件評価関数
Ｅnew［ｊ］…新規条件重み付き評価関数
α…ツール条件の重要度
β…センサ条件の重要度
γ…可動範囲条件の重要度
δ…可操作度条件の重要度
ε［ｊ］…新規条件の重要度
Claims (11)
- マニピュレータの先端とその近傍にそれぞれツールとセンサを取り付けて、当該マニピュレータが動作するべき経路をセンサデータあるいは教示データをもとに算出し、算出された経路を追従するようにマニピュレータの関節角度を制御するロボットマニピュレータの制御装置において、
ツール条件評価関数生成部を前置直結し、前記ツールの重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を前記ツール条件評価関数生成部にて生成されたツール条件評価関数に乗じてツール条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有するツール条件重み付き評価関数生成部と、
センサ条件評価関数生成部を前置直結し、前記センサの重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を前記センサ条件評価関数生成部にて生成されたセンサ条件評価関数に乗じてセンサ条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有するセンサ条件重み付き評価関数生成部と、
関節に関する可動範囲条件評価関数生成部を前置直結し、前記ロボットマニピュレータの各関節の可動範囲の重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を前記可動範囲条件評価関数生成部にて生成された可動範囲条件評価関数に乗じて可動範囲条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有する可動範囲条件重み付き評価関数生成部と、
前記ロボットマニピュレータの前記関節角度を検出する検出手段に接続し、当該検出手段によって得られた当該関節角度により前記可操作度を算出する演算手段と、当該可操作度の重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該重要度を当該可操作度に乗じて可操作度に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有する可操作度条件重み付き評価関数生成部と、
前記ロボットマニピュレータの前記他の新規条件の望ましい値と、その許容範囲をあらわす値及びその重要度を表す数値を動作途中でもその都度外部から随時入力を受け付けることにより調節可能とする入力手段と、当該入力手段により入力された当該許容範囲内にのみ値を持ち、かつ極小値又は極大値を持つ評価関数を算出した後に、当該重要度を当該評価関数に乗じて他の新規条件に関する重み付き評価関数を算出する演算手段とを有する他の新規条件重み付き評価関数生成部と、
前記全ての重み付き評価関数を統合化する評価関数統合部と、
前記センサデータと前記検出手段からそれぞれ経路情報と関節角度情報を、あるいは教示データから経路情報と関節角度情報を生成する経路生成部と、
当該経路情報と当該関節角度情報とにより座標変換し経路に対するツール位置及びツール姿勢、経路に対するセンサ原点位置、経路上特徴点位置あるいは仮想特徴点位置を算出する座標変換部と、
当該関節角度情報と当該ツール位置及び当該ツール姿勢と当該センサ原点位置と当該特徴点位置あるいは仮想特徴点位置により統合化評価関数を最適化してマニピュレータ関節角度指令値の運動指令値信号を逐次生成するマニピュレータ関節角度生成部と、
当該マニピュレータ運動指令値信号を駆動指令信号に変換して当該マニピュレータ関節角度を制御する関節角度制御部と、を備える、
ことを特徴とするロボットマニピュレータの制御装置。 - ツール条件評価関数生成部は、
マニピュレータに装着されたツールが経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値及び当該経路に対して当該ツールがとるべき位置姿勢の許容範囲を表す数値を入力する手段と、
当該入力手段により入力された許容範囲内に値をもち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値を持つ評価関数を算出する演算手段と、を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボットマニピュレータの制御装置。 - センサ条件評価関数生成部は、
センサが経路を認識するために当該センサが当該経路に対してとるべき最も望ましい位置姿勢の値及び当該センサが当該経路に対してとるべき位置姿勢の範囲を表す数値を入力する入力手段と、
当該入力手段により入力された許容範囲内に値をもち、かつ最も望ましい位置姿勢の時に極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段と、を有する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボットマニピュレータの制御装置。 - 可動範囲条件評価関数生成部は、
ロボットマニピュレータの各関節の可動範囲を表す数値を入力する入力手段と、
当該入力手段により入力された可動範囲内にのみ値をもち、かつ極小値又は極大値をもつ評価関数を算出する演算手段と、を有する、
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のロボットマニピュレータの制御装置。 - 評価関数統合部は、
ツール条件、センサ条件、可動範囲条件、可操作度条件及び他の新規条件に関するそれぞれの重み付き評価関数を統合した評価関数を算出する演算手段を有する、
ことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載のロボットマニピュレータの制御装置。 - 経路生成部は、
センサデータあるいは教示データからツールが追従すべき経路を算出する演算手段を有する、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載のロボットマニピュレータの制御装置。 - 座標変換部は、
経路と、関節角度により当該経路に対するツールとセンサのそれぞれの位置姿勢を算出する演算手段を有する、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載のロボットマニピュレータの制御装置。 - マニピュレータ関節角度生成部は、
経路と、関節角度と、これ等によりそれぞれ算出されたツールとセンサのそれぞれの算出位置姿勢及び新規条件の変数をもとに統合化評価関数を最適化するようにマニピュレータの関節角度を算出する演算手段を有する、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載のロボットマニピュレータの制御装置。 - 関節角度制御部は、
マニピュレータ関節角度生成部より算出された関節角度指令値になるようにマニピュレータの各関節を制御する制御手段を有する、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載のロボットマニピュレータの制御装置。 - マニピュレータは、
各関節角度を検出する検出手段と、
関節角制御部からの駆動指令信号により制御駆動される駆動手段と、を有する、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボットマニピュレータの制御装置。 - 検出手段は、
マニピュレータの各関節に取り付けられたロータリーエンコーダである、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０に記載のロボットマニピュレータの制御装置。
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|---|---|---|---|
| JP24442597A JP3633760B2 (ja) | 1997-09-09 | 1997-09-09 | ロボットマニピュレータの制御装置 |
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1997
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