JPH05220681A - ロボットおよびその制御方法 - Google Patents

ロボットおよびその制御方法

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JPH05220681A
JPH05220681A JP5418192A JP5418192A JPH05220681A JP H05220681 A JPH05220681 A JP H05220681A JP 5418192 A JP5418192 A JP 5418192A JP 5418192 A JP5418192 A JP 5418192A JP H05220681 A JPH05220681 A JP H05220681A
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JP
Japan
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robot
wrist
redundant
axis
value
Prior art date
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JP5418192A
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English (en)
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Hiroshi Sugie
弘 杉江
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 手首オフセットが原因となって生じる死角を
回避し、作業性を改善する。 【構成】 手首オフセットLを有するロボットにおい
て、ロボットアームRに冗長な関節を付加する。また、
死角に接近する度合いを示す評価関数を定め、この評価
関数の値が小さくなるように冗長関節角(長)を決定
し、決定した冗長関節値を基に、他の非冗長関節の値を
計算する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、垂直多関節形,極座
標形,円筒座標形などの多関節形のロボットアームを有
するロボットおよびロボットアームに対して手首部がオ
フセットしているロボットの制御方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】図6は例えば特開平3−110092号
に示された従来の手首オフセットを有するロボットの模
式図であり、図において、J61は垂直軸を中心に回転
可能な旋回軸、J62は鉛直方向回転軸、J63はアー
ム伸縮用直動軸、J64,J65は手首回転軸、Lはア
ーム伸縮用直動軸J63の中心線と手首回転軸J65端
の旋回面との距離としての手首オフセットである。ま
た、各軸J61,J62,J63およびこれらに接続さ
れたリンクはロボットアームRを構成しており、手首回
転軸J64,J65およびこれらに接続されたリンクは
手首部Sを構成している。
【0003】次に動作について説明する。まず、ロボッ
トの位置や姿勢を、手首回転軸J65が作業領域に臨む
ようにセットする。次に、この作業領域において、手首
回転軸J65のロボットアーム先端Fが所定の作業位置
にセットされるように、アーム伸縮用直動軸J63を伸
縮させ、各旋回軸J61,鉛直方向回転軸J62および
手首回転軸J64,J65を回転して微調整した後、作
業を開始させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のロボットは以上
のように構成されているので、手首オフセットLがある
と、作業座標系で与えられる指令値に対して、各関節値
を解析的に解くことができず、しかも、図7に示すよう
に、ロボットアーム先端Fは、リンク64の延長上のA
点に、リンク64に平行な手首姿勢角(リンク66とリ
ンク64が平行)で到達することが不可能であり、この
A点は死角(特異点)となるなどの問題点があった。
【0005】また、このような死角がロボットの動作範
囲内に無数に存在するために、作業を行う上で、リンク
66の回転角が、図8に示すように、リンク65によっ
て制限を受けるなど、自分自身によって動作範囲が制約
を受け、このため、レーザ溶接用ロボットではレーザ伝
送用のミラーを例えば2枚増加する必要が生じるなどし
て、光軸調整等のメンテナンス性が悪化し、かつ構造が
複雑になるほか、手首部が大きくなって作業上の障害と
なったり、手首部の重量が大きくなるなどの問題点があ
った。
【0006】さらに、冗長自由度を活用した特異点回避
方法として、可操作度を評価関数としたものがあるが、
これがヤコビアンのノルムや擬似逆行列などの複雑な計
算を必要とするなどの問題点があった。
【0007】請求項1の発明は上記のような問題点を解
消するためになされたもので、動作範囲内に死角を生じ
させず、かつ手首部が小型軽量で作業性に優れたロボッ
トを得ることを目的とする。
【0008】また、請求項2の発明は座標変換法におい
てロボットの指令値を位置で与えることによって正確に
計算された任意の動作領域に手首部をコントロールでき
るロボットの制御方法を得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係るロ
ボットは、ロボットアームに冗長な冗長軸を付加したも
のである。
【0010】また、請求項2の発明に係るロボットの制
御方法は、ロボットの位置,姿勢が死角に接近する度合
いを示す評価関数を定め、この値が小さくなるように冗
長関節の値を決定し、この冗長関節の値を基に、指令さ
れた位置,姿勢を実現するように他の非冗長関節の値を
設定するようにしたものである。
【0011】
【作用】請求項1の発明における手首オフセットを有す
るロボットは、冗長関節を付加することにより、死角を
回避可能にし、かつ動作領域を拡大するように動作す
る。
【0012】また、請求項2の発明におけるロボットの
制御方法は、手首関節の逆数からなる単純な評価関数を
使い、作業座標系における指令値から、速度ではなく位
置レベルで各関節値を求め、これに基づきロボット制御
を行う。さらに、擬似逆行列等の複雑な計算を省いて計
算量を少なくする。
【0013】
【実施例】
実施例1.以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図1において、J1はロボットアームを構成する
水平方向旋回軸、J2は冗長軸としての上下方向直動
軸、J3は鉛直方向回転軸、J4はアーム伸縮用直動
軸、J5,J6,J7は手首回転軸であり、上下方向直
動軸J2を冗長軸とする。また、各軸J1,J2,J
3,J4およびこれらに接続されたリンクはロボットア
ームRを構成しており、手首回転軸J5〜J7及びこれ
らに接続されたリンクは手首部Sを構成している。
【0014】次に、動作について、図2の座標変換法の
フローチャートを参照しながら説明する。まず、ロボッ
トの位置,姿勢が死角から遠くなるように冗長関節であ
る上下方向直動軸J2の長さを決定する。また、死角の
近傍では手首回転軸J6の角度が0度あるいは180度
近くになることに注目して、評価関数qを下記のものと
する。
【0015】
【数1】
【0016】また、上記評価関数qの値が小さくなるよ
うに冗長軸J2の長さを下記のように決定する(ステッ
プST1)。ここで、kは適当な正の定数である。
【0017】
【数2】
【0018】次に、下記の目標指令値(位置,姿勢)r
d を与える。
【0019】
【数3】
【0020】上記目標指令値rd を実現するように、決
定した冗長軸J2の値を基に、他の6軸J1,J3〜J
7の値を計算する。ただし、手首オフセットLを有する
ロボットでは、直交座標形記述された目標位置,姿勢か
らロボットの各軸角度(長)としての各関節角度(長)
を解析的に求めることができない。
【0021】そこで、下記の手順でロボットの各関節角
(長)を求める。すなわち、現在の各関節角(長)およ
び前回のサンプリングタイムにおける各関節角(長)か
ら、次回のサンプリングタイムにおける基本3軸J1,
J3,J4の関節角(長)を下記に従って推定する(ス
テップST2)。
【0022】
【数4】
【0023】ここで、Jinは第i関節の第nサンプリン
グタイムにおける値、Vn は第nサンプリングタイムに
おける手先の速度である。
【0024】上記推定値のもとで目標姿勢nxd,・・
・,azdを入力して(ステップST3)、これを実現す
るように手首回転軸J5,J6,J7の関節角を下記に
より計算する(ステップST4)。
【0025】
【数5】
【0026】次に、上記手首回転軸J5,J6,J7の
計算値のもとで、目標位置xd,yd,zdを入力して
(ステップST5)、これを実現するように、基本3軸
J1,J3,J4の関節角(長)を下記により計算する
(ステップST6)。
【0027】 J1・n =f1 (J2,J5,J6,J7,nxd, …, azd,xd,yd,zd) J3・n =f3 (J2,J5,J6,J7,nxd, …, azd,xd,yd,zd)…(6) J4・n =f4 (J2,J5,J6,J7,nxd, …, azd,xd,yd,zd
【0028】実施例2.また、上記第1の実施例では決
定された冗長軸J2の冗長関節長から他の非冗長6軸J
1,J3,J4,J5,J6,J7の関節角(長)を求
める計算を、式(4),(5)を1度だけ実行した場合
を示したが、この計算法では実現されるロボットの姿勢
と目標姿勢の間に若干の誤差が生じる。そこで、この計
算を2回以上繰り返すことによって、姿勢に関する誤差
を小さくすることができる。
【0029】実施例3.また、上記第1の実施例では冗
長軸J2を冗長関節として選択したが、鉛直方向回転軸
J3を冗長関節として選択してもよく、上記実施例と同
様の効果を奏する。
【0030】実施例4.また、上記実施例1では図1に
示すように、6軸極座標形ロボットに上下方向直動軸で
ある冗長軸J2としての冗長関節を付加しているが、図
3に示すように、6軸垂直多関節形ロボットに直動冗長
関節としての上下方向直動軸J32を付加しても、上記
実施例と同様の効果を奏する。この図3において、J3
1は水平方向旋回軸、J33,J34は鉛直方向回転
軸、J35,J36,J37は手首回転軸である。ここ
で、各軸J31〜J34およびこれらに接続されたリン
クはロボットアームRを構成し、手首回転軸J35〜J
37およびこれらに接続されたリンクは手首部Sを構成
している。
【0031】実施例5.また、上記実施例4では図3に
示すように、上下方向直動軸J32を冗長軸として付加
しているが、図4に示すように、回転関節としての水平
方向旋回軸J42を冗長軸として付加してもよく、上記
実施例と同様の効果を奏する。この図4において、J4
1は水平方向旋回軸、J43,J44は鉛直方向回転
軸、J45,J46,J47は手首回転軸である。ま
た、各軸J41〜J44およびこれらに接続されたリン
クはロボットアームRを構成し、手首回転軸J44〜J
47およびこれらに接続されたリンクは手首部Sを構成
している。
【0032】実施例6.また、上記実施例5では図4に
示すように、水平方向旋回軸J42を冗長軸として付加
しているが、図5に示すように、鉛直方向回転軸J52
を冗長軸として付加してもよく、上記実施例5と同様の
効果を奏する。この図5において、J51は水平方向旋
回軸、J53は冗長鉛直方向回転軸、J54は鉛直方向
回転軸、J55,J56,J57は手首回転軸である。
また、各軸J51〜J54およびこれらに接続されたリ
ンクはロボットアームRを構成し、手首回転軸J55〜
J57およびこれらに接続されたリンクは手首部Sを構
成している。
【0033】実施例7.また、上記各実施例では、手首
回転軸J5〜J7,J35〜J37,J45〜J47,
J55〜J57が3自由度の場合について説明したが、
2自由度の場合でも、上記実施例と同様の効果を奏す
る。
【0034】
【発明の効果】以上のように、請求項1の発明によれば
手首オフセットを有するロボットに冗長な関節を付加す
るように構成したので、手首オフセットが原因となって
生じる死角を、冗長自由度を活用することにより、回避
することができ、産業用ロボットの作業性を改善できる
ものが得られる効果がある。
【0035】また、請求項2の発明によればロボットの
位置,姿勢が死角に接近する度合いを示す評価関数を定
め、この値が小さくなるように冗長関節の値を決定し、
この冗長関節の値を基に、指令された位置,姿勢を実現
するように他の非冗長関節の値を計算するようにしたの
で、ロボットに対する指令値が位置レベルで正確に求め
ることができ、擬似逆行列などの複雑な計算をせずに、
最小計算量にて高精度にロボットアームの制御を実現で
きるものが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例1によるロボットを示す模式
図である。
【図2】この発明における座標変換法を用いたロボット
の制御方法を示すフローチャート図である。
【図3】この発明の実施例4によるロボットを示す模式
図である。
【図4】この発明の実施例5によるロボットを示す模式
図である。
【図5】この発明の実施例6によるロボットを示す模式
図である。
【図6】従来のロボットを示す模式図である。
【図7】従来の手首オフセットが原因となって生じる死
角を示す説明図である。
【図8】従来の手首オフセットのない場合の動作範囲が
制約される状況を示す説明図である。
【符号の説明】
R ロボットアーム S 手首部 L 手首オフセット J2,J32,J42,J52 冗長軸
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年6月12日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0005
【補正方法】変更
【補正内容】
【0005】また、このような死角が存在しないよう
に、手首部Sを図8に示すように構成した場合、図9に
示すように、リンク65によってリンク66の動作範囲
が制約を受ける。さらに、レーザ溶接用ロボットではレ
ーザ伝送用のミラーを例えば2枚増加する必要が生じる
ど、光軸調整等のメンテナンス性が悪化し、かつ構造
が複雑になるほか、手首部が大きくなって作業上の障害
となったり、手首部の重量が大きくなるなどの問題点が
あった。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図8
【補正方法】変更
【補正内容】
【図8】従来の手首オフセットのない場合の手首部の構
成を示す模式図である。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図9
【補正方法】追加
【補正内容】
【図9】従来の手首オフセットのない手首構成の場合
に、動作範囲が制約される状況を示す説明図である。
【手続補正4】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図8
【補正方法】変更
【補正内容】
【図8】
【手続補正5】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図9
【補正方法】追加
【補正内容】
【図9】

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ロボットアームに対してオフセットして
    いる手首部を有するロボットにおいて、上記ロボットア
    ームに冗長な冗長軸を付加したことを特徴とするロボッ
    ト。
  2. 【請求項2】 ロボットアームに対する手首部の手首オ
    フセットによって生じる死角に接近する度合いを示す評
    価関数を定め、上記評価関数の値が常に小さくなるよう
    に冗長軸の長さまたは角度を決定し、この決定値を基に
    他の非冗長軸の長さまたは角度を決定して上記死角を回
    避するロボットの制御方法。
JP5418192A 1992-02-06 1992-02-06 ロボットおよびその制御方法 Pending JPH05220681A (ja)

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