JPH0561510A

JPH0561510A - 冗長自由度ロボツト装置

Info

Publication number: JPH0561510A
Application number: JP22009191A
Authority: JP
Inventors: Masami Iizuka; 正美飯塚; Kazuo Honma; 和男本間; Norihisa Miyake; 徳久三宅; Fusaaki Ozawa; 房明小沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1993-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】作業に応じて適切な姿勢を取ることを可能と
し、教示作業が簡単にできる冗長自由度ロボット装置を
提供する。【構成】姿勢を決定するパラメータとして、作業に必
要な動作を記述する独立変数と冗長パラメータとがあ
り、この冗長パラメータを複数種類設ける。教示作業に
対し、手動操作手段として冗長パラメータ選択手段３５
及び冗長パラメータ移動操作手段３４と、教示操作手段
として冗長パラメータ動作選択手段４０及びデータ入力
手段４１を追加して教示のできる構成とする。【効果】冗長パラメータが複数種類あるため、ロボッ
トは多様な姿勢を取ることができてより多くの作業に適
用でき、手動及び教示操作手段により教示作業を容易に
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボット装置に係り、
溶接、組立、シーリング、バリ取り、塗装などの作業を
行う産業用ロボット装置として有用な冗長自由度ロボッ
ト装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の冗長自由度ロボット装置として
は、例えば特開昭６２−７０９１３号公報に記載されて
いる多関節型ロボット装置がある。この装置は例えば図
９に示す６自由度多関節型ロボット装置のように、作業
に必要な動作を記述する独立変数を、手先の位置、方向
という６個として、７個の軸を有する冗長自由度ロボッ
ト装置である。冗長パラメータを、上腕と前腕とを含む
平面の傾斜角の１種類とし、手動操作手段としての冗長
パラメータ移動操作手段はアーム面の回転操作手段を設
け、教示操作手段としてのデータ入力手段は目標値の手
先の位置、方向のデータとアーム面の回転角データの入
力手段あるいは関節角入力手段を設けている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来装置では、冗
長パラメータを１種類に限定し、しかも教示操作手段と
して冗長パラメータの動作を決定する手段を持っていな
い。一般的な冗長自由度ロボット装置では，作業に必要
な動作を記述する独立変数の個数をＭとして、冗長自由
度ロボットの自由度をＮ（Ｎ＞Ｍ）とすると、冗長パラ
メータはＮ軸の中の（Ｎ−Ｍ）個の軸角度、隣同志の軸
でなす相対角度（Ｎ−Ｍ）個、隣同志の軸を結ぶ部材を
リンクあるいはアームと仮定して、隣同志の２個のリン
クあるいはアーム（仮想的なリンク、アームでもよい）
でできる面の傾き角度（Ｎ−Ｍ）個など複数種類存在す
る。その複数種類ある冗長パラメータに対して、手動操
作及び教示操作のできる装置が必要である。

【０００４】本発明の目的は、冗長パラメータを複数種
類設定して多様なロボット姿勢を可能とし、教示作業が
容易にできる冗長自由度ロボット装置を提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る冗長自由度ロボット装置は、作業動作
を記述する独立変数の個数をＭ個とし、Ｍ個を超えるＮ
個の軸を有するロボットと、ロボットを制御する制御手
段とを備えた冗長自由度ロボット装置において、（Ｎ−
Ｍ）個の冗長パラメータを複数種類設け、制御手段は、
Ｍ個の独立変数と冗長パラメータとにより冗長自由度ロ
ボットの姿勢を一つに決定させる構成とする。

【０００６】そして作業動作を記述する独立変数の個数
をＭ個とし、Ｍ個を超えるＮ個の軸を有するロボット
と、ロボットを制御する制御手段とを備えた冗長自由度
ロボット装置において、（Ｎ−Ｍ）個の冗長パラメータ
を複数種類設け、Ｍ個の独立変数と冗長パラメータとに
より冗長自由度ロボットの姿勢を一つに決定させる制御
手段と、冗長自由度ロボットの動作をシミュレートさせ
るオフラインプログラミング装置とを具備したものであ
る。

【０００７】また制御手段は、制御装置と、教示装置と
よりなる構成でもよい。

【０００８】さらに教示装置は、冗長パラメータを手動
で動作させる手動操作手段と、冗長パラメータの動作を
教示する教示操作手段とを具備している構成でもよい。

【０００９】さらに手動操作手段は、複数種類ある冗長
パラメータを選択する冗長パラメータ選択手段と、冗長
パラメータを動作させる冗長パラメータ移動操作手段と
を具備している構成とする。

【００１０】そして手動操作手段は、冗長パラメータを
動作させる冗長パラメータ移動操作手段と、拘束すべき
冗長パラメータを選択して拘束する冗長パラメータ拘束
選択手段とを具備しているでもよい。

【００１１】また教示操作手段は、複数種類ある冗長パ
ラメータの動作を選択する冗長パラメータ動作選択手段
と、目標値のＭ個の独立変数のデータ及び（Ｎ−Ｍ）個
の冗長パラメータのデータを入力するデータ入力手段と
を具備している構成である。

【００１２】さらに教示操作手段は、複数種類ある冗長
パラメータの動作を選択する冗長パラメータ動作選択手
段と、目標値のＮ個の各軸角度データを入力するデータ
入力手段とを具備している構成でもよい。

【００１３】

【作用】本発明のＮ自由度の冗長自由度ロボット装置で
は、ロボットの姿勢を一つに決定するためにＮ個のパラ
メータが必要である。作業に必要な動作を記述する独立
変数の個数をＭとした場合、Ｍ個のパラメータでは不十
分であり、更に冗長パラメータが（Ｎ−Ｍ）個追加して
決定される。しかも冗長パラメータを複数種類用意する
ことで、多様なロボット姿勢を取ることができる。次に
ロボットの手動操作手段として、冗長パラメータ選択手
段を設けることにより複数種類ある冗長パラメータが選
択され、冗長パラメータ移動操作手段により冗長パラメ
ータが動作される。これは冗長パラメータ移動操作手段
と冗長パラメータ拘束選択手段によっても同じ作用とな
る。次にロボットの教示操作手段として、冗長パラメー
タ動作選択手段により複数種類ある冗長パラメータの動
作が選択され、データ入力手段により目標値のＭ個の独
立変数のデータと（Ｎ−Ｍ）個の冗長パラメータのデー
タあるいは目標値のＮ個の各軸角度データを入力でき
る。以上の手動操作手段と教示操作手段を用いて冗長自
由度ロボットの教示作業が簡単になる。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図９を参照しなが
ら説明する。図１は本発明の冗長自由度ロボットの教示
フロー図、図２は図１に示す教示フローを実現する、冗
長自由度である７自由度多関節型ロボット装置の概略を
示す外観斜視図、図３及び図４はそれぞれ図２に示す教
示装置の中の表示画面に表れる内容を示す説明図、図５
は図２に示す７自由度多関節型ロボットの教示フロー
図、図６は図２に示すロボット本体の軸構成図、図７は
図２に示す制御装置における制御系の要部ブロック図、
図８は図２に示すロボット本体の他の姿勢状態を示す斜
視図、図９は従来の６自由度多関節型ロボットの軸構成
図である。なお、これにより本発明が限定されるもので
はない。まず図２に示す７自由度多関節型ロボット装置
の一実施例で本発明を説明する。７自由度多関節型ロボ
ット装置は、ロボット本体（冗長自由度ロボット）１
０、制御装置（制御手段）２０、教示装置（制御手段）
３０より構成されている。最初に図２及び図６によりロ
ボット本体１０の軸構成を説明する。

【００１５】ロボット本体１０を床等の面に固定するベ
ース１１、それに連結し床等の面に垂直となる旋回軸１
２’を中心として回転運動をする旋回ボディ１２、それ
に連結し旋回軸１２’に直角な方向となる上腕軸１３’
を中心として回転運動をする上腕１３、その他端に上腕
軸１３’と平行な軸である前腕軸１４’を中心として回
転運動をする前腕ベース１４、それに連結し、前腕軸１
４’の方向と、より先に位置する前腕１５への方向のい
ずれに対しても直角方向となる前腕旋回軸１５’を中心
として回転運動をする前腕１５、それに連結し、前腕１
５の方向である手首回転軸１６’を中心として回転運動
をする手首回転部１６、それに連結し、手首回転軸１
６’に直角な方向となる手首曲げ軸１７’を中心として
回転運動をする手首曲げ部１７、それに連結し、手首曲
げ軸１７’に直角な方向となる手首ひねり軸１８’を中
心として回転運動をする手首ひねり部１８よりなってい
る。手首ひねり部１８について詳しく書いてはないが、
ここにグリッパーなどが装着されて手先を構成してい
る。また図６にはロボット本体１０の床等との設置位置
を原点としたベース座標０−ＸＹＺも示してある。ロボ
ット本体１０は前腕旋回軸１５’を増加し７軸をもった
冗長自由度多関節型ロボットであり、別の姿勢状態を図
８に斜視図で示してある。作業に必要な動作を記述する
独立変数はこの場合６個であるが、本ロボットを制御す
るためには７個のパラメータが必要である。図９に示す
６自由度多関節型ロボットの場合は手先の位置、方向と
いう６個のパラメータで十分であるが、本ロボットの場
合さらに１個のパラメータが必要となる。ここではそれ
を冗長パラメータと呼ぶ。教示装置３０は、操作者がロ
ボット本体１０を手動動作させたり、自動運転させるた
めのプログラムを教示したり、ロボット本体１０を自動
運転させたりするためのものである。その構成は、手動
操作手段、教示操作手段、自動運転操作手段、いろいろ
な内容を表示する表示画面３７及び画面上のメニューを
選択するファンクションキー３８などよりなっている。
手動操作手段は、各軸動作をさせる関節座標、直角座
標、手先座標などの座標を設定する手動座標選択手段３
１と、速度を設定する手動速度選択手段３２と、旋回
軸、上腕軸などの各軸を動作させる各軸移動操作手段３
３と、冗長パラメータを選択する冗長パラメータ選択手
段３５と、冗長パラメータを動作させる冗長パラメータ
移動操作手段３４とよりなる。教示操作手段は、教示作
業をする場合の教示選択手段３６と、図３の表示画面３
７に示した、速度、加速度、位置決め精度、手先動作、
冗長動作などの教示メニュー選択手段３９と、教示メニ
ュー選択手段３９で冗長パラメータの動作である「冗長
動作」を選択した場合に切り替わる図４の表示画面３７
に示した、アーム相対角補間、肘位置直線補間及び肘位
置円弧補間などの冗長パラメータ動作選択手段４０と、
教示メニュー選択手段３９で冗長動作以外のメニューを
選択した場合のそれぞれに対する選択手段（図示せず）
と、手動座標選択手段３１、手動速度選択手段３２、各
軸移動操作手段３３及び冗長パラメータ移動操作手段３
４と、冗長パラメータ選択手段３５によりロボットを手
動動作して目標の位置へ動かし、手先位置（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）と手先方向（α，β，γ）と冗長パラメータ１個、
あるいは各軸角度データθ(i)（ｉ＝１〜７）を入力す
るデータ入力手段４１とよりなる。自動運転操作手段に
ついては本発明に直接関係しないのでここでは述べな
い。但し、これに限定する訳ではなく、また教示操作手
段で述べた手先動作とは手先位置及び手先方向の動作方
法である。制御装置２０は、図７の制御系の要部ブロッ
ク図に示すように、教示データメモリー部、制御データ
演算部、座標変換部、出力ポート部、サーボ制御装置、
サーボアンプなどから構成され、入力された教示データ
に基いてロボット本体１０の動作を制御する。但しここ
では直接関係ないので詳述しない。また教示装置３０の
機能の一部あるいは全部が制御装置２０にあっても構わ
ない。

【００１６】次に図５の教示フローに従い教示作業につ
いて説明する。これには図２の教示装置３０で述べた手
動操作手段と教示操作手段とを用いる。図９に示す従来
の６自由度以下の多関節型ロボットにおいては、教示選
択手段３６を押して表示画面３７上に第３図に示す教示
メニュー選択手段３９を出して現在の手先位置Ｐ(j-1)
（ｊ＝１〜ｎ）よりの速度、加速度、位置決め精度、手
先動作を必要に応じ選択して設定する。次に手動座標選
択手段３１、手動速度選択手段３２を必要に応じ押して
ロボット本体を目標の手先位置Ｐ(j)まで各軸移動操作
手段３３を使用して動かしＰ(j)点の手先位置（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）と手先方向（α，β，γ）データをデータ入力
手段４１により入力する。この教示作業をＰ(1)点から
Ｐ(n)点まで繰返し行い、教示終了となる。それに対し
７自由度多関節型ロボットの場合は、手先の位置、方向
の決定では６個のパラメータを決めただけであるため、
ロボット姿勢は一つに決まらない。さらに１個の冗長パ
ラメータが必要である。冗長パラメータとして考えられ
るのは、７軸の中の１個の軸、すなわち旋回軸あるいは
上腕軸あるいは前腕軸あるいは前腕旋回軸あるいは手首
回転軸あるいは手首曲げ軸あるいは手首ひねり軸、上前
腕アーム相対角、肘位置（図６のＥ点）などが考えられ
る。７自由度多関節型ロボットにおいて教示作業をする
とき、教示装置３０を使用して教示選択手段３６を押し
て表示画面３７上に図３に示す教示メニュー選択手段３
９を出して現在の手先位置Ｐ(j-1)よりの速度、加速
度、位置決め精度、手先動作、そして新たに追加となる
冗長動作を必要に応じ選択して設定する。ここで「冗長
動作」を選択した場合は、図４に示す画面に切り替わ
り、冗長パラメータ動作方法選択手段４０により冗長動
作を選択する。次に手動速度選択手段３２を必要に応じ
押し、冗長パラメータ選択手段３５を必要に応じ押して
選択し、冗長パラメータ移動操作手段３４、あるいはい
ずれかの軸を冗長パラメータとして選択した場合は各軸
移動操作手段３３を使用してロボット本体１０の冗長パ
ラメータを動作させる。あるいは冗長パラメータを冗長
パラメータ移動操作手段３４を押して手動操作後冗長パ
ラメータ拘束選択手段（図示せず）により拘束しても同
じである。次に手動座標選択手段３１を必要に応じ押し
て座標系を選択し、各軸移動操作手段３３（但し、直角
座標系、手先座標系を選択した場合は図２に示すように
各座標系における移動操作手段となる）を操作して目標
の手先位置Ｐ(j)まで動作させる。この冗長動作と手先
動作を何回か繰り返して目標の手先位置Ｐ(j)まで動作
させてもよい。そこでデータ入力手段４１を押してＰ
(j)点の手先位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と手先方向（α，β，
γ）及び冗長パラメータ１個のデータ、あるいは各軸角
度データθ(i)を入力する。この教示作業をＰ(1)点から
Ｐ(n)点まで繰返し行い、教示終了となる。なお本実施
例では、冗長自由度ロボット装置は、ロボット本体１
０、制御装置２０、教示装置３０の構成としたが、ロボ
ット動作をシミュレートするオフラインプログラミング
装置でも構わない。

【００１７】同様にして、一般的な冗長自由度ロボット
の教示作業について、図１の教示フロー、図２の教示装
置３０、図３、図４に従い説明する。作業に必要な動作
を記述する独立変数の個数をＭとして、Ｎ＞ＭなるＮ個
の軸を有する冗長自由度ロボットを制御する場合、作業
に必要な動作を記述するＭ個の独立変数と、冗長自由度
ロボットの姿勢を一つに決定するための、（Ｎ−Ｍ）個
の冗長パラメータが必要である。冗長パラメータとして
考えられるのは、一般的にＮ軸の中の（Ｎ−Ｍ）個の軸
角度、隣同志の軸でなす相対角度（Ｎ−Ｍ）個、２個の
リンクあるいはアーム（仮想的なリンク、アームでも良
い）でできる面の傾き角度（Ｎ−Ｍ）個など複数種類考
えられるが、それに限定されるものではない。冗長自由
度ロボットにおいて教示作業をするとき、教示装置３０
を使用して教示選択手段３６を押して表示画面３７上に
図３に示す教示メニュー選択手段３９を出して現在のＰ
(j-1)点よりの速度、加速度、位置決め精度、Ｍ個の独
立変数の動作方法（図示せず）、冗長動作を必要に応じ
選択して設定する。ここで「冗長動作」を選択した場合
は、図４に示す画面に切り替わり、冗長パラメータ動作
方法選択手段４０により（Ｎ−Ｍ）個の冗長パラメータ
の動作方法を選択する。次に手動速度選択手段３２を必
要に応じ押し、冗長パラメータ選択手段３５を必要に応
じ押して選択し、冗長パラメータ移動操作手段３４、あ
るいはいずれかの軸を冗長パラメータとして選択した場
合は各軸移動操作手段３３を使用して冗長自由度ロボッ
トの冗長パラメータを動作させる。あるいは冗長パラメ
ータを冗長パラメータ移動操作手段３４を押して手動操
作後冗長パラメータ拘束選択手段（図示せず）により拘
束しても同じである。次に手動座標選択手段３１を必要
に応じ押して座標系を選択し、各軸移動操作手段３３
（但し手動座標選択手段３１で選択した座標系による動
作となる）を操作して目標のＰ(j)点まで動作させる。
この冗長動作とＭ個の独立変数の動作を何回か繰り返し
て目標のＰ(j)点まで動作させてもよい。そこでデータ
入力手段４１を押してＰ(j)点のＭ個の独立変数と（Ｎ
−Ｍ）個の冗長パラメータのデータ、あるいはＮ個の各
軸角度データθ(i)を入力する。この教示作業をＰ(1)点
からＰ(n)点まで繰返し行い、教示終了となる。

【００１８】以上述べてきたように、冗長自由度ロボッ
トにおいて、Ｍ個の独立変数の他に、Ｎ軸の中の（Ｎ−
Ｍ）個の軸角度、隣同志の軸でなす相対角度（Ｎ−Ｍ）
個、隣同志の２個のリンクあるいはアーム（仮想的なリ
ンク、アームでもよい）でできる面の傾き角度（Ｎ−
Ｍ）個など複数種類の冗長パラメータを設定できるの
で、ロボットは多様な姿勢を取ることができ、より多く
の作業に適用できる。

【００１９】また作業に必要な動作を記述する独立変数
の個数をＭとして、従来のＭ自由度以下のロボットと比
較して、教示作業において追加となる手段をまとめてみ
ると、手動操作手段では、冗長パラメータ選択手段３５
と冗長パラメータ移動操作手段３４、または冗長パラメ
ータ移動操作手段３４と冗長パラメータ拘束選択手段、
教示操作手段では、Ｐ(j-1)点からＰ(j)点（ｊ＝１〜
ｎ）まで動作するときの冗長パラメータ動作方法選択手
段４０と、Ｍ個の独立変数と冗長パラメータ（Ｎ−Ｍ）
個、あるいは各軸角度θ(i)（ｉ＝１〜Ｎ）を入力する
データ入力手段４１である。これを設けることにより冗
長自由度多関節型ロボットの教示作業を容易に行うこと
ができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明の冗長自由度ロボット装置によれ
ば、冗長パラメータを複数種類設定したため、冗長自由
度ロボットは多様な姿勢を取ることができ、より多くの
作業に適用できる。

【００２１】また手動操作手段として冗長パラメータ選
択手段と冗長パラメータ移動操作手段、または冗長パラ
メータ移動操作手段と冗長パラメータ拘束選択手段、教
示操作手段として冗長パラメータ動作選択手段とデータ
入力手段とを具備したことにより、教示作業を容易に行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冗長自由度ロボット装置の教示フロー
を示す図である。

【図２】図１に示す教示フローを実現する７自由度多関
節型ロボット装置の斜視図である。

【図３】図２に示す教示装置の中の表示画面に表れる内
容を説明する図である。

【図４】図２に示す教示装置の中の表示画面に表れる他
の内容を説明する図である。

【図５】図２の７自由度多関節型ロボット装置の教示フ
ローを示す図である。

【図６】図２に示すロボット本体の軸の構成図である。

【図７】図２に示す装置における制御系の要部のブロッ
ク図である。

【図８】図２に示すロボット本体の他の姿勢状態を示す
斜視図である。

【図９】従来の６自由度多関節型ロボットの軸の構成図
である。

【符号の説明】

１０ロボット本体２０制御装置３０教示装置３３各軸移動操作手段３４冗長パラメータ移動操作手段３５冗長パラメータ選択手段３９教示メニュー選択手段４０冗長パラメータ動作選択手段４１データ入力手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｂ２３Ｑ 15/00 ３０５Ｃ 9136−3Ｃ (72)発明者小沢房明茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作業動作を記述する独立変数の個数をＭ
個とし、該Ｍ個を超えるＮ個の軸を有するロボットと、
該ロボットを制御する制御手段とを備えた冗長自由度ロ
ボット装置において、（Ｎ−Ｍ）個の冗長パラメータを
複数種類設け、前記制御手段は、前記Ｍ個の独立変数と
前記冗長パラメータとにより冗長自由度ロボットの姿勢
を一つに決定させることを特徴とする冗長自由度ロボッ
ト装置。
【請求項２】作業動作を記述する独立変数の個数をＭ
個とし、該Ｍ個を超えるＮ個の軸を有するロボットと、
該ロボットを制御する制御手段とを備えた冗長自由度ロ
ボット装置において、（Ｎ−Ｍ）個の冗長パラメータを
複数種類設け、前記Ｍ個の独立変数と前記冗長パラメー
タとにより冗長自由度ロボットの姿勢を一つに決定させ
る制御手段と、前記冗長自由度ロボットの動作をシミュ
レートさせるオフラインプログラミング装置とを具備し
たことを特徴とする冗長自由度ロボット装置。
【請求項３】前記制御手段は、制御装置と、教示装置
とよりなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載
の冗長自由度ロボット装置。
【請求項４】前記教示装置は、前記冗長パラメータを
手動で動作させる手動操作手段と、前記冗長パラメータ
の動作を教示する教示操作手段とを具備していることを
特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の冗長
自由度ロボット装置。
【請求項５】前記手動操作手段は、複数種類ある前記
冗長パラメータを選択する冗長パラメータ選択手段と、
前記冗長パラメータを動作させる冗長パラメータ移動操
作手段とを具備していることを特徴とする請求項１〜請
求項４のいずれか１項記載の冗長自由度ロボット装置。
【請求項６】前記手動操作手段は、前記冗長パラメー
タを動作させる冗長パラメータ移動操作手段と、拘束す
べき前記冗長パラメータを選択して拘束する冗長パラメ
ータ拘束選択手段とを具備していることを特徴とする請
求項１〜請求項５のいずれか１項記載の冗長自由度ロボ
ット装置。
【請求項７】前記教示操作手段は、複数種類ある前記
冗長パラメータの動作を選択する冗長パラメータ動作選
択手段と、目標値のＭ個の前記独立変数のデータ及び
（Ｎ−Ｍ）個の前記冗長パラメータのデータを入力する
データ入力手段とを具備していることを特徴とする請求
項１〜請求項６のいずれか１項記載の冗長自由度ロボッ
ト装置。
【請求項８】前記教示操作手段は、複数種類ある前記
冗長パラメータの動作を選択する冗長パラメータ動作選
択手段と、目標値のＮ個の各軸角度データを入力するデ
ータ入力手段とを具備していることを特徴とする請求項
１〜請求項７のいずれか１項記載の冗長自由度ロボット
装置。