JPH0310965B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は多関節ロボツトに関し、たとえば自
動溶接接置等に利用して有効な、２つの座標系で
テイーチングして多関節系で駆動制御するよう
な、多自由度の多関節ロボツトに関する。

従来より、多関節ロボツトが、マニプレータあ
るいはその他の自動機械のために利用されてい
る。このような関節形ロボツトとしては、たとえ
ば特開昭49−50376号公報に記載されるようなも
のが、その一例として知られている。多関節ロボ
ツトでは、少なくとも或る軸に回動自在に設けら
れた１つの腕と、その腕に回動自在に設けられた
第２の腕を有する。そして、その第２の腕や、さ
らにその第２の腕に回動自在に設けられた第３、
第４、…の腕の先端に機能要素たとえば溶接トー
チやホルダ等が設けられる。そして、各腕の回動
角度を制御することによつて、結果として、ホル
ダが溶接トーチを所望の位置に位置制御し、必要
に応じて溶接その他の処理を実行させる。

従来の関節系ロボツトにおいては、第１腕と、
この第１腕に回動自在に設けられた第２腕とはた
とえば、互いに直線状に整列する一定の状態から
第１腕と第２腕とがその枢着軸で一方方向に折れ
曲がつた１つの状態をとることができる。逆にい
えば、従来の関節系ロボツトでは、その折れ曲が
つた状態として、或る１つの方向にのみ連続制御
することができた。しかしながら、ワークピース
の大きさあるいは形状などによつては、腕がその
１つの状態しかとり得ないとすれば、腕がワーク
ピースと干渉したりする場合も生じる。そのよう
な場合には、ワークピースの取付けられている状
態ないし位置を変えなければ、そのような目標位
置に対して溶接トーチなどを制御することはでき
なかつた。このように、たとえば自動溶接などの
実行中において、腕とワークピースとの干渉など
によつて、ワークピースの位置を変えたりするこ
とは、非常にわずらわしいことである。

それゆえに、この発明の主たる目的は、同一位
置に対して各関節角のとり得る状態を従来のもの
よりも多くして、それによつてより多様性のある
制御を可能にする、多関節ロボツトを提供するこ
とである。

この発明の他の目的は、そのような腕の状態を
任意にテイーチングしかつ再生できる、多関節ロ
ボツトを提供することである。

この発明に係る多関節ロボツトは、複数の腕が
相互に回動可能に連結された多関節アームを有
し、マニユアル操作によつてテイーチングされた
情報に基づいて多関節アームを駆動することによ
り、その先端の腕に装着された被制御体の位置お
よび姿勢を自動制御するプレイバツク方式の多関
節ロボツトであつて、駆動手段と、マニユアル操
作手段と、指令情報発生手段と、記憶手段と、プ
レイバツク手段とを備えている。駆動手段は、多
関節座標系の指令情報によつて制御され、多関節
アームにおける各腕を駆動する。マニユアル操作
手段は、直角座標系と多関節座標系のいずれかを
選択可能であり、選択された系でのマニユアル操
作によつて、多関節アームを移動させるための移
動指令を発生する。指令情報発生手段は、マニユ
アル操作手段からの指令情報に基づいて、駆動手
段を制御するための多関節座標系の指令情報を発
生するとともに、テイーチングのための指令情報
を発生する。記憶手段は、テイーチングモード時
において、指令情報発生手段が発生するテイーチ
ングのための指令情報と、そのときの各腕の折曲
り方向を規定するための識別情報とを記憶する。
プレイバツク手段は、オートモード時において、
記憶手段に記憶された指令情報と識別情報とを順
次読出して、駆動手段を制御するための多関節座
標系の指令情報を発生し、それによつて駆動手段
を自動制御する。

この発明の上述の目的およびその他の目的と特
徴は図面を参照して行なう実施例の以下の詳細な
説明から一層明らかとなろう。

第１図はこの発明の背景となるかつこの発明が
適用される関節形ロボツトを用いた自動溶接装置
の一例を示す図解図である。固定部材１がたとえ
ば地面に固定され、その固定部材１には、高さの
比較的低い円筒形ベース３が取付けられる。この
円筒形ベース３の上端には、比較的高さの高い円
筒形回転体４が回転軸（図示せず）によつて回転
自在に設けられる。この円筒形回転体４の中空部
には、図示しないが、垂直回転軸が設けられ、こ
の円筒形回転体４の上方にはそれと一体的に回転
するように支持された回転体５が設けられる。こ
の円筒形回転体４かつしたがつて回転体５は、図
示しないが、後述のモータによつて回動角α₁につ
いて回動駆動される。回転体５は、その上面から
ほぼ垂直にかつ平行に延びる支持部材７，７を有
する。この支持部材７，７には、水平方向の軸９
によつて、回動腕１１が、回動角α₂について回動
自在に支持される。なお、この回動腕１１は、図
示しないが、後述のモータによつて回動駆動され
る。また、回動腕１１に関連して、この回動腕の
回動の状態に対してバランスをとるためのバラン
ス機構１３が設けられる。このバランス機構１３
は、図示しないが、たとえば引つぱりばねなどを
含み、円筒形回転体４と一体に回転するように構
成されている。

回動腕１１の先端には、軸９に平行な軸１５に
よつて、回動腕１７が、この腕１１に対してすな
わち回動角α₃について回動自在に支持される。そ
して、この回動腕１７は、図示しないが、後述の
モータによつて回動駆動される。回動腕１７の一
方の自由端には軸９に平行な軸１９によつて、回
動軸２１が、この回動軸１７に対してすなわち回
動角α₄について回動自在に支持される。この軸２
１は、図示しないが、後述のモータによつて、軸
１９周りに回動駆動される。軸２１には、トーチ
取付具２５を支持する回動軸２３が、軸２１に対
して同軸に回動自在に支持される。この軸２３
は、図示しないが、後述のモータによつて、軸２
１に対してすなわち回動角α₅について回動駆動さ
れる。トーチ取付具２５には、溶接トーチ２７が
取付けられる。このようにして、この自動溶接装
置は、回転体５、回動腕１１、回動腕１７、軸２
１および回転軸２３のそれぞれの角度α₁、α₂、
α₃、α₄およびα₅を制御することによつて、溶接ト
ーチ２７の姿勢およびその先端すなわち溶接点Ｐ
の位置を制御する。

第２図はこの発明の一実施例を示す概略ブロツ
ク図である。この実施例では、操作パネル１００
が設けられる。この操作パネル１００には、自動
溶接装置をどの動作モードで動かすかを指示する
モード切換スイツチ１０１が設けられる。このモ
ード切換スイツチ１０１は、マニユアルモード
（Ｍ）、テストモード（Ｔ）およびオートモード(A)
のいずれかのモードを選択的に切換えて設定でき
る。操作パネル１００には、さらに、押ボタンス
イツチ１０３が設けられる。押ボタンスイツチ１
０３は、オートモードのスタート指令を与えると
共に、テイーチングモードにおけるテイーチング
指令を与えるために操作される。第２のモード切
換スイツチ１０５は、直線補間動作(L)、円弧補間
動作(C)もしくはウイービング動作（Ｗ）のいずれ
かを選択的に設定するためのものである。さら
に、速度設定器１１１が設けられる。この速度設
定器１１１は、溶接トーチ２７かつしたがつて溶
接点Ｐの移動すべき速度を指令するためのもので
ある。操作パネル１００には、２つのグループの
マニユアルスイツチ１１９，１２１，１２３，１
２５および１２７ならびに１２９，１３１，１３
３，１３５および１３７が設けられる。スイツチ
１１９ないし１２７は、溶接装置を直角座標系す
なわちXYZ系で装置制御するために操作される。
一方、スイツチ１２９ないし１３７は、各回動角
度α₁ないしα₅を直接に制御するために用いられ
る。そのために、この操作パネル１００にはスイ
ツチ１１９ないし１２７のグループかまたはスイ
ツチ１２９ないし１３７のグループのいずれを有
効にするかを選択する、系切換スイツチ１１７が
設けられる。したがつて、この系切換スイツチ１
１７を左方（第２図において）に切換えれば、マ
ニユアルスイツチ１１９ないし１２７のグループ
が有効化され、スイツチ１１７を右方に切換える
ことによつてマニユアルスイツチ１２９ないし１
３７のグループが有効化される。

これらマニユアルスイツチ１１９ないし１２７
および１２９ないし１３７は、それぞれ３つの位
置をとることができ、この第２図において実線で
示す位置がニユートラル位置である。そして、ス
イツチ１１９，１２１，１２３は、それぞれＸ
軸、Ｙ軸およびＺ軸を制御するために用いられ、
その直角座標の原点から遠ざかる方向がアツプ方
向（Ｕ）として、その原点に近づく方向がダウン
方向(D)として、規定されている。また、スイツチ
１２５は溶接トーチ２７の配向角φを制御するた
めに用いられ、スイツチ１２７は溶接トーチ２７
の姿勢角θを制御するために用いられる。そし
て、これらスイツチ１２５，１２７は、溶接トー
チに関連する角度φおよびθを、それぞれ、時計
方向(C)または反時計方向（CC）に制御すること
ができる。同様に、α系のマニユアルスイツチ１
２９ないし１３７も、角腕ないし軸の回動角α₁な
いしα₅を、それぞれ、時計方向(C)または反時計方
向（CC）に制御することができる。これら各コ
ンポーネントを含む操作パネル１００とデータバ
ス５５との間で、インタフエース（図示せず）を
介してデータのやりとりが行なわれる。

このデータバス５５には、さらに、制御手段を
構成するCPU３１と、メモリ３３とが連結され
る。メモリ３３は、CPU３１のシステムプログ
ラムを記憶しておくためのROMや、CPU３１に
おける演算その他の処理に必要な記憶領域やフラ
グ領域を有するほかユーザプログラムを記憶する
RAMが含まれる。データバス５５には、複数の
（この実施例では５つの回動角α₁ないしα₅に対応
して５つの）駆動回路３５１，３５２，３５３，
３５４および３５５と、複数（この実施例では５
つの）インクリメンタルエンコーダ５３１，５３
２，５３３，５３４および５３５が、それぞれ連
結される。この第２図においては、駆動回路３５
１が、他を代表してより詳細に描かれている。こ
こで、この駆動回路３５１の構成について説明す
るが、残りの駆動回路３５２ないし３５５につい
ても、同様の構成をとり得ることを予め指摘して
おく。

駆動回路３５１には、CPU３１からの指令位
置情報がロードされる指令位置バツフア３７と、
対応のインクリメンタルエンコーダ５３１からの
パルス信号をカウントするためのフイードバツク
カウンタ３９が設けられる。指令位置バツフア３
７の内容が被減数として、またフイードバツクカ
ウンタ３９の内容が減数として、減算器４１の２
つの入力として与えられる。減算器４１の出力は
Ｄ／Ａ変換器４３に与えられる。したがつて、こ
のＤ／Ａ変換器４３からは、指令位置と現在位置
との差に応じた電圧信号が導出されることにな
る。Ｄ／Ａ変換器４３の出力は、サーボアンプ４
５、コマンドリミツタ４７を介して、サーボモー
タ４９の駆動信号として与えられる。なお、コマ
ンドリミツタ４７の出力は、さらに、Null信号
検知回路５１に与えられる。このNull信号は、
サーボ系によつて位置制御されたときにサーボア
ンプ４５から得られる零信号であり、目標位置の
ごく近い領域すなわちモータ４９がほとんど停止
するタイミングで導出される。したがつて、この
Null信号検知回路５１の出力は、サーボモータ
４９によつて制御される被制御体が、指令位置バ
ツフア３７にロードされた指令位置に達したこと
を示す信号として、データバス５５を介して
CPU３１に与えられる。

以上のような構成において、以下に、第３図な
いし第６図に示すフローダイヤグラムと第７図な
いし第１４図に示す模式図を参照して、第２図か
つしたがつて第１図の実施例の操作ないし動作に
ついて説明する。

最初に、テイーチングのためのマニユアルモー
ドについて説明する。CPU３１は、その内部に
設けられたクロツクソースからのクロツクを受け
るタイマを有し、そのタイマはクロツクに応じて
或る一定時間ごとに出力を発生する。そして、
CPU３１では、そのタイマの出力があれば、そ
れによつてインタラプトがかかる（ステツプ
S101）。最初のステツプS103では、前記パネル１
００の各軸のマニユアルスイツチ１１９，１２
１，１２３，１２５および１２７さらに１２９，
１３１，１３３，１３５および１３７が、すべ
て、ニユートラル位置に保たれているかどうかを
判断する。換言すれば、このステツプS103では、
これらマニユアルスイツチ１１９ないし１３７の
いずれかが操作されているかどうかを検出する。
続くステツプS105では、系切換えスイツチ１１
７（第２図）がα系に切換えられているか否かを
判断する。すなわち、この発明では、関節角が一
方に折れ曲がつた第１の状態と他方に折れ曲がつ
た第２の状態とをとりうるように、多関節ロボツ
トが構成されているが、第１の状態または第２の
状態のみをとる場合すなわち状態の反転がない場
合には、系切換えスイツチ１１７はXYZ系に切
換えておく。なぜなら、直角座標系で指令した方
がワークピース（図示せず）の溶接線が相互い直
角方向に延長されている場合が多く、したがつて
オペレータにとつてもトーチ２７（第１図）をこ
の溶接線に沿つて移動させやすく、また補間演算
等を行ないやすいからである。逆に、関節角が第
１の状態（または第２の状態）から第２の状態
（または第１の状態）への変更がある場合すなわ
ち状態が反転する場合には、系切換えスイツチ１
１７をα系に切換える。このようにして、関節角
の２様マニユアル操作かつしたがつてテイーチン
グが行なえるようにしている。

したがつて、このステツプS105において系切
換えスイツチ１１７がXYZ系に切換えられてい
ると判断した場合、続くステツプS107において、
XYZ系で操作されたスイツチの操作方向に対応
して指令値を増減する。すなわち、このステツプ
S107においては、操作パネル１００からの信号
に基づいて、操作されたマニユアルスイツチ１１
９，１２１，１２３，１２５また１２７の操作方
向（ＵもしくはＤ、Ｃもしくはc.c.）と速度決定器
１１１で設定された速度とに基づいて、上述のタ
イマ時間に対応した指令値（基本量）を増減す
る。そして、このようにXYZ系で指令値を与え
た場合には、続くステツプS109において、XYZ
系からα系への座標変換を行う。このような座標
変換は、後述のステツプS115におけるような座
標変換とともに、以下に詳細に説明されるであろ
う。なお、このステツプS109における座標変換
に際しては、関節角α₃およびα₅の符号を考慮する
必要がある。すなわち、関節角α₃はたとば270゜の
制御可能範囲を有するが、たとえば180゜（すなわ
ち腕１１と１７とが直線状態）を境にして一方に
折れまがつた状態（第１の状態）を−とし、他方
に折れまがつた状態で第２の状態）を＋とする。
同様に、α₅は360゜の可動範囲を有し、その第１の
状態で−とし、第２の状態で＋とする。

このようにして、系切換えスイツチ１１７が
XYZ系に切換えられている場合には、ステツプ
S107で与えられるXYZ系の指令値を前述のα₃，
α₅の符号を考慮してステツプS109においてα系
に変換し、続くステツプS111で出力し、それぞ
れの関節角を駆動制御する。

もし、上述のように状態が反転するような制御
を行う場合には、系切換えスイツチ１１７をα系
に切換える。そして、ステツプS113において、
α系で、操作されたスイツチ１２９，１３１，１
３３，１３５または１３７の操作方向と速度設定
器１１１で設定された速度とに基づいて、上述の
タイマ時間に対応した指令値を増減する。このよ
うに、α系で指令値を与えた場合には、後述の補
間演算のために、続くステツプS115において、
α系かXYZ系への座標変換を行う。この座標変
換についても後述する。そして、ステツプS113
で与えられたα系の指令値に応じて出力し、駆動
する（ステツプS111）。このように、α系で駆動
する場合には、CPU３１は、そのようなα₁ない
しα₅の位置情報を、それぞれ対応の駆動回路３５
１ないし３５５に与える。そして、各駆動回路３
５１ないし３５５はCPU３１からの指令に基づ
いて、第１図に示す各関節角α₁ないしα₅を制御す
る。

テイーチングする場合には、操作パネル１００
のスタートボタン１０３を押す。すなわち、モー
ド選択スイツチ１０１をマニユアルモード（Ｍ）
にしてスタートボタン１０３を押すことによつ
て、CPU３１にテイーチングのインタラプトが
かかる。CPU３１では、そのようなインタラプ
トがかかると、そのときの位置情報ならびにα₃お
よびα₅の符号を応じたフラグＦ３およびＦ５の内
容を、メモリ３３の所定の記憶エリアに記憶させ
る。すなわち、テイーチングに際してステツプ
S117において、先のステツプS107、S115（第３
図）におけるXYZ系の座標位置を記憶する。こ
のように、テイーチングに際しては、XYZ系で
記憶させる。これは、前述のように補間演算に都
合がよいからである。そして、ステツプS119に
おいて、先のステツプS109またはS115（第３図）
におけるα₃およびα₅の符号に応じたフラグＦ３お
よびＦ５の内容を記憶する。たとえば、α₃および
α₅の符号が−であれば、フラグＦ３およびＦ５そ
れぞれ「０」として記憶し、逆に＋であれば
「１」として記憶する。

つぎに、第５図を参照して、この実施例のオー
トモードの動作について説明する。オートモード
の場合には、操作パネル１００におけるモード選
択スイツチ１０１をオートモード(A)に設定する。
そして、スタートボタン１０３を押す。応じて、
CPU３１は、ステツプS121においては、メモリ
３３の適宜の記憶位置に形されるステツプカウン
タ（図示せず）をリセツトし、ステツプS123に
おいてそのステツプカウンタをインクリメントす
る。そして、ステツプS125において、CPU３１
は、メモリ３３から、先にテイーチングされてい
る各ステツプの指令情報のうち、ステツプS123
でインクリメントされたステツプＭの指令情報を
読み出してロードする。続くステツプS127にお
いて、そのロードされたステツプＭの指令情報に
直線補間指令が含まれるか否かをチエツクする。
これは、指令位置情報とともに直線補間を表す識
別情報が、ロードされたか否かによつて判断する
ことができる。

直線補間であれば、続くステツプS129におい
て目標位置をステツプＭの指令位置としたのち、
ステツプS131において直線補間を行う。

ここで、第６図を参照して直線補間のサブルー
チンについて説明する。直線補間のサブルーチン
では、その最初のステツプS151において、現在
位置と目標位置をXYZ系で、内分計算する。す
なわち、内分ΔS＝指令速度Ｖ×時間ｔ（例えば
0.2秒）とし、そのΔSごとに直線補間点を計算す
る。続くステツプS153において、そのような内
分計算が終了したか否かを判断する。そうでなけ
れば、ステツプS155において、先のステツプ
S109（第３図）のように、XYZ系からα系への座
標変換を、フラグＦ３およびＦ５を考慮して行
う。続くステツプS157においては、α系での補
間演算を行う。すなわち、ステツプS151におい
て、たとえば0.2秒ごとに直線補間点を計算して
内分ΔSを求めるが、このΔSの間はさらに平滑に
結ぶために、その間をα系で補間する。すなわ
ち、ΔSをへだてた２点間をα₁ないしα₅までの各
軸について等分に補間する。これによつて、いつ
そう滑らかな制御を可能にする。続くステツプ
S159においては、ステツプS157におけるα系に
よる内分が終了したか否かを判断する。そうであ
れば先のステツプS151に戻り、そうでなければ
続くステツプS161によつてα系で出力駆動する。
なお、先のステツプS153において、内分終了を
判断したときには、現在位置情報を目標位置情報
で更新してメインルーチンに戻る（ステツプ
S163）。

第５図においてステツプS127で、直線補間で
ないと判断したとき、続くステツプS133におい
て、一連の円補間指令情報のうち初めての円補間
指令か否かすなわち指令点C_oでｎ＝１かどうか
を判断する。ｎ＝１であればそれまでは直線補間
であるべきであり、先のステツプS129に移る。
また、３個所以上円弧補間情報が連続していれ
ば、続くステツプS135において、円弧補間点を
計算する。ただし、２点目（たとえば第１７図の
C₂）の円弧補間の場合は、次の円弧補間点（た
とえば第１７図のC₄）を最初の円弧補間点とし
て計算する。そして、その計算された補間点位置
を目標位置として設定する（ステツプS137）。さ
らに、この実施例では、ステツプS139において、
さらにその間の直線補間を行う。それは次のよう
な理由による。ステツプS135においては、たと
えば５mmピツチとなるように円弧補間点を計算す
るが、この計算された補間点間をさらに直線補間
をして、一層滑らかな制御を可能にするためであ
る。円弧補間のための演算は、直線補間に比べて
より多い演算処理時間を必要とするが、このよう
な演算時間を節約してより安価なマイクロコンピ
ユータを利用可能にするために、この実施例で
は、円弧補間点は比較的粗く、その補間点間はさ
らに細かく直線補間ルーチン（第６図）によつて
補間し、結果的に安価なコンピユータを用いても
細かい精度の良い制御を可能にする。直線補間が
終了すると、記憶ステツプS141において、円弧
補間のための指令位置C_oに到達したか否かを判
断する。そうであれば、先のステツプS123に戻
りステツプカウンタ（図示せず）をインクリメン
トする。そうでなければステツプS135に戻る。

なお、上述の直線補間の場合も円弧補間の場合
にも、トーチ２７（第１図）の角度φおよびθに
ついては、それぞれ独立に等分補間を行うものと
する。

ここで、第７図ないし第１４図を参照して、
XYZ系からα₁〜α₅系への座標変換について、説
明する。この実施例では、CPU３１として、た
とえばマイクロコンピユータを用いるわけである
が、最近のマイクロコンピユータは性能が向上
し、高速演算が可能になつてきた。そこで、この
実施例では、従来近似計算で処理していたもの
を、正規の計算を行ない精度良く処理するように
している。

第７図は、第１図の自動溶接装置の模式図を示
す。この第７図におけるα₁ないしα₅は、第１図に
おけるそれと対応する。そして、この第７図にお
いて、a₁は固定部材１の下端から軸９までの長さ
成分を示し、a₂は軸９から軸１５までの長さを示
し、a₃は軸１５から軸１９までの長さ成分を示
し、a₄は軸１９から溶接トーチ２７の延長線と軸
２１の延長線との交わる点Ｂまでの長さ成分を示
す。そして、点Ｆは軸１５の位置を示し、点Ｑは
軸１９の位置を示し、点Ｐは溶接トーチ２７の先
端すなわち溶接点を示す。そして、角度α₁は、回
転体５の回動角度を示し、α₂は回動腕１１の回動
角度を示し、α₃は回動腕１７の回動角度を示す。
また、角度α₄は軸２１の回動角度を示し、垂直軸
に対する角度を示す。角度α₅は、垂直軸方向で0゜
になるように設定された、軸２３の回動角度を示
す。

第８図は第１図すなわち第７図の装置を上から
見た状態を模式的に示す図である。この第８図に
おいて、「絶対系」とは、固定部材１（第１図）
下端のほぼ中心をその座標軸の原点とする直角座
標系をいう。また、「ロボツト系」とは、装置の
或る点を原点とした直角座標系を示す。さらに、
「トーチ系」とは、第７図の点Ｂを原点とした直
角座標系を示す。なお、第９図は点ＱとＢとの間
をより詳細に示す図であり、この第９図における
角度成分α₆は一定である。ここで、直角座標系は
各併進軸成分および角度成分すなわち（ｘ、ｙ、
ｚ、φ、θ）で表わされ、多関節座標系は角構成
分すなわち（α₁、α₂、α₃、α₄、α₅）で表わされ
る。

第７図において各角度α₁ないしα₅が与えられた
ときの各点Ｆ、Ｑ、Ｐの直角座標系の位置を求め
ると、点ＦのＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分Fx、
Fy、Fzは、それぞれ次のようになる。

Fx＝−e₁sinα₁＋a₂sinα₂・cosα₁ Fy＝e₁cosα₁＋a₂sinα₂・sinα₁ Fz＝a₁＋a₂cosα₂ 同様に、点Ｑの各軸成分Qx、Qy、Qzおよび点
Ｂの各軸成分Bx、By、Bzはそれぞれ次のように
なる。

Qx＝Fx＋a₃sin（α₂＋α₃）・cosα₁ Qy＝Fy＋a₃sin（α₂＋α₃）・sinα₁ Qz＝Fz＋a₃cos（α₂＋α₃） Bx＝Qx＋a₄sinα₄・cosα₁ By＝Qy＋a₄sinα₄・sinα₁ Bz＝Qz＋a₄cosα₄ ただし、α₄＝α₂＋α₃＋α_4Eで表わされる。そし
て、点Ｐの各軸成分と溶接トーチ２７の配向角φ
および姿勢角θを求めるために、点Ｑでのロボツ
ト系からトーチ系への座標変換を行なう。なお、
以下の各式において、「c_i」は「cosα_i」を意味し、
「s_i」は「sinα_i」を意味するものとする。上述の
座標変換のために、次式(1)が与えられる。

そして、溶接点Ｐの位置を求めるために、（α
β γ １）＝（０ ０ −a₅ ０）を与える。
そうすると、点Ｐの各軸成分Px、Py、Pzは、そ
れぞれ、次のようになる。

Px＝−a₅（c₁c₄c₅s₆−s₁s₅s₆＋c₁s₄c₆）＋Bx Py＝−a₅（s₁c₄c₅s₆＋c₁s₅s₆＋s₁s₄c₆）＋By Pz＝−a₅（−s₄c₅s₆＋c₄c₆）＋Bz これをまとめると、 Px＝a₂s₂c₁−e₁s₁＋a₃s₂₊₃c₁＋a₄s₄c₁−（c₁
c₄c₅s₆−s₁s₅s₆＋c₁s₄c₆）a₅ ＝c₁（a₂s₂＋a₂s₂₊₃＋a₄s₄−c₄c₅e₄−s₄a₇
）＋s₁（e₄s₅−e₁） ＝c₁｛a₂s₂＋a₃s₂₊₃＋（a₄−a₇）s₄−e₄c₄
c₅｝＋s₁（e₄s₅−e₁） Py＝e₁c₁＋a₂s₂s₁＋a₃s₂₊₃s₁＋a₄s₄s₁−s₁c₄
c₅e₄−e₄c₁s₅−a₇s₁s₄ ＝c₁（e₁−e₄s₅）＋s₁｛a₂s₂＋a₃s₂₊₃＋（
a₄−a₇）s₄−e₄c₄c₅｝ Pz＝a₁＋a₂c₂＋a₃c₂₊₃＋a₄c₄＋e₄s₄c₅−a₇c₄
＝a₁＋a₂c₂＋a₃c₂₊₃＋（a₄−a₇）c₄＋e₄s₄c₅ そして、溶接トーチ２７の角度φおよびθを求
めるために、（α β γ １）＝（０ ０ １
０）を、上記(1)式に代入して、各軸への方向余弦
（tx、ty、tz）を求める。

tx＝c₁c₄c₅s₆−s₁s₅s₆＋c₁s₄c₆ ty＝s₁c₄c₅s₆＋c₁s₅c₆＋s₁s₄c₆ tz＝c₄c₆−s₄c₅s₆ txy＝（tx²＋ty²）^1/2 溶接トーチの角度φおよびθは、それぞれ、 φ＝tan^-1（ty／tx） θ＝tan^-1（txy／tz） となる。ここで、点ＦおよびＱについてもまとめ
ると、 Fx＝a₂s₂c₁−e₁s₁ Fy＝a₂s₂s₁＋e₁c₁ Fz＝a₂c₂＋a₁ Qx＝a₃s₂₊₃c₁＋a₂s₂c₁−e₁s₁ Qy＝a₃s₂₊₃s₁＋a₂s₂s₁＋e₁c₁ Qz＝a₃c₂₊₃＋a₂c₂＋a₁ となる。このようにして、各点の直角座標系（ロ
ボツト系）での位置情報が求められる。次に、こ
のような直角座標系（ロボツト系）から多関節座
標系への座標変換を第１０図ないし第１４図を参
照して、考えてみる。テイーチング時や補間制御
などの目標位置は、点Ｐのそれとして与えられ
る。したがつて、この直角座標系に基づいて各回
動軸への駆動量を計算する必要がある。

（Px、Py、Pz、φ、θ）から、その溶接トー
チ２７の延長部Ｂの座標を求めると、Ｂ点の各軸
成分Bx、By、Bzはそれぞれ次のようになる。

Bx＝Px＋a₅sinθcosφ By＝Py＋a₅sinθsinφ Bz＝Pz＋a₅cosθ このBx、By、Bzに基づいて、第１０図および
第１４図の各角度成分W1、W2とW3が求められ
る。

W1＝tan^-1By／Bx W2＝（By²＋Bx²−e₁ ²）^1/2 W3＝tan^-1e₁／W₂ したがつて、角度α₁は α₁＝W1−W2 で与えられる。

次に、与えられたトーチ角度φ、θとα₁から、
点Ｑを求める。第１１図参照。この場合には、
（αβγ）系から（x′y′z′）系への変換を行なう。
そ
して、α²＋β²＝e₃ ²、γ＝−a₈の円とy′＝０の平面
の交点を求める。なお、以下の式において「θ_c」
は「cosθ」を示し、「θ_s」は「sinθ」を示す。同
様に「φ_c」は「cosφ」を示し、「φ_s」を「sinφ」
を示す。

したがつて、α、βおよびγは、それぞれ次式
で与えられる。

α＝θ_cφ_Cx′−θ_cφ_sy′−θ_sz′ β＝φ_sx′＋φ_cy′ γ＝θ_sφ_cx′−θ_sφ_sy′＋θ_cz′ そして、y′＝０から、α、β、γは、さらに次
のようになる。

α＝θ_cφ_cx′−θ_sz′ β＝φ_sx′ γ＝θ_sφ_cx′＋θ_cz′ また、γ＝−a₈から、次式(2)が与えられ、α²＋
β²＝e₃ ²から、次式(3)が与えられる。

θ_sφ_cx′＋θ_cz′＋a₈＝０ ………(2) θ_c ²φ_c ²x′²−2θ_cφ_cθ_sx′z′ ＋θ_s ²z′²＋φ_s ²x′²＝e₃ ² ………(3) 上記(3)式に、z′＝−（θ_sφ_cx′＋a₈）／θ_cを代入
する と、次式が得られる。

（φ_c ²＋θ_C ²φ_s ²）x′²＋2a₈θ_sφ_cx′ ＋（a₈ ²θ_s ²−e₃ ²θ_c ²）＝０ 上記式における判別式WDを求めると、判別式
WDは次のようになる。

WD＝a₈ ²θ_s ²φ_c ²−（φ_c ²＋θ_c ²φ_s ²）（a₈ ²
θ_s ²−e₃ ²θ_c ²） ＝a₈ ²θ_s ²φ_c ²−a₈ ²θ_s ²φ_c ²＋e₃ ²θ_c ²φ_c
²−a₈ ²θ_s ²θ_c ²φ_s ²＋e₃ ²θ_c ⁴φ_s ² ＝e₃ ²θ_c ²（φ_c ²＋θ_c ²φ_s ²）−a₈ ²θ_s ²θ
_c ²φ_s ² ＝θ_c ²｛e₃ ²（φ_c ²＋φ_s ²θ_c ²）−a₈ ²θ_s ²
φ_s ²｝ したがつて、この判別式WDの値が負になれ
ば、点Ｑは存在し得ないことになる。また WA＝φ_c ²＋θ_c ²φ_s ² WB＝a₈θ_sφ_c WC＝a₈ ²θ_s ²−e₃ ²θ_c ² とすれば、点Ｑのx′座標は x′＝−WB±（WB²−WA×WC）^1/2／WA で与えられる。これに対応するz′の値は z′＝−（θ_sφ_cx′＋a₈）／θ_c で決定される。

一方、θ≦45゜の領域では、x′を求め、θ＞45゜
の領域ではz′を求めるとすれば、上記(2)式から
x′＝−（θ_cz′＋a₈）／θ_sφ_cを得て、それを上記(3)
式
に代入する。そうすると、次式が得られる。

（φ_c ²＋θ_c ²φ_s ²）z′²＋2a₈θ_cz′＋φ_c ² （a₈ ²θ_c ²−e₃ ²θ_s ²）＋a₈ ²φ_s ²＝０ そして、x′を求めたのと同様にして、 Wa＝φ_c ²＋θ_c ²φ_s ² Wb＝a₈θ_c Wc＝φ_c ²（a₈ ²θ_c ²−e₃ ²θ_s ²）＋a₈ ²φ_s ² とおけば、判別式WDは次式で与えられる。

WD＝Wb²−Wa×Wc したがつて、点ＱのＸ軸成分Qx、Ｚ軸成分Qz
は、それぞれ次式で与えられる。

Qz＝z′＝−Wb±〓WD／Wa Qx＝x′＝−（θ_cz′＋a₈）／θ_sφ_s で示される。いずれの場合も、点Ｑの座標は、
Q₁（x′₁、z′₁）、Q₂（x₂′、z₂′）の２点が存在する
。
この異なる２点が、それぞれ第１状態または第２
状態に相当するのである。これについては後に説
明する。

原点をＢとして、ロボツト系の座標（x′、y′、
z′）と点Ｑの座標（Qx′、Qy′、Qz′）から、角度
α₄とα₅を決定する。まず、Qy′＝０であるのでα₄
は次式で与えられる。

α₄＝tan^-1（−Qx）／（−Qz） そして、角度α₅を求めるために、先のロボツト
座標系（x′、y′、z′）からさらに各（x″、y″、z″
）
を求める。そして、この（x″、y″、z″）系で（α
β γ）＝（０ ０ −１）とする。

したがつて、x″およびy″はそれぞれ次式で与
えられる。

x″＝−c₄φ_cθ_s＋s₄θ_c y″＝φ_sθ_s そして、角度α⁵の基準線を、第１２図のよう
に、垂直線からの角度とすれば、この角度α₅は次
式で与えられる。

α₅＝tan^-1（−φ_sθ_s／c₄φ_cθ_s−s₄θ_c 次に、角度α₂およびα₃を求めるために、まず、
絶対座標系で点Ｑの位置を求めると、このＱの各
軸成分Qx、Qy、Qzは、それぞれ次式で与えられ
る。

Qx＝Bx＋x′cosα₁ Qy＝By＋x′sinα₁ Qz＝Bz＋z′ 一方、点Ｇ（第１４図参照）は（−e₁sinα₁、
e₁cosα₁、a₁）であるので、長さ成分l₁、l₂および
角度成分W1は、それぞれ次式で表わされる。

l₁＝｛（Qx＋e₁s₁）²＋（Qy−e₁c₁）²｝^1/2 l₂＝｛l₁ ²＋（Qz−a₁）²｝^1/2 W1＝tan^-1（Qz−a₁／l₁） そして、WA＝（a₂ ²＋l₂ ²−a₃ ²）／2a₂l₂とすれ
ば、角度成分W2は次式で与えられる。

W2＝cos^-1（WA）＝tan^-1｛（１−WA²）^1/2／WA） また、WB＝（a₂ ²＋a₃ ²−l₂ ²）／2a₂a₃とすれば、
角度成分W3は次式で与えられる。

W3＝tan^-1｛（１−WB²）^1/2／WB｝ したがつて、角度α₂およびα₃は、それぞれ次式
で与えられる。

α₂＝π／２−W1±W2 α₃＝±（π−W3） このようにして、直角座標から多関節座標への
変換が行なわれるが、先に説明したように、この
実施例では角度α₅、α₄およびα₂、α₃は、それぞ
れ、２通りの選択を行なえるのである。

第１５図はこの発明の他の実施例のテイーチン
グモードを示すフローダイヤグラムである。この
第１５図およびあとの第１６図に示す実施例は、
第３図ないし第５図に示す実施例の変形である。
そしてこの第２の実施例では、マニユアルモード
については先の第３図の実施例と同様である。そ
して、テイーチングに際しては先の実施例（第４
図）とは異なり、テイーチングのインタラプトが
かかると、ステツプS165において、先のステツ
プS109またはS113（第３図）のα系の座標位置を
記憶する。このようにして、この実施例では、テ
イーチングによる記憶はα系で行なわれる。

この実施例の場合、オートモードは第１６図に
示すフローダイヤグラムに従がつて制御される。
この実施例のオートモードの動作については容易
に理解されるであろうが、ここでは簡単に、その
動作について説明する。まず、ステツプS171に
おいて次の指令情報を読み出し、ステツプS173
においてこの指令情報に補間指令情報が含まれる
か否かを判断する。補間制御でなければ、ステツ
プS187およびS189によつてそのままα系で出力
し、各軸α₁ないしα₅を駆動する。

補間指令情報が含まれれば、続くステツプ
S175において、α系からXYZ系への座標変換を
行う。そして、そのような変換されたXYZ系で
補間演算（第５図、第６図参照）を行う（ステツ
プS177）。そして、ステツプS179においてα系で
の信号駆動のために、XYZ系からα系への座標
変換を行う。この場合、もちろん、α₃、α₅の符号
を考慮する。ステツプS181およびS183において
各軸α₁ないしα₅を駆動制御する。ステツプS185
において作業終了であれば、このオートモードの
動作が終了する。

上述のおよび後述の各実施例においては、さら
に操作パネル１００のスイツチ１０５によつてウ
イ−ビングモード（Ｗ）を選択しウイービング補
間を指令することができる。この場合は、座標系
はα系でもXYZ系でもいずれを選定してもよく、
ウイービングの１サイクルの始点と終点の位置情
報をテイーチングする。オートモードにおいて
は、このテイービング、の始点と終点間にXYZ
系でこれを反復するように位置指令する。このよ
うにXYZ系でウイービングの反復は、特開昭53
−14139号公報に開示されている。この実施例の
場合、始点と終点間を直線補間する場合も、円弧
補間する場合も、共に実行可能である。

また、上述のいずれかの実施例によつても、第
１７図に示すように自由曲線を容易にテイーチン
グしかつプレイバツクによつて位置制御しうる。
この第１７図において、“Ｌ”は直線補間の指令
情報を含み、“Ｃ”は円または円弧補間の指令情
報を含むことを意味する。

さらに、この実施例では、第１８図に示すよう
なワークピース２００の溶接線２０１を溶接する
ような場合においても、第１図実施例において、
トーチ２７に連結されたコンジツトチユーブがよ
じれないようにすることができる。すなわち、こ
の実施例では、第１図における軸２３に対してト
ーチ２７を一定の角度で傾斜させて取付け、軸２
３をたとえば180゜の角度（α₄）の範囲で回動可能
にしかつトーチ２７の旋回角（α₅）を360゜とした
ため、この第１８図に示すような水平隅肉溶接に
おいて円弧補間を行う際に、トーチ２７の後端か
ら延びるコンジツトチユーブ（図示せず）が、こ
の溶接線２０１の全周に亘つて溶接が行われたの
ちも、よじれないような姿勢をテイーチングする
ことができる。さらに、上述のようなテイーチン
グを一層可能にするために、第１図の実施例とは
異なり、第１９図のようにトーチ２７の先端すな
わち溶接点P1を軸２３の軸線上P2からずらせる
ようにしてもよい。このように、軸２３の軸線と
トーチ２７の溶接点との位置をずらせた場合に
は、そのずらせたことによる誤差12を補正す
る。このように、第１図に示すような構成にする
ことによつて、第１８図に示すような溶接線２０
１を溶接する際にも、コンジツトチユーブがよじ
れないような姿勢を、回転軸２３や取付具２５が
ワークピース２００との干渉なしに、テイーチン
グしかつそれを再生することができる。なお、こ
の第１８図に示すような円形の溶接線を溶接する
ようにテイーチングする際には、実際には、第１
８図における位置C₁、C₂およびC₃のうちC₁を再
びテイーチングするかあるいはその近傍の点（い
わゆるダミー点）をテイーチングしなければなら
ないことは容易に理解されよう。

さらに他の実施例として、テイーチングモード
において、第２０図のステツプ191に示すように、
XYZ系でテイーチングしたときはXYZ系の情報
を、またα系でテイーチングしたときはα系の情
報をそれぞれ記憶させる。そして、オートモード
では、第１６図を一部変更した第２１図のステツ
プS193に示すように、XYZ系で記憶されている
場合は必らず補間するものとして前述同様とす
る。他方、α系で記憶されている場合は、フラグ
Ｆ３またはＦ５の符号が変るものと判断し、α系
で記憶された点間を、各制御角度毎に等角補間し
（ステツプS195）、これら補間情報を出力して各
制御軸を駆動する。この等角補間の詳細は前述の
ステツプS157と同様であると理解されたい。

以上のように、この発明によれば、関節形ロボ
ツトにおいて、交差する回動腕の状態を第１状態
または第２状態の２様にとることができる。した
がつて、従来たとえばワークピースの形状やたと
えば溶接点の位置などによつては、そのような回
動腕とワークピースとの干渉が生じ、そのために
ワークピースの位置などを変えなければならない
ことがあつたが、この発明によれば、そのような
回動腕の状態を反転することができるので、ワー
クピースの位置を変えることなく、そのような干
渉を無くすことができる。しかも、そのような２
様の状態にわたる変化も直角座標系から多関節系
に切換えて操作するだけでテイーチング可能であ
り、その取扱いが一層簡単である。

さらに、前掲特許請求の範囲における「少なく
とも２つの関節角」とは、或る１つの関節角が前
記２様にわたつて変化するときその１つの関節角
の制御に関係する関節角すべてを意味するもので
あり、実施例におけるα₃、α₅そのものを指すもの
ではないことはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の背景となるかつこの発明が
実施される関節型ロボツトの一例としての自動溶
接装置を示す図解図である。第２図はこの発明の
一実施例を示す概略ブロツク図である。第３図な
いし第６図はこの発明の一実施例の動作を説明す
るためのフローダイヤグラムである。第７図ない
し第１４図は座標変換の説明のために用いられる
模式図である。第１５図および第１６図はこの発
明の他の実施例の動作を説明するためのフローダ
イヤグラムである。第１７図はこの実施例によつ
てテイーチングしかつ再生することのできる自由
曲線の１例を示す図解図である。第１８図はこの
発明の実施例の効果を説明するためのワークピー
スおよび溶接線を示す図解図である。第１９図は
トーチの溶接点と軸線とをずらせた場合の一例を
示す図解図である。第２０図および第２１図はこ
の発明のさらに他の実施例の動作を説明するため
のフローダイヤグラムである。 図において、５は回転体、９，１５，１９，２
１，２３は軸、１１，１７は回動腕、２７は溶接
トーチ、３１はCPU、３３はメモリ、１００は
操作パネル、３５１ないし３５５は駆動回路、５
３１ないし５３５はインクリメンタルエンコーダ
を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の腕が相互に回動可能に連結された多関
   節アームを有し、マニユアル操作によつてテイー
   チングされた情報に基づいて当該多関節アームを
   駆動することにより、その先端の腕に装着された
   被制御体の位置および姿勢を自動制御するプレイ
   バツク方式の多関節ロボツトであつて、 多関節座標系の指令情報によつて制御され、前
   記多関節アームにおける各腕を駆動するための駆
   動手段、 直角座標系と多関節座標系のいずれかを選択可
   能であり、選択された系でのマニユアル操作によ
   つて、前記多関節アームを移動させるための移動
   指令を発生するマニユアル操作手段、 前記マニユアル操作手段からの移動指令に基づ
   いて、前記駆動手段を制御するための多関節座標
   系の指令情報を発生するとともに、テイーチング
   のための指令情報を発生する指令情報発生手段、 テイーチングモード時において、前記指令情報
   発生手段が発生する前記テイーチングのための指
   令情報と、そのときの前記各腕の折曲り方向を規
   定するための識別情報とを記憶する記憶手段、お
   よび オートモード時において、前記記憶手段に記憶
   された指令情報と前記識別情報とを順次読出し
   て、前記駆動手段を制御するための多関節座標系
   の指令情報を発生し、それによつて前記駆動手段
   を自動制御するプレイバツク手段を備える、多関
   節ロボツト。 ２ 前記指令情報発生手段は、前記テイーチング
   のための指令情報として、直角座標系の指令情報
   を発生する、特許請求の範囲第１項記載の多関節
   ロボツト。 ３ 前記指令情報発生手段は、前記マニユアル操
   作手段から多関節座標系でのマニユアル操作によ
   る移動指令が与えられたとき、当該移動指令を直
   角座標系の指令情報に変換するための第１の座標
   変換手段を含む、特許請求の範囲第２項記載の多
   関節ロボツト。 ４ 前記プレイバツク手段は、前記記憶手段から
   読出した前記識別情報が規定する方向に前記各腕
   が折曲がるように、当該記憶手段から読出した直
   角座標系の指令情報を多関節座標系の指令情報に
   変換するための第２の座標変換手段を含む、特許
   請求の範囲第３項記載の多関節ロボツト。 ５ 前記指令情報発生手段は、前記テイーチング
   のための指令情報として、多関節座標系の指令情
   報を発生する、特許請求の範囲第１項記載の多関
   節ロボツト。 ６ 前記指令情報発生手段は、前記マニユアル操
   作手段から直角座標系でのマニユアル操作による
   移動指令が与えられたとき、前記各腕の折曲り方
   向を考慮しつつ、当該移動指令を多関節座標系の
   指令情報に変換するための座標変換手段を含む、
   特許請求の範囲第５項記載の多関節ロボツト。 ７ 前記指令情報発生手段は、前記マニユアル操
   作手段から直角座標系でのマニユアル操作による
   移動指令が与えられたときは前記テイーチングの
   ための指令情報として直角座標系の指令情報を発
   生し、前記マニユアル操作手段から多関節座標系
   でのマニユアル操作による移動指令が与えられた
   ときは前記テイーチングのための指令情報として
   多関節座標系の指令情報を発生する、特許請求の
   範囲第１項記載の多関節ロボツト。