JPH01196605A - ロボットにおけるティーチングデータの直線補間方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明はロボットにおけるティーチングデータの直線補
間方法に関し、−層詳細には、ティーチングポイントの
２点間をワークに対するエンドエフェクタの姿勢を加味
して直線補間することで高精度な作業を行うことを可能
としたロボットにおけるティーチングデータの直線補間
方法に関する。

［発明の背景］ 例えば、産業用ロボットを用いてワークに対し所定の作
業を行う場合、当該ロボットの先端部に取着されたエン
ドエフェクタを所定の経路に沿って移動させる必要があ
る。この場合、前記経路は一般にティーチングボックス
によって教示される。

ところで、産業用ロボットを所望の軌跡に沿って正確に
動作させるにはティーチングボックスを用いて教示する
ティーチングポイントの数を出来る限り多く設定ればよ
いことは明らかである。この場合、ティーチングポイン
トの数が増加すればそれだけティーチングに長時間を要
することになる。そのため、例えば、アーク溶接ロボッ
トを用いてワークを直線的に溶接する場合、直線部分の
両端点のみをティーチングし、その間のティーチングデ
ータは直線補間演算を実行することで自動的に算出する
方法が採用されている。然しなから、従来の直線補間方
法では作業点の位置を補間して求めているだけであり、
作業点のワークに対する姿勢までは考慮していないため
塗装やシーリング等のように作業に方向性が要求される
場合には高精度な作業が望めなくなる不都合が指摘され
ている。

［発明の目的］ 本発明は前記の不都合を克服するためになされたもので
あって、ティーチングにより教示された２点間をワーク
に対するエンドエフェクタの姿勢を加味し所定分割数で
直線補間することにより、ワークに対し高精度な作業を
行うことの出来るロボットにおけるティーチングデータ
の直線補間方法を提供することを目的とする。

［目的を達成するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明は多関節ロボット
において教示されるティーチングポイントの２点間を直
線補間する際、第１のティーチングポイントと第２のテ
ィーチングポイントとの間を所定間隔で分割するための
補間数を求め、次に、前記第１ティーチングポイントか
ら前記第２ティーチングポイントに至るエンドエフェク
タの位置変化量および姿勢変化量を前記補間数で割るこ
とにより第１および第２ティーチングポイント間におけ
る補間点間のエンドエフェクタの位置変化量および姿勢
変化量を求め、次いで、前記補間点間のエンドエフェク
タの前記位置変化量および姿勢変化量を用いて各補間点
におけるエンドエフェクタの位置および姿勢を求めるこ
とを特徴とする。

［実施態様］ 次に、本発明に係るロボットにおけるティーチングデー
タの直線補間方法について好適な実施態様を挙げ、添付
の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

第１図において、参照符号１０は本実施態様に係るロボ
ットにおけるティーチングデータの直線補間方法が適用
される溶接システムを示し、この溶接システム１０では
シーケンサ１２によるシーケンス制御に基づきアーク溶
接ロボット１４が駆動され、クランプ装置１６によって
治具台１７上に位置決めされたワーク１５に対し所定の
溶接作業が行われる。この場合、アーク溶接ロボット１
４はティーチングボックス１８によりその動作が教示さ
れ、ロボットコントローラ２０を介して油圧ユニット２
２および溶接コントローラ２４によって駆動制御される
。

アーク溶接ロボット１４は基台２６上に設置されており
、移動部２８が油圧モータ３０により前記基台２６に対
して矢印方向に移動すると共に、旋回部３２が油圧モー
タ３４により前記移動部２日に対し矢印方向に旋回可能
に構成される。また、旋回部３２にはアーム部材３６の
一端部が軸着し、このアーム部材３６は前記旋回部３２
に取着された油圧シリンダ３８により矢印方向に昇降可
能に構成される。一方、アーム部材３６の他端部には油
圧モータ４０を有する取付部材４２が取着され、前記取
付部材４２には油圧モータ４４を介してエンドエフェク
タとしての溶接トーチ４６が連結される。この場合、溶
接トーチ４６は油圧モータ４４を中心とし油圧モータ４
０によって矢印方向に旋回すると共に、油圧モータ４４
により矢印方向に回動可能に構成される。なお、前述し
た油圧ユニット２２はアーク溶接ロボット１４を構成す
る油圧モータ３０．３４．４０および４４と油圧シリン
ダ３８を駆動制御篩する。また、ン容接コントローラ２
４はン容接トーチ４６とワーク１５との間の溶接電流制
御を達成する。

ここで、アーク溶接ロボット１４に対して基台２６に固
定したベース座標系０゜と、溶接トーチ４６のワーク１
５に対する作業点ＴＣＰに固定したハンド座標系０８と
を定義すると共に、アーク溶接ロボット１４の各関節に
対して座標系Ｏ０乃至０６を定義する。

ペース座標系０゜はＸｏ　、Ｙｏ　、Ｚｏの直交３軸か
らなり、各軸回りの回動方向を夫々Ａ、、Ｂ、、Ｃ，と
する。ハンド座標系Ｏ，はＸ８、Ｙ８、Ｚ８の直交３軸
からなり、各軸回りの回動方向を夫々Ａ、　、Ｂ、　、
Ｃａとする。座標系０１は油圧モータ３０によりベース
座標系Ｏ８に対して変位する座標系であり、座標系ｏ２
は油圧モータ３４により座標系０．に対して回動する座
標系であり、座標系０３は油圧シリンダ３８により座標
系０２に対して回動する座標系である。

また、座標系０４は座標系０３に対して固定された座標
系であり、アーク溶接ロボット１４を６軸ロボツトとし
て説明するために付加したものである。さらに、座標系
０５は油圧モータ４ｏにより座標系０４に対して回動す
る座標系であり、座標系０６は油圧モータ４４により座
標系０５に対して回動する座標系である。

一方、ティーチングボックス１８は第２図に示すように
構成される。すなわち、ティーチングボックス１８はア
ーク溶接ロボット１４に対してティーチング等を行う本
体部５２と、当該ティーチングボックス１８の操作方法
等を表示する表示部５４とから基本的に構成される。

本体部５２は接続ケーブル５５を介してロボットコント
ローラ２０に接続されており、その上面部には後述する
ティーチモード、プレイモード等の切り換えを行うモー
ド切換スイッチ５６と、アーク溶接ロボット１４をマニ
ュアルで動作させるジョイスティック５８と、機能選択
、データ入力等を行うテンキー６０と、アーク溶接ロボ
ット１４の動作を非常停止させるための非常停止ボタン
６２とが設けられる。この場合、ジョイスティック５８
は矢印αおよびβ方向に傾動可能であると共に矢印Ｔ方
向に回動可能に構成されており、その傾動方向あるいは
回動方向とアーク溶接ロボット１４の駆動方向との対応
関係はテンキー６０によって設定される。また、アーク
溶接ロボット１４の動作速度はジョイスティック５８の
傾斜角度あるいは回動角度によって設定される。なお、
ジョイスティック５８の先端部には動作スイッチ６４が
設けられており、この動作スイッチ６４を押圧すること
によってアーク溶接ロボット１４が動作可能となる。

本体部５２は斜め上方向に突出する一対のアーム部材６
６ａ、６６ｂを有しており、これらのアーム部材６６ａ
、６６ｂの先端部間には取付ねじ６８ａ、６８ｂを介し
て表示部５４が矢印β方向に回動可能に軸着する。この
場合、表示部５４はＬＣＤデイスプレィ７０を有してお
り、このＬＣＤデイスプレィ７０にはモード切換スイッ
チ５６およびテンキー６０によって選択されたティーチ
ングボックス１８の操作方法等が表示される。

本実施態様に係るロボットにおけるティーチングデータ
の直線補間方法が適用される溶接システムは基本的には
以上のように構成されるものであり、次にこのシステム
を用いたティーチング方法について説明する。

先ず、ティーチングボックス１８の電源を投入する。こ
の場合、ティーチングボックス１８のＬＣＤデイスプレ
ィ７０には第３図に示すメインメニュー画面８０が表示
される。このメインメニュー画面８０において、ｒ　Ｔ
　Ｅ　Ａ　ＣＨＪはジョイスティック５８を用いてアー
ク溶接ロボッｌ−１４のティーチングを行うティーチモ
ードであり、［ＰＬＡＹＪはロボットコントローラ２ｏ
の図示しないキーボード等を用いて所望のティーチング
データを呼び出しアーク溶接ロボット１４を動作させる
プレイモードである。また、ｒＡＵＴＯＪは前記のプレ
イモードをシーケンサ１２等の要求に基づいて自動的に
実行するオートモードであり、アーク溶接ロボット１４
によるワーク１５の実際の溶接作業はこのオートモード
で行われる。

ｒＥＤＩＴＪはティーチングボックス１８に格納されて
いるティーチングデータを編集（立体シフト、コピー等
）する編集モードであり、「ＰＡＲＡＪはアーク溶接ロ
ボット１４における溶接トーチ４６の寸法等のパラメー
タを設定するパラメータ設定モードである。

そこで、先ず、オペレータはモード切換スインチ５６を
［５１の位置に設定することでパラメータ設定モードを
選択する。そして、ティーチングボックス１８のテンキ
ー６０を用いてエンドエフェクタである溶接トーチ４６
の寸法やアーク溶接ロボット１４を構成する各関節に設
けられたポテンショメータのサーボゲインを設定すると
共に、前記各関節の動作の最大許容速度の設定等を行う
。

次に、オペレータがメインメニュー画面８０カらティー
チモードを選択しモード切換スイッヂ５６を［１］の位
置に設定すると、ＬＣＤデイスプレィ７０には第４図に
示すティーチモードメニュー画面８２が表示される。

この場合、ｒＪＯＩＮＴ　　１２３Ｊはジョイスティッ
ク５８の矢印α、βおよびＴ方向への動作に対してアー
ク溶接ロボット１４を構成する油圧モータ３０．３４お
よび油圧シリンダ３８が駆動されるモードである。また
、ｒＪＯＩＮＴ　　４５６」はジョイスティック５８の
矢印αおよびβ方向への動作に対して油圧モータ４０お
よび４４が駆動されるモードである。ｒＢＡＳＥ　　Ｘ
ＹＺＪはジョイスティック５８の動作に対して溶接トー
チ４６の作業点ＴＣＰが基台２６を基準とするベース座
標系０゜の直交３軸Ｘ。、Ｙｏ、Ｚｏ力方向夫々移動す
るモードである。さらに、ｒＢＡＳＥ　　ＡＢＣ，はジ
ョイスティック５８の動作に対して溶接トーチ４６の作
業点ＴＣＰが前記ベース座標系Ｏ０の直交３軸Ｘ。、Ｙ
ｏ、Ｚｏの回りＡｏ　ＳＢｏ　、Ｃｏ方向に回動するモ
ードである。一方、ｒＨＡＮＤ　　ｘｙｚ、、はジョイ
スティック５８の動作に対して溶接トーチ４６の作業点
ＴＣＰが当該作業点ＴＣＰを基準とするハンド座標系０
８の直交３軸Ｘ、　、Ｙ、　、Ｚ、方向に移動するモー
ドである。同様に、ｒ　ＨＡ　Ｎ　Ｄ−ＡＢＣ，は溶接
トーチ４６の作業点ＴＣＰがハンド座標系０８の直交３
軸Ｘ、、Ｙ、　、Ｚ、の回りＡＩｌ、Ｂ、、Ｃ，方向に
回動するモードである。ｒＢＡｓＥ　　ＭＤＩＪおよび
ｒ　ＨＡ　Ｎ　Ｄ−ＭＤｒＪは夫々溶接トーチ４６の作
業点ＴＣＰの位置をベース座標系Ｏ０またはハンド座標
系ＯＱを基準として入力される修正データに基づいて修
正するモードである。そして、ｒＭＥＭＯＲＩＺＥＪは
アーク溶接ロボット１４の現在の状態をティーチングデ
ータとしてロボットコントローラ２０の図示しない記憶
手段に取り込むためのモードを示す。

そこで、例えば、テンキー６０から［３］を入力すると
ティーチモードよりｒＢＡＳＥ　　ＸＹＺ」のモードが
選択される。次いで、オペレータは動作スイッチ６４を
押圧した状態でジョイスティック５８を矢印α、βおよ
びγ方向に所定量傾動あるいは回動させる。この場合、
ジョイスティック５８の傾斜方向、回動方向、傾斜角お
よび回動角の各データは接続ケーブル５５を介してロボ
ットコントローラ２０に転送される。ロボットコントロ
ーラ２０は選択されたｒＢＡＳＥ　　ＸＹＺＪのモード
に基づき前記各データからアーク溶接ロボット１４の各
座標系Ｏ７乃至○、の移動量に対応するパルス信号を生
成し油圧ユニット２２に出力する。油圧ユニット２２は
前記パルス信号に基づきアーク溶接ロボット１４におけ
る溶接トーチ４６の作業点ＴＣＰをベース座標系Ｏ０に
従いワーク１５の所望の溶接位置まで移動させる。この
場合、前記作業点ＴＣＰはジョイスティック５８を矢印
α方向に傾動させることでＺ。

方向に移動し、矢印β方向に傾動させることでｘ０方向
に移動し、矢印γ方向に回動させることでＹｏ力方向夫
々移動する。

一方、オペレータは溶接トーチ４６の作業点ＴＣＰがワ
ーク１５の所望の溶接位置まで移動し且つ後述する操作
により前記溶接トーチ４６がワーク１５に対して所望の
姿勢となったことを確認すると、ティーチングボックス
１８のテンキー６０を用いてティーチングデータの記憶
指令を人力する。この場合、第４図に示すティーチモー
ドメニュー画面８２に従いテンキー６０のＯと■とを押
圧すると、アーク溶接ロボット１４の現在状態における
各軸のパルスデータが図示しないポテンショメータ等で
読み取られティーチングデータとしてロボットコントロ
ーラ２０に記憶される。

なお、オペレータは前記ティーチングデータの記憶作業
に続けてティーチングポイント間の補間方法、溶接トー
チ４６の作業点ＴＣＰの移動速度等の設定を行う。以上
の作業を所望のティーチングポイント毎に繰り返すこと
によりアーク溶接ロボット１４のティーチング作業が完
了する。

アーク溶接ロボット１４のティーチング作業が完了する
と、オペレータはティーチングボックス１８のＬＣＤデ
イスプレィ７０の画面を第３図に示すメインメニュー画
面８０に戻す。次に、モード切換スイッチ５６を［２］
のプレイモードに設定し、アーク溶接ロボット１４に対
しプレイバック動作を行わせティーチングデータの確認
を行う。

次に、ティーチングデータによるアーク溶接ロボ・ント
１４の動作確認が終了すると、オペレータばＬＣＤデイ
スプレィ７０の画面を再びメインメニュー画面８０に戻
した後、テンキー６０の［３］を選択しオートモードと
する。この場合、アーク溶接ロボット１４はシーケンサ
１２の制御下にロボットコントローラ２０より出力され
るティーチングデータに基づいてワーク１５に対し所望
の溶接作業を遂行する。

そこで、２つのティーチングポイント間を直線補間する
ことで新たなティーチングデータを生成しつつアーク溶
接作業を行う場合について第５図に示すフローチャート
に基づいて説明する。

先ず、ロボットコントローラ２０は２つのティーチング
ポイントに対する各関節のスタート点のパルスＰＳ、、
エンド点のパルスＰＥＨ（ｉ＝１．２、・・・６）およ
びこれらのティーチングポイント間の移動速度Ｖを読み
出す（ＳＴＰＩ）。

次いで、これらのパルスＰＳ０、ＰＥ、から隣接する座
標系ＯＩ乃至０６に対する各関節の角度ｒｓ、、ｒｅ、
を として求める（ＳｒＦ２）。ここで、ｋｌｉは座標系０
、におけるポテンショメータの分解能および減速比に係
るパラメータである。ｋＺｉは座標系○、における関節
の可動範囲に対して基準中間点を設定した場合、ポテン
ショメータによって得られたパルスＰＳ、、ＰＥ、を前
記基準中間点に対する増減量として表すためのオフセン
ト量である。また、ｋｌｉは角度（ｄｅｇ）をラジアン
に変換するためのパラメータである。なお、本実施態様
では座標系０４が座標系０３に対して固定されているた
めパルスＰＳ、およびＰＥ４をＯに設定しておく。

次に、（１）、（２）弐に基づいて算出されたスタート
点およびエンド点の角度ｒＳｉ、ｒｅ、から変換行列Ｔ
、およびＴ８を算出する。この場合、変換行列Ｔ’、、
Ｔ’、はベース座標系０゜に対する座標系Ｏ５の位置お
よび姿勢を設定するものであり、各変換行列Ｔｓ、丁゛
８の成分をｔ、、（ｍ＝ｌ、２．３、ｎ＝１．２．３．
４）として、 ・・・（３） のように設定される。従って、作業点ＴＣＰのスタート
点における位置ＣＳおよびエンド点における位置Ｃ８は
変換行列Ｔ３、Ｔ、。

を用いて、 Ｃ，＝”ｒ、　　・　ｈ　　　　　　　　　　・・・（
５）Ｃａ＝Ｔ”、　　・　ｈ　　　　　　　　　　・・
・（６）として算出される（ＳｒＦ２）。なお、ｈは座
標系Ｏ５に対する作業点ＴＣＰのオフセット量を示すベ
クトルであり、ベース座標系Ｏ８を基十とし、たｘ、、
ｙ、、ｚ、方向の成分をり８、ｈ２、ｈ３として、 のように定義される。

次に、作業点ＴＣＰのスタート点とエンド点との間の直
線移動距離！を求める（ＳｒＦ４）。

この場合、直線移動距離ｌは（５）、（６）式を用いて
、（２−ｉｌ　Ｃ３−Ｃ，Ｉ　　　　　　　　・・・（
８）として求まる。

一方、作業点ＴＣＰをスタート点からエンド点まで移動
させるための各関節の移動量ｄ、を（１）、（２）式を
用いて ｄ１＝ｒ　Ｓｉ　−ｒ　ｅｉ　　　　　　　　　　・ｒ
９）として求める（ＳｒＦ５）。ここで、各関節を前述
したパラメータ設定モードにおいて設定した最大許容速
度ＶＭｉで移動量ｄ、たけ移動させた場合の所要時間も
、を ｔ、＝ｄ、／　Ｖ　Ｍ　ｉ　　　　　　　　　　　”’
θ０）（ｉ−１，２、・・・６） として求める（ＳｒＦ２）。そこで、００）式で求めた
所要時間ｔ、の中、最大の値をｔＭとし、ロボットコン
トローラ２０から油圧ユニット２２に対するデータの払
出時間をＴとすると、スタート点とエンド点との間を最
も時間のかかる関節を最大許容速度■イ、で移動させた
場合の補間数Ｎ１は Ｎ、＝ｔ、／Ｔ　　　　　　　　　　　　・・・（１１
）として求まる（ＳｒＦ７）。また、作業点ＴＣＰをア
ーク溶接ロボット１４の可能な最大速度Ｖ　ＭＡＸでス
タート点、エンド点間を移動させた場合の補間数Ｎ２を
（８）式で求めた直線移動距離ｌを用いて Ｎ　ｚ　＝　ｌ−Ｔ　／　Ｖ　ＭＡＸ　　　　　　　　
　　−０２）として求める（ＳｒＦ８）。そして、これ
らの補間数Ｎ、　、Ｎ２の中、大きい方を補間数Ｎ３と
する（ＳｒＦ９）。最後に、パラメータ設定モートにお
いて指定された作業点ＴＣＰの移動速度■とステップ９
で求めた補間数Ｎ３とから実際の動作に対する補間数Ｎ
を ■ として求める（ＳＴＰＩＯ）。すなわち、補間数Ｎをこ
のように設定することでロボットコントローラ２０の処
理能力に応じた最大数の補間データを作成することが出
来、以て、高精度な溶接作業が可能となる。

次に、以上のようにして設定された補間数Ｎに基づき作
業点ＴＣＰのスタート点からエンド点に至る補間データ
毎の姿勢変化量および位置変化量を求める（ＳＴＰＩＩ
）。この場合、各関節の姿勢変化量をΔｒｉとすると、
（１）、（２）弐よりΔｒｉ　＝　（ｒ　Ｓｉ　−ｒ　
ｅ；　）　／Ｎ　　　　−０４）となる。また、作業点
ＴＣＰの位置変化量をΔＣとすると、（５）、（６）式
より 八Ｃ＝　（Ｃ，−Ｃ，）／Ｎ　　　　・・・０５）とな
る。従って、スタート点の次の補間点の位置Ｃヤは Ｃ，＝Ｃ３＋ΔＣ・・・（＋６） となる。また、この補間点に対する変換行列Ｔ、、を、 Ｔ’ｍ　＝　（ａ　　（ｒ　Ｓｉ＋Δｒ８）’、ｂ］・
・・θ力 と定義すると、変換行列Ｔヨは（７）式の関係を用いて
、 ’Ｔ’ｍ　＝　［ａ　　：、　　ｃ、　−ａ　　−ｈ　
ｏ］　　−０８）として求まる（　Ｓ　Ｔ　Ｐ　１２）
。なお、ａは変換行列Ｔ１の左側４行３列の成分を示し
、ｂは変換行列Ｔ、の右側４行１列の成分を示す。

次いで、前記変換行列Ｔつを逆変換すれば、補間点に対
する各関節の角度ｒｍＨ（ｉ＝１．２、・・・６）が求
まる（ＳＴＰ１３）。そして、前記角度ｒｍ、から補間
点に対するパルスＰＭ、は、となる（ＳＴＰ１４）。

そこで、ロボットコントローラ２０はステップ１４で求
めたパルスＰＭ、をアーク溶接ロボットに対して払い出
すことで作業点ＴＣＰを補間点に移動させる。同様にし
て、ステップ１２乃至１５の処理を補間数Ｎ回だけ繰り
返すことによりスタート点、エンド点間における直線補
間動作が遂行される。

し発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、ティーチングにより教
示された２点の位置および姿勢を所定の補間数で分割す
ることで当該２点間の補間点を求めている。従って、作
業点のワークに対する姿勢は前記２点間において滑らか
に変化するため、補間点における作業点の姿勢をワーク
に対して容易且つ高精度に設定することが可能となり、
以て、正確な作業を行うことが出来る。

以上、本発明について好適な実施態様を挙げて説明した
が、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並び
に設計の変更が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るロボットにおけるティーチングデ
ータの直線補間方法が適用される溶接システムの概略構
成図、 第２回は第１図に示す溶接システムにおけるティーチン
グボックスの構成斜視図、 第３図および第４図は第２図に示すティーチングボック
スに表示される各メニュー画面の説明図、 第５図は本発明に係るロボットにおけるティーチングデ
ータの直線補間方法の手順を示すフローチャートである
。 １０・・・ンｇ　接システム　　　１２・・・シーケン
サ１４・・・アーク？容接ロボット １８・・・ティーチングボックス ２０・・・ロボットコントローラ ２２・・・油圧ユニット　　　２４・・・溶接コントロ
ーラ５２・・・本体部　　　　　　５４・・・表示部５
６・・・モード切換スイッチ ５８・・・ジョイスティック　６０・・・テンキー６２
・・・非常停止ボタン　　６４・・・動作スイッチ７０
・・・ＬＣＤデイスプレィ −こ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）多関節ロボットにおいて教示されるティーチング
   ポイントの２点間を直線補間する際、第１のティーチン
   グポイントと第２のティーチングポイントとの間を所定
   間隔で分割するための補間数を求め、次に、前記第１テ
   ィーチングポイントから前記第２ティーチングポイント
   に至るエンドエフェクタの位置変化量および姿勢変化量
   を前記補間数で割ることにより第１および第２ティーチ
   ングポイント間における補間点間のエンドエフェクタの
   位置変化量および姿勢変化量を求め、次いで、前記補間
   点間のエンドエフェクタの前記位置変化量および姿勢変
   化量を用いて各補間点におけるエンドエフェクタの位置
   および姿勢を求めることを特徴とするロボットにおける
   ティーチングデータの直線補間方法。