JP7199073B2 - 垂直多関節ロボットの教示データ作成システム - Google Patents

垂直多関節ロボットの教示データ作成システム Download PDF

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Description

本発明は、軸数が6つである垂直多関節ロボットの教示データ作成システムに関する。
従来より、自動車等の生産工場では、人間の代わりに多数の垂直多関節ロボットが作業を行っている。そして、これら垂直多関節ロボットは、予め作成しておいた教示データに基づいて動作を再生するようになっている。この教示データは、例えば、特許文献1に記載されているように、近年では、まずオフライン作業においてワークステーションやパソコンを用いて3D表示されたデータ上のロボットでその姿勢を検討しながら作成した後、作成した教示データを生産工場に設置したロボットの制御部に書き込んで使用するようになっている。
特開2000-20120号公報
ところで、上述の如き教示データをオフライン作業にて作成する際、ロボットのアーム先端部分に取り付けたツールの3次元空間における各作業位置を教示点として記憶させること、並びに、各教示点間においてツールやアームがワークや他の設備等に干渉しないことを優先して作成する一方、各教示点間の細かなアームの姿勢については考慮せずに作成するのが一般的である。そうすると、各教示点間においてアームの無駄な動作が多いままの状態で教示データが作成されてしまい、生産工場に設置したロボットの制御部に教示データを書き込んでロボットを動作させると、教示点間のアームの無駄な動作によって所望するサイクルタイム内にロボットの動作が終わらなくなる場合がある。その場合、作業者が生産現場にて実際にロボットの動作を目視で確認し、且つ、トライアンドエラーを繰り返しながらアームの無駄な動作を手動操作で修正してロボットの動作を所望するサイクルタイム内に収まるようにする必要があり、非効率であるという問題があった。
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、効率良くロボットの動作時間を短くしてサイクルタイムを縮めることができる垂直多関節ロボットの教示データ作成システムを提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明は、垂直多関節ロボットにおけるアームの基端側の各関節部分の動作よりもアームの先端側の各関節部分の動作の方が速いことを利用して教示データを作成するよう工夫を凝らしたことを特徴とする。
具体的には、第1~第6回動軸が設置フロア側から順に設けられた多関節のアームと、上記第1~第6回動軸をそれぞれ駆動する第1~第6回動モータとを有し、上記第1~第6回動モータの角速度は、設置フロア側に位置する回動軸を駆動する駆動モータと対比して、アーム先端側に位置する回動軸を駆動する駆動モータの角速度が速くなっており、上記アームの先端部分に取り付けられたツールの所定位置が複数の教示点を順に移動するように作られた教示データに基づいて動作可能な垂直多関節ロボットの教示データ作成システムを対象とし、次のような解決手段を講じた。
すなわち、第1の発明では、上記アームにおける第4、第5及び第6回動軸のうちの1つの関節部分Vの中心を制御点Aとするとともに所定の2つの教示点をT、Tとした際、上記第1~第3回動軸の回動時間のうち最も長い回動時間が、上記第4~第6回動軸の回動時間のうち最も長い回動時間よりも短くなるよう、教示点Tのときの上記制御点Aの位置Pと、教示点Tのときの上記制御点Aの位置Pとをそれぞれ抽出する制御点抽出部と、上記位置P及び上記位置Pを通過する直線経路Lを演算する直線経路演算部と、上記ツールの所定位置が上記教示点Tから上記教示点Tまで移動する教示データを作成する際、上記位置Pと上記位置Pとが一致するようなアーム動作を演算して教示データを作成するか、或いは、上記制御点Aが上記位置Pから上記位置Pに到達するまで上記直線経路L上か、又は、上記直線経路Lに接近した位置に沿って動くようなアーム動作を演算して教示データを作成するアーム動作演算部とを備えていることを特徴とする。
第2の発明では、第1の発明において、上記アームにおける第1、第2及び第3回動軸のうちの1つの関節部分Wには、その回動動作を角速度ωで動作させるアーム基端側モータが取り付けられ、上記アームにおける第4、第5及び第6回動軸のうちの1つの関節部分Vには、その回動動作を上記角速度ωのX倍である角速度ωで動作させるアーム先端側モータが取り付けられ、上記アーム動作演算部は、上記制御点Aが上記位置Pから上記位置Pに到達する際のアーム動作を演算する際、上記関節部分Wの動作角度θが上記関節部分Vの動作角度θの1/X倍となるようにアーム動作を演算するよう構成されていることを特徴とする。
第1の発明では、教示データに基づくロボットの動作によってツールが各教示点間を移動する際、制御点Aの位置が動かない場合には、アーム先端側の各関節部分のみが回動し、制御点Aが直線的に動く場合には、その制御点Aの直線的な動きを維持させるためにアーム基端側の各関節部分に比べてアーム先端側の各関節部分の回動角度が総じて大きくなる。したがって、アームの各関節部分を回動させる各モータのうちの角速度の速いモータの動作時間が長くなることによってアーム全体の動作時間くできる。
第2の発明では、教示データに基づくロボットの動作によってツールが各教示点間を移動する際、アームにおける角速度の速い関節部分Vが動作に費やす時間とアームにおける角速度の遅い関節部分Wが動作に費やす時間とが平均化される。したがって、関節部分Vの動作時間と関節部分Wの動作時間とがほぼ等しくなって関節部分V、Wが動作せずに遊んでいる時間が少なくなるので、アームがさらに効率的な動作を行うようになる
本発明の実施形態1に係る教示データ作成システム及び該システムにて作成した教示データに基づいて動作を再生させる垂直多関節ロボットの概略構成図である。 本発明の実施形態1に係る教示データ作成システムを用いて作成する教示データにおけるワークの溶接位置及びロボットの主な姿勢を示す図である。 本発明の実施形態1に係る教示データ作成システムを用いて教示データを作成する際のフローチャートを示す図である。 本発明の実施形態1に係る教示データ作成システムを用いて作成した教示データに基づいて動くロボットを簡易的に示した図である。 図4において溶接ガンが矢印R1のように移動したときのアームの第1~第6回転軸心周りにおける各回動角度とその各回動に費やした時間とを示す。 図4において溶接ガンが矢印R2のように移動したときのアームの第1~第6回転軸心周りにおける各回動角度とその各回動に費やした時間とを示す。 従来の方法にて作成した教示データにおけるロボットの動作を簡易的に示した図である。 図7において溶接ガンが矢印S1のように移動したときのアームの第1~第6回転軸心周りにおける各回動角度とその各回動に費やした時間とを示す。 図7において溶接ガンが矢印S2のように移動したときのアームの第1~第6回転軸心周りにおける各回動角度とその各回動に費やした時間とを示す。 本発明の実施形態2に係る教示データ作成システムを用いて作成した教示データにおけるロボットの動作を簡易的に示した図であり、アームにおける第5回動軸の関節部分の中心が移動せずに動作している状態を示す。 本発明の実施形態2に係る教示データ作成システムを用いて教示データを作成する際のフローチャートを示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。
《発明の実施形態1》
図1は、本発明の実施形態1に係る教示データ作成システム1と垂直多関節ロボット2とを示す。該ロボット2は、設置フロアFに設置されたアーム3と、該アーム3に接続された制御盤4とを備え、アーム3の先端部分には、スポット溶接用の溶接ガン5(ツール)が取り付けられている。
アーム3は、軸数が6つである多関節のものであり、設置フロアF側から順に第1~第6回動軸C1~C6が設けられている。第1~第6回動軸C1~C6の各関節部分には、当該各関節部分を第1~第6回動軸C1~C6周りに回動させる第1~第6駆動モータ3a~3fが取り付けられている。
第2回動軸C2の関節部分Wに取り付けられた第2駆動モータ3b(アーム基端側モータ)は、関節部分Wの回動を角速度ωで動作させるよう構成されている。
また、第5回動軸C5の関節部分Vに取り付けられた第5駆動モータ3e(アーム先端側モータ)は、関節部分Vの回動を角速度ωで動作させるよう構成され、角速度ωは角速度ωのX倍となっている。
そして、ロボット2は、制御盤4に書き込まれた教示データD1に基づいて動作を行うようになっている。
教示データ作成システム1は、上記教示データD1をオフライン作業で作成するためのものであり、表示部1a、操作部1b、記憶部1c、制御点抽出部1d、直線経路演算部1e及びアーム動作演算部1fを備えている。尚、図1では、教示データ作成システム1の説明に必要最小限の構成要素のみを記載しており、一般的な構成要素の記載は割愛している。
表示部1aは、図2に示すように、ロボット2のモデルデータ、被溶接物であるワーク6のモデルデータ及び治具7のモデルデータ等を表示可能になっている。尚、表示部1aに表示されるロボット2、ワーク6及び治具7のモデルデータの符号は、ロボット2、ワーク6及び治具7と同じ符号を付すものとする。
操作部1bは、表示部1aに表示されるロボット2のモデルデータを操作可能になっていて、作業者は、例えば、溶接ガン5が溶接を行う位置となる複数の教示点T(nは自然数)を3次元の仮想空間において操作部1bを操作しながら指定できるようになっている。
記憶部1cは、ロボット2、ワーク6及び治具7のモデルデータを記憶するとともに、溶接ガン5が各教示点Tを順に移動するようなアーム3の動作を再現させるための教示データD1などを記憶するようになっている。
制御点抽出部1dは、アーム3における第5回動軸C5の関節部分Vの中心を制御点Aとするとともに、治具7のモデルデータに固定されたワーク6のモデルデータの所定の2つの溶接点を教示点T、Tとした際、教示点Tのときの上記制御点Aの位置を位置Pと抽出し、且つ、教示点Tのときの上記制御点Aの位置を位置Pと抽出するようになっている。
直線経路演算部1eは、3次元空間において位置P及び位置Pを通過する直線経路Lを演算するようになっている(図4参照)。すなわち、直線経路Lを(x、y、z)とするとともに、位置Pを(a、b、c)とし、且つ、位置Pを(a、b、c)とすると、直線経路Lは以下の式(1)によって導き出されるようになっている。
L=(a、b、c)+t(a-a、b-b、c-c) (1)
アーム動作演算部1fは、図4に示すように、溶接ガン5が教示点Tから教示点Tまで移動する教示データD1を作成する際、制御点Aが位置Pから位置Pに到達するまで直線経路L上か、又は、直線経路Lに接近した位置に沿って動くようなアーム3の動作を演算して教示データD1を作成するようになっている。
具体的には、教示点Tと教示点Tとの間において、制御点Aが直線経路L上か、又は、直線経路Lに接近した位置に沿って動く動作を実現するための必要な追加の教示点を演算により求めるようになっている。
そして、教示データ作成システム1にて作成された教示データD1は、制御盤4に書き込まれてロボット2の再生動作に使われるようになっている。
次に、教示データ作成システム1を用いて教示データD1を作成する方法について詳述する。
尚、作成する教示データD1は、図4に示すように、溶接ガン5が元位置Bの状態から教示点Tまで移動して溶接を行った後、姿勢を変えながら教示点Tに移動して溶接を実施し、その後、元位置Bまで戻るロボット2の一連の動作とする。
図3に示すように、まず、ステップS1において、表示部1aに表示されるロボット2のモデルデータを操作部1bで操作して3次元の仮想空間における教示点T、Tを記憶部1cに記憶させる。
次に、ステップS2に進み、制御点抽出部1dにおいて教示点Tのときの制御点Aの位置Pと教示点Tのときの制御点Aの位置Pとが抽出される。
次いで、ステップS3に進み、直線経路演算部1eにおいて位置P及び位置Pを通過する直線経路Lが演算される。
しかる後、ステップS4に進み、アーム動作演算部1fにおいて制御点Aが位置Pから位置Pに到達するまで直線経路L上か、又は、直線経路Lに接近した位置に沿って動くようなアーム3の動作が演算されて教示データD1が作成される。
その後、ステップS5において、作業者は、アーム3の動作時にアーム3や溶接ガン5がワーク6や治具7に干渉するか否かを表示部1aにて確認し、干渉する場合には、アーム3の動作経路を微調整して教示データD1を完成させる。
次に、教示データ作成システム1で作成した教示データD1を用いたロボット2のモデルデータの動作と従来の方法で作成した教示データを用いたロボット2のモデルデータの動作とを比較評価した結果について詳述する。
図4は、教示データ作成システム1で作成した教示データD1を用いたロボット2のモデルデータの動作を簡易的に示したものである。ロボット2の一連の動作時における制御点Aの移動途中の位置を複数プロットしてあり、制御点Aが直線経路Lに沿って移動しているのが分かる。
図5は、図4においてロボット2のモデルデータが矢印R1のように移動したときのアーム3の各関節部分における第1~第6回動軸C1~C6周りの回動動作にそれぞれ費やされた時間を示したものであり、矢印R1の動作が終わるまでに0.18秒の時間が費やされたことが分かった。
また、図6は、図4においてロボット2のモデルデータが矢印R2のように移動したときのアーム3の各関節部分における第1~第6回動軸C1~C6周りの回動動作にそれぞれ費やされた時間を示したものであり、矢印R2の動作が終わるまでに0.28秒の時間が費やされたことが分かった。
したがって、教示データ作成システム1で作成した教示データD1の場合、溶接ガン5が教示点Tから教示点Tに到達するまでのロボット2のモデルデータの動作時間が0.46秒であることが分かった。
一方、図7は、従来の方法で作成した教示データを用いたロボット2のモデルデータの動作を簡易的に示したものである。溶接ガン5が教示点Tから教示点Tまで移動する間に、溶接ガン5がワーク6や治具7に干渉しないように溶接ガン5をワーク6や治具7から一時退避させるようなロボット2の動作になっている。そして、ロボット2の一連の動作時における制御点Aの移動途中の位置を複数プロットしてあり、制御点Aが直線状に移動していないのが分かる。
図8は、図7においてロボット2のモデルデータが矢印S1のように移動したときのアーム3の各関節部分における第1~第6回動軸C1~C6周りの回動動作にそれぞれ費やされた時間を示したものであり、矢印S1の動作が終わるまでに0.16秒の時間が費やされたことが分かった。
また、図9は、図7においてロボット2のモデルデータが矢印S2のように移動したときのアーム3の各関節部分における第1~第6回動軸C1~C6周りの回動動作にそれぞれ費やされた時間を示したものであり、矢印S2の動作が終わるまでに0.55秒の時間が費やされたことが分かった。
したがって、従来の方法で作成した教示データの場合、溶接ガン5が教示点Tから教示点Tに到達するまでのロボット2のモデルデータの動作時間が0.71秒であることが分かり、本発明の教示データ作成システム1で教示データD1を作成することによってロボット2の無駄な動作が少なくなることが分かった。
以上より、本発明の実施形態1によると、教示データD1に基づくロボット2の動作によって溶接ガン5が教示点Tと教示点Tとの間を移動する際、制御点Aの直線的な動きを維持させるためにアーム3の基端側に位置する各関節部分に比べてアーム3の先端側に位置する各関節部分の回動角度が総じて大きくなる。したがって、アーム3の各関節部分を回動させる第1~第6駆動モータ3a~3fのうちの角速度の速い駆動モータの動作時間が長くなることによってアーム3全体の動作時間くできる。
尚、アーム動作演算部1fは、制御点Aが位置Pから位置Pに到達する間のアーム3の動作を演算する際、関節部分Wの動作角度θが関節部分Vの動作角度θの1/X倍となるようにアーム3の動作を演算するよう構成されていてもよい。
具体的には、本発明の実施形態1の場合、第5回動軸C5の関節部分Vの角速度ωは、第2回動軸C2の関節部分Wの角速度ωに比べて1.6倍で動作するので、溶接ガン5が教示点Tから教示点Tに到達するまでの間において、関節部分Vの動作角度θが関節部分Wの動作角度θの1.6倍になるようにアーム3の動作を演算すればよい。そうすると、アーム3における角速度の速い関節部分Vが動作に費やす時間とアーム3における角速度の遅い関節部分Wが動作に費やす時間とが平均化されるので、関節部分Vの動作時間と関節部分Wの動作時間とがほぼ等しくなって関節部分V、Wが動作せずに遊んでいる時間が少なくなる。したがって、アーム3がさらに効率的な動作を行うようになる
《発明の実施形態2》
図10は、本発明の実施形態2に係る教示データ作成システム1を用いて作成した教示データD1に基づいて動くロボット2のモデルデータを簡易的に示したものである。この実施形態2では、ワーク6のモデルデータに対する教示点T、Tの位置、アーム動作演算部1fの処理、及び、フローチャートの一部ステップが実施形態1と異なるだけでその他は実施形態1と同じであるため、以下、実施形態1と異なる部分のみを説明する。
尚、実施形態2で作成する教示データD1は、図10の紙面上において左右対称をなすワーク6の一端側から他端側に向かって溶接ガン5の姿勢を変えながら複数の溶接位置において溶接を行うロボット2の一連の動作とする。
実施形態2のアーム動作演算部1fは、溶接ガン5が教示点Tから教示点Tまで移動する教示データD1を作成する際、位置Pと位置Pとが一致するようなアーム3の動作を演算するようになっている。
具体的には、位置Pと位置Pとが一致するような3次元空間における位置と、教示点Tと教示点Tとの間において制御点Aが移動しないアーム3の動作を実現するための必要な追加の教示点(溶接位置)とを演算により求めるようになっている。
次に、本発明の実施形態2に係る教示データ作成システム1を用いて教示データD1を作成する方法について詳述する。尚、ステップS2までは実施形態1と同じであるため、ステップS3以降のみを説明する。
図11に示すように、実施形態2のステップS3では、アーム動作演算部1fにおいて制御点Aの位置Pと位置Pとが一致するようなアーム3の動作が演算されて教示データD1が作成されるようになっている。
次いで、ステップS4に進み、導き出されたアーム3の動作の中における異なる3つの姿勢を抽出し、その3つの姿勢の位置を溶接ガン5が溶接をする教示点T~Tとして記憶部1cに記憶させて教示データD1を完成させる。
以上より、本発明の実施形態2によると、教示データD1に基づくロボット2の動作によって溶接ガン5が教示点Tから教示点Tまで移動する際、制御点Aの位置が動かないので、アーム3の先端側の各関節部分のみが回動する。したがって、実施形態1と同様に、アーム3の各関節部分を回動させる第1~第6駆動モータ3a~3fのうちの角速度の速い駆動モータの動作時間が長くなることによってアーム3全体の動作時間が短くなり、教示点Tと教示点Tとの間のアーム3の動作に無駄が少なくなるので、作業者が生産現場にて実際にロボット2の動作を目視で確認し、且つ、トライアンドエラーを繰り返しながらアーム3の無駄な動作を手動操作で修正するという作業が少なくなって作業効率を高めることができる。
尚、本発明の実施形態1,2の教示データ作成システム1は、アーム3の先端部分に溶接ガン5が取り付けられたロボット2の動作の教示データを作成しているが、これに限らず、アームの先端部分にマテハン等が取り付けられたロボット2の動作の教示データを作成することもできる。
また、本発明の実施形態1,2では、作業点Aを第5回動軸C5の関節部分の中心に設定してあるが、第4回動軸C4の関節部分の中心に設定してもよいし、第6回動軸C6の関節部分の中心に設定してもよい。
また、本発明の実施形態1,2では、関節部分Vの角速度ωの1/X倍の角速度ωである関節部分Wを第2回動軸C2の関節部分としているが、第1回動軸C1の関節部分や第3回動軸C3の関節部分を関節部分Wとしてもよい。
本発明は、軸数が6つである垂直多関節ロボットの教示データ作成システムに適している。
1 教示データ作成システム
1d 制御点抽出部
1e 直線経路演算部
1f アーム動作演算部
2 垂直多関節ロボット
3 アーム
3b 第2駆動モータ(アーム基端側モータ)
3e 第5駆動モータ(アーム先端側モータ)
5 溶接ガン(ツール)
C2 第2回動軸
C5 第5回動軸
、T 教示点
L 直線経路
V、W 関節部分

Claims (2)

  1. 第1~第6回動軸が設置フロア側から順に設けられた多関節のアームと、上記第1~第6回動軸をそれぞれ駆動する第1~第6回動モータとを有し、上記第1~第6回動モータの角速度は、設置フロア側に位置する回動軸を駆動する駆動モータと対比して、アーム先端側に位置する回動軸を駆動する駆動モータの角速度が速くなっており、上記アームの先端部分に取り付けられたツールの所定位置が複数の教示点を順に移動するように作られた教示データに基づいて動作可能な垂直多関節ロボットの教示データ作成システムであって、
    上記アームにおける第4、第5及び第6回動軸のうちの1つの関節部分Vの中心を制御
    点Aとするとともに所定の2つの教示点をT、Tとした際、上記第1~第3回動軸の回動時間のうち最も長い回動時間が、上記第4~第6回動軸の回動時間のうち最も長い回動時間よりも短くなるよう、教示点Tのときの上記制御点Aの位置Pと、教示点Tのときの上記制御点Aの位置Pとをそれぞれ抽出する制御点抽出部と、
    上記位置P及び上記位置Pを通過する直線経路Lを演算する直線経路演算部と、
    上記ツールの所定位置が上記教示点Tから上記教示点Tまで移動する教示データを
    作成する際、上記位置Pと上記位置Pとが一致するようなアーム動作を演算して教示
    データを作成するか、或いは、上記制御点Aが上記位置Pから上記位置Pに到達する
    まで上記直線経路L上か、又は、上記直線経路Lに接近した位置に沿って動くようなアー
    ム動作を演算して教示データを作成するアーム動作演算部とを備えていることを特徴とす
    る垂直多関節ロボットの教示データ作成システム。
  2. 請求項1に記載の垂直多関節ロボットの教示データ作成システムにおいて、
    上記アームにおける第1、第2及び第3回動軸のうちの1つの関節部分Wには、その回
    動動作を角速度ωで動作させるアーム基端側モータが取り付けられ、
    上記アームにおける第4、第5及び第6回動軸のうちの1つの関節部分Vには、その回
    動動作を上記角速度ωのX倍である角速度ωで動作させるアーム先端側モータが取り
    付けられ、
    上記アーム動作演算部は、上記制御点Aが上記位置Pから上記位置Pに到達する際
    のアーム動作を演算する際、上記関節部分Wの動作角度θが上記関節部分Vの動作角度
    θの1/X倍となるようにアーム動作を演算するよう構成されていることを特徴とする
    垂直多関節ロボットの教示データ作成システム。
JP2017203240A 2017-10-20 2017-10-20 垂直多関節ロボットの教示データ作成システム Active JP7199073B2 (ja)

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