JP5601949B2 - ロボット制御システム - Google Patents

Description

本発明は、作業ツールを取り付けたロボットを所定の位置に手動で移動させるためのジョグ送り機能を有するロボット制御システムに関する。

アーク溶接、スポット溶接等の加工作業をロボットで実現する場合、ティーチングプレイバックと呼ばれる方式が採用されることが一般的である。ティーチングプレイバック方式とは、予め決められた位置にワークを設置して、マニピュレータとワークとの相対的な位置関係を拘束した状態で、ワークに対するマニピュレータの動作を教示し、この教示データを繰り返し再生動作させることで、同一品種のワークを連続して加工するという方法である。

図６は、ティーチングプレイバック方式を採用したロボット制御システム６０の一般的な構成図である。同図において、マニピュレータ６１は、アーム６２の先端にワークＷを加工するための作業ツールＴを備えている。ティーチペンダント６３は、ワークＷに対するマニピュレータ６１の動作を作業者が教示するための装置であり、その盤面上には、作業ツールＴを移動させるための方向指示キー６４が装備されている。方向指示キー６４は、図示しているように座標系の方向（±Ｘ，±Ｙ，±Ｚ）に応じた複数のボタンが装備されているのが一般的である。例えば、手動操作座標系の１つであるベース座標系で作業ツールＴを移動させる場合は、方向指示キー６４のＸ＋を押すと、ベース座標系のＸ＋方向に作業ツールＴの制御点が移動する。このように、作業者は方向指示キー６４を操作することによって作業ツールＴを所望の位置に動かして、加工作業を行わせるための作業経路を教示する。そして、作業経路上の教示点における作業ツールＴの位置姿勢座標値が教示データとしてロボット制御装置６５に記憶される。なお、以下では作業ツールＴを移動させる操作のことを、ジョグ送りと呼ぶことにする。

図７は、教示時におけるマニピュレータ６１の移動方向と手動操作座標系の関係について説明するための図である。マニピュレータ６１、ワークＷは、図６と同符号を付与した同一のものであるので説明を省略する。作業経路Ｋは、ワークＷを加工するために必要な経路の１つであり、同図の場合は教示点Ａと教示点Ｂとによって形成される。ベース座標系Ｃｂはマニピュレータ６１に原点を有する手動操作座標系である。説明の便宜上、ベース座標系Ｃｂにおける軸方向のＸ＋とＹ＋を矢印で表現しており、その他の軸方向は省略している。

上述したように、作業者は作業ツールＴを所望の位置にジョグ送りし、その位置を教示する。しかしながら、ジョグ送りの際に必要なキー操作は煩雑さを伴うことが多い。例えば、同図において作業経路Ｋを教示するために、現在位置である教示点Ａから目標位置である教示点Ｂに作業ツールＴをジョグ送りする場合を想定する。教示点Ａから教示点Ｂに向かう方向がベース座標系ＣｂのＸ＋方向に一致していれば、作業者は方向指示キー６４のＸ＋を押すだけでよい。しかしながら、ワークＷ上の作業経路Ｋは、ベース座標系Ｃｂの軸方向と一致していない。このような場合、作業者は方向指示キー６４のＸ＋、Ｙ−等を組み合わせて操作する必要がある。ワークＷが大型であったり作業経路Ｋが複雑であったりすると、作業ツールＴのジョグ送り操作は、より一層煩雑になる。

そこで、近年の産業用ロボットでは、手動操作座標系の原点位置および軸方向を任意に定義可能なユーザ座標系を、作業者が事前に設定することによって、ジョグ送り操作の煩雑さを解消する提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。同図に示すように、作業経路Ｋの方向が座標系のＸ＋方向に一致するように所望のユーザ座標系Ｃｕを設定すれば、方向指示キー６４のＸ＋のみの操作で教示点Ｂに移動させることができる。すなわち、手動操作座標系の原点位置および軸方向をワークＷの設置位置、形状等に合わせた任意の位置および方向に設定することができるため、ジョグ送り操作の煩雑さを解消することが可能である。しかしながら、ユーザ座標系を設定しても、後述する課題を有している。

特開昭６１−４９２０５号公報

上述したように、ユーザ座標系は、手動操作座標系の原点位置および軸方向を任意に設定可能としたものであるが、一度設定したユーザ座標系は、原点位置および軸方向を再度設定しない限り固定となるために、ワークＷの形状によっては、方向指示キー６４の組み合わせによる操作が必要となる。例えば、図７において、教示点Ａから教示点Ｂへジョグ送りする場合は、ユーザ座標系Ｃｕを基準として方向指示キー６４のＸ＋のみを押下すればよいが、次いで教示点Ｂから教示点Ｃへジョグ送りする場合は、ユーザ座標系Ｃｕまたはベース座標系Ｃｂのどちらを基準としても、方向指示キー６４のＸ＋、Ｙ＋等の組合せによる操作が必要となる。すなわち、ジョグ送り操作の煩雑さは、解消されているとは言い難い。

そこで、本発明は、手動操作座標系の軸方向をいつでも変更可能とすることによって、ジョグ送り操作の煩雑さを解消することができるロボット制御システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、
ロボットに取り付けられたツールの移動方向を定める方向指示手段を備え、この方向指示手段により指示された移動方向および手動操作座標系に基づき、前記ツールをジョグ送りするロボット制御システムにおいて、
回転操作手段と、
この回転操作手段の回転量および回転方向を検出する検出手段と、
前記ジョグ送りの操作時に、前記手動操作座標系を構成する座標軸のうち、少なくとも１つを選択する座標軸選択手段と、
この座標軸選択手段により選択された座標軸の回転角度を前記回転量および前記回転方向に基づいて算出して設定する回転角度設定手段と、
前記手動操作座標系を、前記座標軸を中心として前記回転角度だけ回転させることで新たな手動操作座標系を算出する座標系演算手段と、
この座標系演算手段によって算出された新たな手動操作座標系に従って前記ツールをジョグ送りする動作制御手段と、を備え、
前記方向指示手段および前記回転操作手段が同時に操作されたときは、前記座標系演算手段は、前記回転角度に基づいて新たな手動操作座標系を刻々と算出し、前記動作制御手段は、刻々と算出される新たな手動操作座標系および前記方向指示手段により指示された移動方向に基づいて前記ツールをジョグ送りすることを特徴とするロボット制御システムである。

請求項２の発明は、前記ジョグ送りが中断されたときは、前記座標系演算手段は、前記手動操作座標系を演算前の手動操作座標系に戻すことを特徴とする請求項１記載のロボット制御システムである。

請求項３の発明は、前記ジョグ送りが中断されたときに、前記手動操作座標系を演算前の手動操作座標系に戻すか、演算後の手動操作座標系を保持するかを設定可能としたことを特徴とする請求項１記載のロボット制御システムである。

請求項１の発明によれば、手動操作座標系の軸方向をいつでも変更できるようにしたことによって、ジョグ送り操作の煩雑さを解消することができる。特に、手動操作座標系の軸方向を回転操作手段によって設定するようにしたことによって、軸方向の変更操作を簡略化するとともに、マニピュレータをジョグ送りしながらリアルタイムに手動操作座標系の軸方向を変更できるようにしたことによって、アナログ的な感覚でジョグ送り操作を行うことができる。すなわち、ジョグ送り操作の煩雑さをさらに解消することができる。

請求項２の発明によれば、ジョグ送りが中断されたときは、手動操作座標系を元に戻すようにしたことによって、ジョグ送り操作の再開時に意図しない方向へロボットが移動してしまうことを防止することができる。

請求項３の発明によれば、ジョグ送りが中断されたときに、手動操作座標系を演算前の手動操作座標系に戻すか、演算後の手動操作座標系を保持するかを設定可能としたことによって、ユーザニーズに応じた使い勝手を提供することができる。

図１は本発明に係るロボット制御システムの構成図である。 図２は本発明に係るティーチペンダントの外観図である。 図３は本発明に係るロボット制御システムの機能ブロック図である。 図４は手動操作座標系を回転させた様子を説明するための図である。 図５は手動操作座標系を回転させながらジョグ送りする様子を説明するための図である。 図６はティーチングプレイバック方式を採用した従来のロボット制御システムの構成図である。 図７は教示時におけるマニピュレータの移動方向と座標系の関係について説明するための図である。

発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明に係るロボット制御システム１０のブロック図である。同図は、例としてアーク溶接用途に具体化したものを示しているが、スポット溶接、ハンドリング等のその他の用途においても本発明は適用可能である。

同図において、マニピュレータＭは、ワークＷに対してアーク溶接を自動で行うものであり、ロボット制御装置ＲＣに接続されている。マニピュレータＭは、複数のアーム部および手首部と、これらを回転駆動するための複数のサーボモータ（いずれも図示せず）とによって各々構成されている。また、マニピュレータＭのアームの先端部分には、作業ツールＴとしてアーク溶接トーチが取り付けられている。アーク溶接トーチは、直径１ｍｍ程度の溶接ワイヤを、ワークＷ上の教示された溶接箇所に導くためのものである。

ティーチペンダントＴＰは、可搬式の教示操作盤であり、ロボット制御装置ＲＣに接続されている。作業者は、このティーチペンダントＴＰを用いて、マニピュレータＭをジョグ送りしながらワークＷを加工するための作業経路を教示する。教示結果は、教示データＴｄとしてロボット制御装置ＲＣに記憶される。なお、ティーチペンダントＴＰは、座標軸選択手段および回転角度設定手段に相当するものであり、詳細については後述する。

ロボット制御装置ＲＣは、ティーチペンダントＴＰからの入力に応じてマニピュレータＭのジョグ送りを行わせるものである。また、再生運転時は、教示データＴｄに基づいた所定のタイミングで動作制御信号をマニピュレータＭに出力して駆動したり、溶接制御信号を溶接電源ＷＰに出力したりすることで、アーク溶接加工を自動で行わせる。

図２は、本発明に係るティーチペンダントの外観図である。キーボード４１は、教示操作、各種設定操作等を行うためのものであり、マニピュレータＭをジョグ送りする際の移動方向を定める方向指示キー４１Ａを含んでいる。方向指示キー４１Ａは、方向指示手段に相当する。表示部４３は、教示データＴｄの内容やロボットの動作制御に必要な各種パラメータを表示するためのものである。ジョグダイヤル４２は、回転操作手段に相当するものであり、内部に備えられたロータリエンコーダ３４により回転量および回転方向が検出される。ジョグダイヤル４２は、押しボタンの機能も有しており、矢印４２Ａの方向へ押し込むことが可能となっている。押し込まれることにより、表示部４３に表示される選択肢の中からいずれかを決定する等の処理が、ロボット制御装置ＲＣにおいて行われる。

図３は、本発明に係るロボット制御システム１０の機能ブロック図である。

同図において、ティーチペンダントＴＰは、中央演算処理装置であるＣＰＵ３１、各種制御プログラムが格納されたＲＯＭ３２、一時的な計算領域としてのＲＡＭ３３を備えている。また、上述したキーボード４１（方向指示キー４１Ａ）、ジョグダイヤル４２および表示部４３を備えている。ロータリエンコーダ３４は、ジョグダイヤル４２の回転量および回転方向を検出する検出手段である。ロータリエンコーダ３４の検出信号により、ジョグダイヤル４２の回転方向（正転方向、逆転方向を含む）および回転量が検出される。より具体的には、ロータリエンコーダ３４が、ジョグダイヤル４２の回転量に比例したパルス信号（検出信号）を検出し、このパルス数を図示しないカウンタにてカウントすることにより、回転量を認識する。また、ロータリエンコーダ３４が、例えば２相パルスを出力することにより、正転か逆転しているか（すなわち回転方向）を認識する。なお、ＣＰＵ３１は、キーボード４１からの入力操作により生成された操作信号およびロータリエンコーダ３４が検出した検出信号をロボット制御装置ＲＣに対して図示しない通信部を介して通知するよう構成されている。

座標系演算手段および動作制御手段としてのロボット制御装置ＲＣは、中央演算処理装置であるＣＰＵ２１、各種制御プログラムや手動操作座標系の定義パラメータ等が格納されたＲＯＭ２２、一時的な計算領域としてのＲＡＭ２３、各種メモリ等を含むマイクロコンピュータによって構成されている。ＴＰインターフェース１は、ティーチペンダントＴＰを接続するためのものである。

ＲＯＭ２２には、各種処理を行うための制御ソフトウェアが記憶されており、これらを機能的に同図に示すと、キー入力監視部２、教示データ作成処理部３、座標系・座標軸選択処理部７、座標系演算部８、ジョグ動作処理部９、解釈実行部１１、駆動指令部１２および溶接制御部１３の各処理部を備えている。また、ＲＯＭ２２には、ジョグ送り操作時の基準となる手動操作座標系を定義するための制御パラメータも記憶されている。

キー入力監視部２は、ティーチペンダントＴＰのキーボード４１およびジョグダイヤル４２の操作がなされたときに入力される操作信号を監視する。教示データ作成処理部３は、ティーチペンダントＴＰからの入力に応じ、教示点の位置姿勢座標値、各種命令等を、教示データＴｄとしてハードディスク５に記憶する。座標系・座標軸選択処理部７は、ティーチペンダントＴＰによって選択された、ジョグ送り操作の基準となる手動操作座標系を座標系演算部８に通知する。また、手動操作座標系を構成する座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）の中から、選択された座標軸を座標系演算部８に通知する。座標系演算部８は、ロータリエンコーダ３４が検出したジョグダイヤル４２の回転量および回転方向、またはティーチペンダントＴＰから指定された回転角度に基づき、手動操作座標系を回転させる演算を行い、ＲＡＭ２３に記憶する。ジョグ動作処理部９は、方向指示キー４１Ａおよび演算後の手動操作座標系に従って、マニピュレータＭを移動させるための演算を行い、演算結果を駆動指令部１２に出力する。この結果、マニピュレータＭが駆動制御される。

ハードディスク５は不揮発性メモリであり、教示データＴｄを記憶する。この教示データＴｄを再生するための解釈実行部１１は、ハードディスク５に格納されている教示データＴｄを教示ステップごとに読み出してその内容を解析し、駆動指令部１２および溶接制御部１３に各種制御信号を出力する。この結果、マニピュレータＭが駆動制御されると共に、溶接制御信号が溶接電源ＷＰに出力され、所定のタイミングで溶接電力の供給、シールドガスの出力等の処理が行われる。

次に、上記のように構成されたロボット制御システム１０の作用について説明する。

（１．手動操作座標系の選択）
作業者は、マニピュレータＭをジョグ送りする場合、まず、ティーチペンダントＴＰを操作して手動操作座標系を選択する。手動操作座標系としては、ベース座標系、ツール座標系、ワールド座標系、ユーザ座標系等が予め定められているが、いずれか１つを選択する。ここでは、ベース座標系を選択したものとする。この操作により、座標系・座標軸選択処理部７は、ベース座標系を手動操作座標系として座標系演算部８に通知する。

（２．座標軸の選択）
ワークＷの形状に応じてベース座標系を回転させる場合、作業者は、表示部４３にメニューを呼び出して、ベース座標系を構成する座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）のうち、１つを選択する。ここでは、Ｚ軸を選択したものとする。この操作により、座標系・座標軸選択処理部７は、Ｚ軸を回転対象座標軸として座標系演算部８に通知する。

（３．回転方向および回転量の設定）
次に作業者は、Ｚ軸を中心に所定の角度だけ回転させる操作を行う。具体的には、ジョグダイヤル４２を正転または逆転操作する。この操作により、回転方向および回転量が、ロボット制御装置ＲＣへ通知される。ジョグダイヤル４２の回転量と座標軸の回転角度との関係は予め定められており、この関係に基づいて、座標系演算部８は、座標軸の回転方向および回転角度を演算する。この演算結果はティーチペンダントＴＰに表示されるように構成しておくことが望ましい。そして、作業者は、所望の回転方向および回転角度になったときに、ジョグダイヤル４２を図２で示した矢印４２Ａの方向へ押し込む。この操作により、座標系演算部８は、ベース座標系をＺ軸を中心に回転させる演算を行い、演算結果をＲＡＭ２３に記憶する。なお、上記では座標軸の回転方向および回転角度を、ジョグダイヤル４２によって設定するように構成しているが、回転角度として、例えば＋４５°、−３０°等をティーチペンダントＴＰから数値で設定できるように構成してもよい。プラスの回転角度であればプラス方向へ、マイナスの回転角度であればマイナス方向へそれぞれ回転させるように、座標系演算部８が演算する。また、ジョグダイヤル４２の回転量と座標軸の回転角度との関係は、作業者が変更可能なように構成しておくことが望ましい。

図４は、手動操作座標系を回転させた様子を説明するための図である。同図（ａ）は、初期状態のベース座標系Ｃｂを、Ｚ軸を中心に回転させようとしている様子を示している。同図（ｂ）は、回転後のベース座標系Ｃｂ’であり、Ｚ軸を中心にマイナス方向へ約４５°回転させた様子を示している。

（４．座標系回転後の操作）
手動操作座標系の回転が完了した後は、ワークＷの形状あるいは作業経路に応じたジョグ送り操作が可能になっているので、作業者は、方向指示キー４１Ａの例えばＸ＋のみを押下する。この操作によって、ジョグ動作処理部９は、方向指示キー４１Ａおよび回転後のベース座標系に応じて作業ツールＴを移動させるための演算を行い、演算結果を駆動指令部１２に出力する。この結果、マニピュレータＭが駆動制御されてジョグ送りが行われる。

以上説明したように、手動操作座標系の軸方向をいつでも変更できるようにしたことによって、ジョグ送り操作の煩雑さを解消することができる。

また、手動操作座標系の軸方向を回転操作手段によって設定するようにしたことによって、軸方向の変更操作を簡略化することができる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、回転対象となる座標軸を決定した後に回転方向および回転量を定め、手動操作座標系を回転させてから、ジョグ送り操作を行うようにした。これに対し、実施の形態２は、手動操作座標系をリアルタイムに回転させながら、ジョグ送り操作を行えるようにするものである。

より具体的には、作業者は、座標軸の選択まで行った後に、ジョグダイヤル４２を回転させながら方向指示キー４１Ａを押下する。座標系演算部８は、ジョグダイヤル４２の回転量および回転方向に基づいて手動操作座標系を刻々と算出する。さらに、ジョグ動作処理部９は、刻々と算出される手動操作座標系および方向指示キー４１Ａにより指示された移動方向に基づいて作業ツールＴをジョグ送りする演算を行う。

図５は、手動操作座標系を回転させながらジョグ送りする様子を説明するための図である。同図においては、ワークＷ上に模擬的に示した現在位置Ｐ１（黒丸）から、Ｐ２（白丸）およびＰ３（黒四角）を経由して、目標位置Ｐ４（白四角）まで、方向指示キー４１Ａの−Ｘのみを押下してジョグ送りする場合を示している。Ｐ１からＰ２の区間は、回転させる前（初期状態）の手動操作座標系Ｒｃ１を基準としてジョグ送りを行う。したがって、Ｐ１の位置から方向指示キー４１Ａの−Ｘのみを押下してジョグ送りを開始し、Ｐ２へ到達させる。この区間の経路Ｋ１は直線となる。Ｐ２からＰ３の区間は、Ｐ２の位置から方向指示キー４１Ａの−Ｘのみを押下したまま、ジョグダイヤル４２を回転させながら（すなわち手動操作座標系Ｒｃ２を回転させながら）、ジョグ送りを行い、Ｐ３へ到達させる。この区間の経路Ｋ２は曲線となる。Ｐ３からＰ４の区間は、回転後の手動操作座標系Ｒｃ３を基準としてジョグ送りを行う。したがって、ジョグダイヤル４２は回転させずに、Ｐ３の位置から方向指示キー４１Ａの−Ｘのみを押下してジョグ送りを開始し、Ｐ４へ到達させる。この区間の経路Ｋ３は直線となる。

このように、実施の形態２によれば、ジョグ送り中にジョグダイヤル４２の操作により手動操作座標系の回転を可能としたことによって、方向指示キー４１Ａのいずれかのキーを押下したままで動作方向を変更することが可能となり、アナログ的な感覚による操作を実現することができる。すなわち、ジョグ送り操作の煩雑さをさらに解消することができる。

なお、上記いずれの実施例においても、座標系演算部８は、ジョグ送り操作が中断した後（方向指示キー４１Ａを離した後）、座標系演算部８は、手動操作座標系を演算前の手動操作座標系に戻すように構成することが好ましい。このようにすることによって、ジョグ送り操作の再開時に意図しない方向へロボットが移動してしまうことを防止することができる。

あるいは、ジョグ送りが中断されたときに、手動操作座標系を演算前の手動操作座標系に戻すか、演算後の手動操作座標系を保持するかを予め選択できるように構成してもよい。このように構成することによって、ユーザニーズに応じた使い勝手を提供することができる。

１ ＴＰインターフェース
２ キー入力監視部
３ 教示データ作成処理部
５ ハードディスク
７ 座標系・座標軸選択処理部
８ 座標系演算部
９ ジョグ動作処理部
１０ ロボット制御システム
１１ 解釈実行部
１２ 駆動指令部
１３ 溶接制御部
２１ ＣＰＵ（ロボット制御装置）
２２ ＲＯＭ（ロボット制御装置）
２３ ＲＡＭ（ロボット制御装置）
３１ ＣＰＵ（ティーチペンダント）
３２ ＲＯＭ（ティーチペンダント）
３３ ＲＡＭ（ティーチペンダント）
３４ ロータリエンコーダ
４１ キーボード
４１Ａ 方向指示キー
４２ ジョグダイヤル
４２Ａ 矢印
４３ 表示部
６０ ロボット制御システム
６１ マニピュレータ
６２ アーム
６３ ティーチペンダント
６４ 方向指示キー
６５ ロボット制御装置
Ｃｂ ベース座標系
Ｃｕ ユーザ座標系
Ｋ 作業経路
Ｋ１ 経路
Ｋ２ 経路
Ｋ３ 経路
Ｍ マニピュレータ
Ｐ１ 現在位置
Ｐ２ ジョグダイヤルの回転開始位置
Ｐ３ ジョグダイヤルの回転終了位置
Ｐ４ 目標位置
ＲＣ ロボット制御装置
Ｒｃ１ 手動操作座標系
Ｒｃ２ 手動操作座標系
Ｒｃ３ 手動操作座標系
Ｔ 作業ツール
Ｔｄ 教示データ
ＴＰ ティーチペンダント
Ｗ ワーク
ＷＰ 溶接電源

Claims (3)

1. ロボットに取り付けられたツールの移動方向を定める方向指示手段を備え、この方向指示手段により指示された移動方向および手動操作座標系に基づき、前記ツールをジョグ送りするロボット制御システムにおいて、
   回転操作手段と、
   この回転操作手段の回転量および回転方向を検出する検出手段と、
   前記ジョグ送りの操作時に、前記手動操作座標系を構成する座標軸のうち、少なくとも１つを選択する座標軸選択手段と、
   この座標軸選択手段により選択された座標軸の回転角度を前記回転量および前記回転方向に基づいて算出して設定する回転角度設定手段と、
   前記手動操作座標系を、前記座標軸を中心として前記回転角度だけ回転させることで新たな手動操作座標系を算出する座標系演算手段と、
   この座標系演算手段によって算出された新たな手動操作座標系に従って前記ツールをジョグ送りする動作制御手段と、を備え、
   前記方向指示手段および前記回転操作手段が同時に操作されたときは、前記座標系演算手段は、前記回転角度に基づいて新たな手動操作座標系を刻々と算出し、前記動作制御手段は、刻々と算出される新たな手動操作座標系および前記方向指示手段により指示された移動方向に基づいて前記ツールをジョグ送りすることを特徴とするロボット制御システム。
2. 前記ジョグ送りが中断されたときは、前記座標系演算手段は、前記手動操作座標系を演算前の手動操作座標系に戻すことを特徴とする請求項１記載のロボット制御システム。
3. 前記ジョグ送りが中断されたときに、前記手動操作座標系を演算前の手動操作座標系に戻すか、演算後の手動操作座標系を保持するかを設定可能としたことを特徴とする請求項１記載のロボット制御システム。

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