JPH07104712B2 - ロボットアームの手動制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ロボットの動作制御方式に係り、特に、ロボ
ットの動作点を教示する際に効果的な動作制御手段を提
供するものである。

〔従来の技術〕

関節形ロボットにその動作を教示する際の有効な手法と
して、ロボットの機構とは独立し、かつロボット設計時
に一意的にロボット機構と関連づけられる特定の直交座
標系の各々の直交軸に沿ってロボットを動作させれば教
示作業に好適であることが示されている。

なおこの種の装置としては、特公昭60−51121号に記載
されたものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ロボットアームを直交座標軸に沿って動作させ、動作点
を教示する方法は、作業者の容易に認識しうるもしくは
生活基盤となっている座標系であるから、その価値は大
きい。しかしながら、上記直交座標系は、ロボット設計
時に一意に定義された座標系であり、その直交軸に沿っ
てのみしかロボットを動作させることができないという
問題がある。換言すれば、ロボットの作業教示の対象と
なるワークの座標系が、前記ロボットの座標系と一致し
ない場合、（そして、これは通常一致しないものであ
り、一致するように調整することが大変な作業を伴うこ
と、そのように調整しても、異なる場所へロボットを移
動された場合には再調整が必要となること等）、作業教
示点が多い場合は、前記座標系の各直交軸方向の動作を
繰り返して、ロボットを目標の教示点へ位置決めさせな
ければならないという問題がある。この問題は、直交動
作形ロボットアームの場合についても同様である。

本発明はこのような問題を解消し、よりロボットの動作
点教示を簡易にする手法を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、前記ロボットの直交座標系を、ワークの直
交座標系に変換する手段を提供することにより達成され
る。

具体的には、前記ロボットの直交座標系は、水平面上に
Ｘ−Ｙ軸があり、Ｘ−Ｙ軸の作る面に直交する軸がＺ軸
であるとするとき、 （１）Ｘ−Ｙ座標系を変換したいときは、ワーク上の作
業点２点を教示し、この２点の水平成分方向余弦を求
め、例えばこの方向余弦ベクトルをＸ′軸と再定義し、
これに直交する水平面内のベクトルをＹ′軸とし、ロボ
ットをＸ′及びＹ′軸方向へ動作させる機能を付与する
ことにより達成される。

（２）Ｘ−Ｙ−Ｚ座標系を変換したいときは、ワーク上
の作業点３点を教示し、その内の２点より求められる方
向余弦をＸ′軸とし、残りの１点よりＸ′軸へ下した垂
線をＹ′軸とし、Ｘ′−Ｙ′平面に直交する直線をＺ′
軸とし、ロボットをＸ′,Y′,Z′軸方向へ動作させる機
能を付与することにより達成される。

〔作用〕

本発明の作用を第１図〜第３図を用いて説明する。

ここでは、説明の簡便さのために水平面を再定義する場
合について示す。第１図において、ロボット固有の直交
座標系Ｘ−Ｙは、ロボット本体を座標原点に第１図のよ
うに定義されている。これに対し、ロボットの動作対象
となるワークの座標系Ｘ′−Ｙ′は、第１図のようにな
っているとする。ここで○印は、動作教示予定点であ
り、これらはワーク座標系上にて整列している。ここ
で、例へば○印の点ＤとＩを通常の方法でロボットを動
作させて教示するとする。この２点より、第１図に矢印
で示すような点Ｉから点Ｄへ向かう方向ベクトルが計算
できる。従ってこれをＸ′軸方向であるとすれば、これ
に直交するＹ′軸方向も自ずとさだめることができる。
ここで、２点の教え方は任意であり、教示した２点から
Ｘ′軸方向が決定できるものであることは云うまでもな
い。

次に第２図を用いて従来の動作点を教示する手順を示
す。先ず、点Ｉまでの教示は完了しており次に点Ｄを教
示するものとする。点Ｉから、点Ｄへロボットアーム先
端を移動させるために、ロボットの動作教示者は、操作
スイッチを操作することにより、ロボット固有の座標軸
ＸまたはＹ軸の方向に沿って第２図に示すようにロボッ
トを動作させ、点Ｄの近傍でＸまたはＹ軸方向の動作を
繰り返し微調整を、それも繰り返すことにより点Ｄへロ
ボットアーム先端を位置決めする。次に別の操作スイッ
チの操作により点Ｄをロボットの制御装置に記憶させ
る。点Ｂの教示についても同様である。このように教示
点の存在位置とロボットの動作可能方向が異なるため、
種々の動作方向を組み合せてロボットを動作させ、目標
位置にロボットアームを位置決めしなければならず、特
に目標位置近傍での微調整は非常にわずらわしいもので
ある。

次に第３図を用いて、本発明の動作点を教示する手順を
示す。まず、Ｘ′−Ｙ′座標軸を決定するための２点の
位置は教示ずみであり、教示点Ｉまでの動作教示はすで
に完了しているとし、次に点Ｄを教示する場合ついて説
明する。点Ｉから点Ｄへロボットアーム先端を動作させ
るには、ロボットの動作教示者は、まず、ロボットアー
ムをＸ′−Ｙ′座標系で動作させるための指令信号を操
作鉛を操作して制御装置に教える。これにより動作モー
ドはＸ′−Ｙ′座標系基準となる。次に、前記と同様操
作ボタンを操作すれば、今度の場合は、ロボットアーム
先端はＸ′またはＹ′軸に沿って動く。従って点Ｉから
点Ｄへロボットを動作させるにはある操作鉛を押すだけ
でも良く、ロボットアームは、第３図矢線で示すように
点Ｄの方向へ向かって動作する。点Ｄの近傍で微調整す
る点は従来と同様であるが、これもＸ′軸方向で調整す
るのみで良く非常に簡単になる。次に点Ｂを教示するに
おいては、別の操作鉛によってＹ′軸方向へ動かすこと
のみで教示することができる。

更に本発明のかくれた利点は、任意にロボットの動作教
示者が、教示に都合の良い座標系を定義でき、その座標
系上でロボットの動作点を教示できるので、一直線上に
配列された教示点は、正確に一直線上の点として教示す
ることができ、短形上に配列された点は、短形上の正確
な点として教示することができる点にある。これに対し
従来の教示方法によれば、一直線上に配列された点であ
っても、その直線がロボット固有の座標軸と一致しない
限り、Ｘ軸及びＹ軸方向の動作を繰り返して教示するこ
とになるので、正確に一直線上に配列された点を、一直
線上に位置するものとして教示することができない。短
形状に配列された点を教示する場合においても、正確な
短形状の点として教示することはできない。

〔実施例〕

第４図に、本発明を実現するロボットシステムの一構成
例を示す。ロボットシステムは、ロボット本体２と制御
装置１より構成される。制御装置１は、ロボットを手動
で動作させたり、動作した位置を位置記憶手段18に記憶
指令をしたり、ロボットの動作手順を入力し、動作手段
記憶手段17に記憶指令をしたり、動作手順記憶手段17に
記憶された動作手順に従ってロボットに動作するよう指
令したりするための複数の操作スイッチ及び動作状況他
を表示するための表示装置類を含む教示手段14と、演算
手段15の出力するPWM指令を受けてPWM信号を発生するPW
M信号発生回路11、そのPWM信号によって動作し、ロボッ
ト本体２、特に、サーボモータに運転電流を供給するパ
ワー回路12と、サーボモータの回転位置を測定するため
のサーボモータに取り付けられたエンコーダのエンコー
ダパルスを計数するパルスカウンタ13と、複数のロボッ
トアーム先端部の経由する位置を記憶する位置記憶手段
18と、前記位置記憶手段18に記憶された複数の位置の動
作手順を記憶する動作手順記憶手段17と、演算手段15の
演算手順を記憶する演算手順記憶手段16と、教示手段14
の入力信号に応じて定められた演算手順記憶手段16内に
格納されている。適切な演算手順を読み出し、必要に応
じて動作手順記憶手段17及び位置記憶手段に格納されて
いる情報を用いて演算を行ないロボットを動作制御する
演算手段15より成っている。

第５図に、教示手段14の操作鉛及び表示部の一例を示
す。

以下、本発明におけるロボットの動作を詳細に説明す
る。

ロボットの動作を開始させるために、まず、主電源スイ
ッチ（図示せず）を投入すると、第４図の演算手段15
は、ロボットの動作、表示関係の初期化を行う。次に第
５図の原点合せキーを押すと、演算手段15は所定の手順
に従ってロボットを動作させ、ロボットに機械基準姿勢
をとらせる。これにより、ロボット機械姿勢と位置情報
の対応関係が確立され、ロボットがプログラム制御可能
の状態となる。

まず、本発明に係る任意の座標系を定義するための動作
点の教示方法について説明する。第５図に位置ティーチ
キーを押すことにより、ロボットは位置ティーチモード
になる。この状態で第５図の位置調整キーのいずれかを
押すことにより、ロボットは、各調整キーに対してあら
かじめ定められた方向にあらかじめ定められた速度で動
作し、調整キーを離すと停止するように動作する。例え
ば第５図のアーム右のキーを押すとロボットアーム先端
は、第１図のＸ軸矢線方向へ、アーム前のキーを押すと
第１図のＹ軸矢線方向へ動く。このように調整キーを操
作することにより、ロボットアーム先端を任意の点に位
置決めすることができる。位置決めした点に対して第５
図のデータ入力キーを操作して位置決め点の位置情報を
記憶すべき位置番号を入力（これは例えば第５図のステ
ップ部に表示される）したのち、第５図のセットキーを
押せば、現在のロボット位置情報が、入力された位置番
号に対して位置記憶手段18のあらかじめ定められた記憶
領域に格納される。

ここで、位置記憶手段18に記憶される位置情報は、サー
ボモータ２の回転角を与えるエンコーダパルス信号の積
算値もしくは、これより演算して求められるロボット固
有に定められた座標系のX,Y,Z値、もしくは、関節形ロ
ボットの場合はアームの回転角のようなものであっても
良い。要は、ロボットアーム先端の位置情報そのもの、
もしくは、何らかの演算処理を施こすことにより位置情
報と1:1に対応がつけられるものであれば何でも良い。

次にこのようにして教示記憶する位置情報を、ロボット
の動作教示者の定義する新しい座標系の基礎データとし
て定義する方法を示す。

その第１の方法は、位置記憶手段18の特定の領域に格納
されている２点の位置情報を新しい座標系の基礎データ
とみなす方法である。前記特定の領域は前記したように
位置番号に対応しているから、ロボットの動作教示者
が、前記したように、ある特定の位置番号を入力してセ
ットキーを押すことにより、この情報が位置記憶手段18
の特定の領域に格納される。

第２の方法は、データ入力キーを用いて、第５図のオペ
コード表示部に特定の記号を入力したときに、演算手段
15が、これを座標系定義記号であると判別し、所定の定
義処理を行なうようにすることを基本とする。例えばオ
ペコード表示部に“7"を入力したときは、第１の、“8"
を入力したときは、第２の“9"を入力したときは第３の
座標系定義位置を定義するものとする。この場合、前記
の特定記号をオペコード表示部へ入力し、セットキーを
押すと、演算手段15は、前記した位置情報の記憶である
か、座標系定義入力であるかを、前記した特定記号の有
無により判別する。特定記号がなければ、位置情報を記
憶するよう処理するが、それは前記したものである。座
標系定義入力すなわち前記例で“7"、“8"または“9"が
オペコード表示部に入力されていれば、ステップ部に表
示されている位置番号をとり込み、前記特定のコードに
応じて準備したエリアにこの位置番号を記憶する。第１
の方法の場合には、座標系を定義または再定義する場合
には、定義するための位置にロボットを動作させなけれ
ばならないのに対し、第２の方法の場合には、既に教示
された位置をロボットを動かすことなく自由に指定する
ことができる。

以上のようにして、新しい座標系を定義するための位置
情報を特定することができる。

次に、前記のようにして特定された位置情報を用いて、
新しく定義した座標系の座標軸に沿ってロボットアーム
先端部を動作させる方法を示す。そのためには、先ず、
制御装置１に新しく定義した座標軸に沿ってロボットア
ームを動作させることを指示しなければならない。その
方法は、例えば、ユーティリティキーを押し、続けて、
前記を指示するようあらかじめ定められた特定のコー
ド、例えば、“P",“O",“O"をデータ入力キーを用いて
順次入力し、セットキーを押すことにより達成する。制
御装置は、上記入力を解読し、前記動作モードとなる。
別の例は、第５図には示していないが、別のキーを設
け、このキーを押すことにより、前記ロボットアーム固
有の座標系に従って動くモードと、新しい座標系に従っ
て動くモードが切りかえられるようになっていても良
い。すなわち、制御装置１に新しく定義した座標軸に沿
ってロボットアームを動かすことを指示できるものであ
れば手段は問わない。

このようにして、新しい座標軸に沿って動く動作モード
になったのちのロボットアームの動かし方について、第
６図を用いて説明する。位置調整キーのいずれかが押さ
れると、第６図の動作が開始される。まずブロック000
において、次の処理をする。前記した方法で新しい座標
軸定義用に記憶された２つの位置情報（必要なら何らか
の変換を施こして）を取り出す。ここでは、Ｘ−Ｙ座標
軸を変換して新しい座標軸Ｘ′−Ｙ′について動作させ
る場合について説明しているので、２つの位置情報P₀，
P₁は、次のベクトル成分からなる。

P₀＝（P_0x，P_0y） P₁＝（P_1x，P_1y） これよりＸ′座標軸方向は、次の方向ベクトルで与えら
れる。

ブロック001では次の処理を実行する。すなわち、“ア
ーム右”の調整キーが押された場合はアームの動作方向
ベクトルνを次のようにする。

“アーム左”の調整キーが押された場合は、 “アーム前”の調整キーが押された場合は、 “アーム後”の調整キーが押された場合は、 このようにして、ロボットアーム先端を動作すべき方向
が定まる。

次にブロック“002"において、動作条件の準備計算を行
なう。すなわち、現在のロボットアーム先端位置P_N＝P
_Nx，P_Ny，P_Nz）と動作方向ベクトルνを用いて、動作ベ
クトル方向へロボットアームを動作させるとした場合の
動作限界位置P_E＝P_Ex，P_Ey，P_Ez）及び限界位置まで動
作させるときの動作距離l₀を求める。次に、あらかじめ
定められた最大速度及び加減速方式に従って、動作距離
l₀だけロボットアームに動作させる場合の加減速処理方
式を決定する。演算処理の詳細は本発明の主眼ではない
ので、ここでは省略する。

次にブロック“003"において動作方向νへ、あらかじめ
定められた微少距離Δｌだけ動作させるとした場合の動
作目標位置Ｐを求める。

Ｐ＝P_N＋Δｌ・ν これを、ロボット機構に関連する演算式に従ってロボッ
トアームを駆動するサーボモータの位置信号に変換し、
適切なる制御論理に従って制御信号を求め、これをPWM
信号発生回路11に出力する。これにより、ロボットアー
ムは、動作方向νに沿って極く御少距離Δｌだけ動く。

次に、ブロック“004"において、所定の時間、例えば1s
ecの間に渡って、ブロック“005"で示されるチェックを
行なう。ブロック"005"において調整キーが離されたこ
とが検出されると、全ての演算処理は終了する。この機
能は、調整キーを極短時間だけ押すと、調整キーで指示
された方向へロボットアームを極く微小距離動かすこと
ができることを意味し、ロボットアームを動作目標点へ
正確に位置決めする際の位置調整に有効であることを示
している。ここで、所定時間同じ調整キーが押され続け
ていると次のブロック“006"を実行する。

ブロック“006"は一定時間間隔、これはサーボ系のサン
プリングレートに関連し、例えば2msec毎にブロック“0
07"の演算を起動する。ここでブロック“006"は、サー
ボ制御との関連でそう入した一例であり、実際の処理形
態としては種々のものがある。

ブロック“007"では、ブロック“005"と同様に、同じ調
整キーが押され続けているか否かをチェックする。もし
押されていれば、ブロック“008"“009"を実行する。ブ
ロック“008"では、ロボットアームが、ブロック“002"
で求めた動作限界点に到達したか否かをチェックする。
もし到達していれば、全ての処理は終了する。到達して
いなければ、ブロック“002"で求めた加減速条件に従っ
て、次にロボットが動くべき点の動作距離ｌを求め、動
作点Ｐを得る。

Ｐ＝P_N＋ｌν このＰによってロボットを動作させる手順はブロック
“003"において説明したものと同様である。このブロッ
ク“009"の処理を一定時間間隔毎に実行することによ
り、ロボットアームは所定の加減速方式に従って連続的
に動作方向νに沿って動く。そして、キーが押されつづ
けていれば、最終的に動作限界点に到達し、ロボットア
ームは停止する。

ロボットアームを希望の位置に停止させたい場合は、動
作教示者は、調整キーをはなせば良い。調整キーを離す
とブロック“010"が実行される。すなわち、ブロック
“002"で得られた減速条件に従ってロボットアームを減
速停止させる動作目標位置を“010"ブロックの説明では
省略しているが、ブロック“006"に示すと同様の一定の
時間間隔で発生し、サーボ系に作用させることによりロ
ボットアームを停止させる。このようにして、ブロック
“006"〜“010"の作用により、ロボットアームは動作方
向に沿って動作し、目標位置近傍に位置決めされる。正
確な位置決め方法は前記した通りである。なお、上記説
明では、実用システムの動作すなわち、安全性チェッ
ク、動作可／不可チェック等の本発明の本旨でない面は
一部省略している。

以上は、平面座標を任意に定義しその座標軸方向に沿っ
てロボットアームを動作させる場合につき、詳細に説明
した。この平面は水平面であるとして説明したが、これ
を垂直面とする場合も同様の考え方で実現できる。ま
た、空間座標を任意に定義し、その各座標方向に沿って
ロボットアームを動作させる場合は類似の方法で実現す
ることができるので、ここでの詳細な説明は省略する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、既に求めた座標軸又は座標軸を含む平
面と直交するように他の座標軸を定義していくことによ
って、正確な直交座標系を定義することができる。従っ
て、ロボットアームをこの直交座標系の各軸方向に沿う
ように動作させながら動作点の教示を行うとき、ロボッ
トアームの動作方向と教示すべき作業点の配置方向との
誤差を小さくすることができ、容易で高速な動作点教示
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理図。 第２図は、従来の動作教示手順を説明する図。 第３図は、本発明の動作教示手順を説明する図。 第４図は、本発明の全体システム構成例図。 第５図は、本発明の教示手段例図。 第６図は、本発明を用いてロボットアームを手動動作さ
せるための手順図。

フロントページの続き (72)発明者 竹本 明伸 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所栃木工場内 (56)参考文献 特開 昭63−184806（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロボットアームの座標系上で予め教示記憶
   された第一及び第二の点から、第一の方向ベクトルと前
   記第一の方向ベクトルに垂直な第二の方向ベクトルを求
   め、前記第一及び第二の方向ベクトルをそれぞれ含む軸
   を座標軸とする第二の座標系を定め、ロボットアーム先
   端部を選択した軸方向に動作させ、動作点を教示するよ
   うにしたことを特徴とするロボットアームの手動制御方
   法。
2. 【請求項２】ロボットアームの座標系上で予め教示記憶
   された第一及び第二の点から、第一の方向ベクトルと前
   記座標系上で予め教示記憶された第三の点を通り前記第
   一の方向ベクトルに垂直な第二の方向ベクトルとを求
   め、前記第一及び第二の方向ベクトルに垂直な第三の方
   向ベクトルを求め、前記第一、第二及び第三の方向ベク
   トルをそれぞれ含む軸を座標軸とする第二の座標系を定
   め、ロボットアーム先端部を選択した軸方向に動作さ
   せ、動作点を教示するようにしたことを特徴とするロボ
   ットアームの手動制御方法。