JPH02310706A - 多関節ロボット制御装置 - 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 本発明は、冗長自由度を有する多関節ロボット制御装置
の改良に係り、詳しくはロボット手先を任意の軌跡に沿
って精度良く、且つ、滑らかに動かし得る多関節角度ロ
ボットに関する。

［従来技術〕 一般に多自由度の多関節ロボット、特に冗長自由度を有
する多関節ロボットは、その自由度により滑らかで、且
つ器用な作業を行える。

しかしながら、冗長自由度があると、作業座標系の例え
ば直交座標系（３自由度）よりもロポット関節座標系の
自由度が多いので、このロボットの各関節角度は一意に
定まらない。

従って、何らかの拘束条件を付加してこの各関節角度を
定める必要がある。

一方、ロボット動作を滑らかにするために例えば作業軌
跡の変化を微分して速度指令に変換し、この速度指令に
基づいてロボットの位置制御を行う方法として特開昭５
９−１０７８ｆ３４号公報が挙げられる。

即ち、この公報の例ではロボットの先端位置「と関節角
度θとの座標変換式は、 ｒ＝ｆ　（θ） であるが、この両辺を次式に示すように時間微分し、即
ち、 ｒ＝Ｊ　（θ）θ Ｊ（θ）＝ａｆ（θ）／ａθ としてｒとθを線形化して計算を簡略化し、ロボットの
関節角度を関節角速度の積分により求めている。

〔発明が解決しようとする課題］ 上述した特開昭５９−１０７８８４号公報では作業軌跡
の変化を微分して速度指令に変換し、この速度指令に店
づいてロボットの位置制御を行っている。従って、作業
座標では軌跡の追従がなされるが、ロボット関節角度は
その初期値により同一作業座標軌跡に対し異なる軌跡を
描くごととなり、その結果ロボットの姿勢が変化してし
まう。

また、ロボットの姿勢に対して何らかの評価関数を与え
て各関節角度の目標値を与えるようにし、その評価関数
を最小とする非線形最適化問題の解の各関節角度を時々
刻々求める解決である例えばペナルティ乗数法等を用い
れば、上記問題点はなくなる。

しかしながら、この場合演算処理に時間がかかり、ロボ
ット操作量の実時間処理を行うことは不可能である。

従って、本発明は簡略化された演算処理を用いて、所望
のロボット姿勢を取りつつ全関節を協調的に動作させて
目標軌跡に沿って滑らかにロボット手先を動かし得るよ
うにした多関節ロボット制御装置を提供することを目的
としてなされたものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明は冗長な動作軸を有す
る多関節ロボット制御装置において、作業座標系内の複
数の代表点を与え、該代表点に対するロボット関節角度
を定めるために評価関数を与え、該評価関数を用いてロ
ボット関節座標を求めるロボット関節座標指定手段と、
上記代表点とそれに対応する該ロボット関節座標指定手
段により求めたロボット関節座標との組み合わせからな
るテーブルデータを記憶するデータ記憶手段と、ロボッ
ト手先の作業座標の目標値を与える目標値入力手段と、
該目標値入力手段により与えられた目標値に対して上記
データ記憶手段により記憶された上記テーブルデータに
基づき冗長関節のロボット関節角度を所定演算を行なっ
て定める第１ロボット関節角度指定手段と、該第１ロボ
ット関節角度指定手段により定められたロボット関節角
度を用いて冗長関節を除いた残りの関節角度を逆座標変
換を行って指定する第２０ポツト関節角度指定手段とを
具備してなることを特徴とする多関節ロボット制御装置
として構成されている。

［作用］ 従って、この多関節ロボット制ｊ１装置を用いれば、ロ
ボット関節座標指定手段により作業座標系内の複数の代
表点に対するロボット関節角度を定めるための評価関数
が与えられ、該代表点に対するロボット関節座標があら
かじめオフラインで求められる。

上記代表点とそれに対応する上記ロボット関節座標指定
手段により求めたロボット関節座標との組み合わせから
なるテーブルデータは、データ記憶手段によりあらかじ
め記憶される。

そして、目標値入力手段によりロボット手先の作業座標
の目標値が与えられる。

すると、例えばスタートスインチを押す等の所定起動操
作が与えられると、第１ロボツト関節角度指定手段によ
り、上記目標値入力手段によって与えられた目標値に対
して上記データ記憶手段により記憶された上記テーブル
データに基づき冗長関節のロボット関節角度が、例えば
補間演算等により定められる。

即ち、冗長関節のロボット関節角度が、補間演算等の実
時間処理され得る単純なデータ処理により定められる。

ゆえに、あらかじめ与えた評価関数に基づくロボット姿
勢となるようなロボット関節角度を得ることができる。

そして、第２ロボット関節角度指定手段により、上記第
１ロボット関節角度指定手段によって定められたロボッ
ト関節角度を用いて冗長関節を除いた残りの関節角度が
逆座標変換されることにより指定される。

従って、所望のロボット姿勢としつつ全関節をｔａ調的
に動作させて目標軌跡に沿って滑らかに、且つ正確に実
時間でロボット手先を動作させ得るロボット関節角度を
一意的に指定することができる。

〔実施例］ 以下、添付図面を参照して、本発明を具体化した実施例
につき説明し、本発明の理解に供する。

尚、以下の実施例は、本発明を具体化した一例であって
、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

第１図は、本発明の一実施例に係る多関節ロボット制御
装置のブロック図、第２図は同条関節ロボット制御装置
のデータ処理手順を示すフローチャートである。

第１図に示す本発明の一実施例に係る多関節ロボ７）制
御ｎ装置１では、入力部２を介してロボット手先の作業
座標の目標値等が主制御部３に入力され記憶される。

そして所定起動操作がなされると、上記入力された目標
値、および記憶部４によりあらかじめ記憶されている記
憶データに基づき主制御部３および副制御部５により後
述する演算処理等がなされてサーボ制御部６を介してロ
ボットアーム７が駆動制御ｎされる。

次に、本発明の一実施例に係る多関節ロボット制ｉｌｌ
装置１のデータ処理手順の一例を、第２図に示したフロ
ーチャートに従ってステップｓｉ、ｓ２、・・・の順に
説明する。

まず、Ｓｌにおいて、ロボット作業座標系内の選択され
た複数の代表点に対する全ての関節角度を求め、テーブ
ルに記憶する。即ち、オフライン状態において、作業座
標系の例えば直交座標系で複数の代表点を数値入力等の
入力抛作を行って与える０例えば、ロボット手先の届く
全範囲を所定間隔で格子状に区切り、その交差点を代表
点としてに個与える。即ち代表点は ｒｄｉ　　　ｉ＝１．−、に とされる。

そして、実施しようとする作業に対応する評価関数を与
える０例えば評価関数として Ｃｏ５ｔ＝ｈ（θ） を与える。

次に、上記代表点に対する次式で与えられるロボット座
標系を定める関係式 ％式％（） に対し、上記評価関数を適用して次式で示される関節座
標θｄｉを、上記システムを用いて例えば非線形計画法
等によるデータ処理を行って求める。

θｄｉ＝（θｄｉｌ、　　θｄｉ２．−・・θｄｉ、）
’ただし、ｉ＝１．・・・、ｋ 。はロボットの全関節数 ■は転置行列 上述した作業座標系内の複数の代表点を与え、この代表
点に対するロボット関節角度を定めるために評価関数を
与え、この評価関数を用いてロボット関節座標を求める
機能を実現する手段がロボット関節座標指定手段の一例
である。

上記代表点ｒｄ　ｉ＝　（ｉ＝１．・・・、ｋ）とそれ
に対応するロボット関節座標θｄｉ　　（ｉ＝ｌ、・・
・。

ｋ）のうち冗長関節の関節座標 θ’ｄｉ−（θｄ　ｉ　１、−・・θｄｉｎ−ｍ）”た
だし、ｉ＝１．・・・、ｋ ｎ−＋ｍはロボットの冗長関節数 丁は転置行列 をテーブルデータとして例えば入力部２等を介して記憶
部４に記憶する（Ｓｌ）。

尚、上記テーブルデータはロボットの冗長関節の関節座
標θ′ｄｉのみ記憶して作成したが、作業内容によって
冗長関節の指定が変化する場合等に対応するため、便宜
上全関節の関節座標θｄｉを記憶してもよい。

上述した上記代表点ｒｄｉとそれに対応するロボット関
節座標との組み合わせからなるテーブルデータを記憶す
るメモリーがデータ記憶手段の一例である。

次のステップＳ２では、例えばマウス等からなる入力部
２を介してロボット手先の作業座標系例えば直交座標系
の目標値ｒｆを主制御部３の例えばデータＲＡＭ等に記
憶する。

上述したロボット手先の作業座標の目標値ｒｆを与える
機能を実現する手段が目標値入力手段の一例である。

次のステップＳ３では、上記目標値「ｆに対して記憶部
４に記憶されているテーブルデータに基づいて、副制御
部５によりデータ処理がなされて、冗長関節のロボット
関節角度が定められる。

尚、この時上記テーブルデータの代表点の間に目標値ｒ
「がある場合は、例えば補間演算等がなされて同ロポン
ト関節角度が求められる。

即ち、冗長関節のロボット関節角度 θ　ｆ＝（θ　ｆ　１　、　　θ　「　２　、　・・・
、　　θ　ｆ　ｎ−１Ｉｌ　〕■ただし、ｎ−ｍは冗長
関節数 ■は転置行列 が定められる。

従って、冗長関節のロボット関節角度θｒが補間演算等
の実時間処理され得る単純なデータ処理によって定める
ことができる。

ゆえに、前記あらかじめ与えた評価関数に基づ（ロボッ
ト姿勢となるようなロボット関節角度θｆを得ることが
できる。

上述した与えられた目標値ｒｆに対して記憶部４に記憶
されたテーブルデータに基づき冗長関節のロボット関節
角度θｆを副制御部５によって所定演算を行って定める
機能を実現する手段が第１ロボツト関節角度指定手段の
一例である。

次のステップＳ４では、上記冗長関節のロボット関節角
度θｆを用いて主側’＜１１１部３が冗長関節先端の軌
跡座標ｒｎ−ｍを求めるデータ処理を行う。

そして、次に示す関係式に基づいて主制御部３が逆座標
交換等の演算処理を行って、冗長関節を除いた残りの関
節角度θｎ、を指定する。

ｒ　ｆ−ｒｎ−、＝ｒ。（θｎｍ） θｎ、＝〔θ。−Ｉｌ＋１．・・・、θ、〕まただし、
丁は転置行列 当然ながら、上式は未知数がｍ個、方程式数もｍ個であ
るので、この解は上述した逆座標交換により一意的に定
まり、その演算処理時間も短くてすむので実時間で行え
る。

従って、評価関数によって与えられた所望のロボット姿
勢としつつ全関節を協調的に動作させて目標軌跡に沿っ
て滑らかに、且つ正確に実時間でロボット手先を動作さ
せ得るロボット関節角度を指定することができる。

上述した冗長関節のロボット関節角度θｒを用いて主制
御部３が冗長関節を除いた残りの関節角度θ。、を逆座
標交換等を行って指定する機能を実現する手段が第２０
ボ、ト関節角度指定手段の一例である。

次のステップＳ５では、例えば入力部２を介して所定起
動操作等を行えば、冗長関節のロボット関節角度θｆお
よび冗長関節を除いた残りの関節角度θ。、、即ち全関
節の関節角度が主制御部３によりサーボ制御部６に与え
られて、それに基づいてロボットアーム７が駆動される
。

以下、ステップＳ６の終了まで作業軌跡の目標値が順次
与えられてロボットアーム７が８１作される。

従って、所望のロボット姿勢としつつ全関節を協調的に
動作させて目標軌跡に沿って滑らかに、且つ正確にロボ
ット手先を動作させることができる。

尚、前記評価関数として Ｃｏ５Ｌ＝ｈ（θ） を与えたが、行う作業に対して各種の評価関数を与え、
それに対して各々のテーブルを１（＋Ｗしておいてもよ
い。

このようにすれば、行いたい作業のテーブルを選択する
ことにより複数の作業に対応でき、より一層フレキシブ
ルなロボットシステムとすることができる。

例えば、テーブルＡは［机を持ち上げる作業」のように
力を出すのに適したロボット姿勢の変化が得られるテー
ブルデータとする。また、テーブルＢは例えば「豆腐を
運ぶ作業」のように柔軟で繊細な動作に適したロボット
姿勢の変化が得られるテーブルデータとする。また、テ
ーブルＣは例えば「カルタ取りを行うＪのように高速で
かつ柔軟な動作に適したロボット姿勢の変化が得られる
テーブルデータとする・・・等である。

〔発明の効果〕

本発明により冗長な動作軸を有する多関節ロボット制御
装置において、作業座標系内の複数の代表点を与え、該
代表点に対するロボット関節角度を定めるために評価関
数を与え、該評価関数を用いてロボット関節角度を求め
るロボット関節座標指定手段と、上記代表点とそれに対
応する該ロボット関節座標指定手段により求めたロボッ
ト関節座標との組み合わせからなるテーブルデータを記
す、αするデータ記憶手段と、ロボット手先の作業座標
の目標値を与える目標値入力手段と、該目標値人力手段
により与えられた目標値に対して上記データ記憶手段に
より記憶された上記テーブルデータに基づき冗長関節の
ロボット関節角度を所定演算を行なって定める第１ロボ
ット関節角度指定手段と、該第１０ボット関節角度指定
手段により定められたロボット関節角度を用いて冗長関
節を除いた残りの関節角度を逆座標変換を行って指定す
る第２ロボット関節角度指定手段とを具備してなること
を特徴とする多関節ロボット制御装置が提供される。

従って、所望のロボット姿勢としつつ全関節を協調的に
動作させて目標軌跡に沿って滑らかにロボット手先を動
かすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る多関節ロボット制御
装置のブロツク図、第２図は同条関節ロボット制御装置
のデータ処理手順を示すフローチャートである。 〔符号の説明〕 １・・・多関節ロボット制？ＴＩｌ装置２・・・人力部 ３・・・主制御部 ４・・・記憶部 ５・・・副制御部 ６・・・サーボ制御部 ７・・・ロボットアーム

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冗長な動作軸を有する多関節ロボット制御装置にお
   いて、 作業座標系内の複数の代表点を与え、該代表点に対する
   ロボット関節角度を定めるために評価関数を与え、該評
   価関数を用いてロボット関節座標を求めるロボット関節
   座標指定手段と、 上記代表点とそれに対応する該ロボット関節座標指定手
   段により求めたロボット関節座標との組み合わせからな
   るテーブルデータを記憶するデータ記憶手段と、 ロボット手先の作業座標の目標値を与える目標値入力手
   段と、 該目標値入力手段により与えられた目標値に対して上記
   データ記憶手段により記憶された上記テーブルデータに
   基づき冗長関節のロボット関節角度を所定演算を行なっ
   て定める第１ロボット関節角度指定手段と、 該第１ロボット関節角度指定手段により定められたロボ
   ット関節角度を用いて冗長関節を除いた残りの関節角度
   を逆座標変換を行って指定する第２ロボット関節角度指
   定手段とを具備してなることを特徴とする多関節ロボッ
   ト制御装置。