JPH0732282A

JPH0732282A - ロボット制御装置

Info

Publication number: JPH0732282A
Application number: JP20029693A
Authority: JP
Inventors: Wataru Iida; 亘飯田; Tadashi Koyama; 正小山; Takatsugu Inada; 隆次稲田; Osamu Yamada; 修山田; Yuzo Kishi; 友三岸
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyoda Koki KK
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 1995-02-03

Abstract

(57)【要約】【目的】工具を移動可能に保持し工作物をハンドで握持
して加工するロボットにおいて、加工点の加工経路上の
位置決めを正確にして加工精度の向上を図る。【構成】工具Ｔの位置を変動可能に保持する工具保持装
置５０と、工具の工具軸と平行なセンサ軸を有し、工具
の工作物上の加工経路における工具による加工点よりも
前進した位置で、工具に対して一定の相対的位置におい
て工具保持装置に配設されたセンサＳであって、センサ
に固定された座標系における加工経路上に存在する検出
点の座標を検出する変位センサと、変位センサにより検
出された座標に応じて、加工点が加工経路上に存在する
ように工具保持装置を制御する制御手段とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工具保持装置により工
具の位置を変動可能に保持するとともに、ロボットに工
作物を挾持させ、ロボットの位置及び姿勢を制御して工
作物の加工を行うロボット制御装置において、加工点を
所定の加工経路上に精度良く位置決めするように改良し
た装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、特開平2-82302 号公報のように、工
具を固定して、工作物をロボットのハンドで握持して工
作物を工具に対して相対移動させることにより、工作物
を溶接したり切断したりするロボットが知られている。
このロボットでは、溶接速度や切断速度を一定とするこ
とができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような加工の場合
には、ロボットの位置及び姿勢の制御は、予め教示され
て入力された教示データに従って行われる。このため、
教示が正確でない場合や、温度変動や工作物の重量変化
等により、加工点を正確に加工経路上に位置決めするこ
とは困難である。本発明は上記の課題を解決するために
成されたものであり、その目的は、工具の位置を変動可
能に保持すると共に工作物をハンドで握持して加工する
ロボットにおいて、加工点の加工経路上の位置決めを正
確にすることにより、加工精度を向上させることであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成は、ロボットに工作物を挾持させ、教示デ
ータに従ってロボットの位置及び姿勢を制御して工作物
の加工を行うロボット制御装置において、工具の位置を
変動可能に保持する工具保持装置と、工具の工作物上の
加工経路における工具による加工点よりも前進した位置
で固定されるとともに、工具に対して一定の相対的位置
において工具保持装置に配設され，加工経路上に存在す
る検出点の座標を検出するセンサと、センサにより検出
された座標に応じて、加工点が加工経路上に存在するよ
うに工具保持装置を制御する制御手段とを設けたことで
ある。

【０００５】

【作用】検出点は加工点よりも前進した位置に存在す
る。即ち、検出点は加工点が今後通過する領域にとられ
ている。加工経路は工作物上に検出可能に形成されてい
る。例えば、２つの面状物体を重ね合わせて溶接する場
合であれば、その２つの面状物体が重ね合わせられて形
成された段の稜線が加工経路となる。この稜線はレーザ
をプローブとするセンサを稜線に垂直な方向にスイング
させて、その出力が階段状に変化する部分として検出す
ることが可能である。このセンサにより加工経路上に存
在する検出点のセンサに固定された座標系における座標
が演算される。そして、加工点を教示データに従って、
所定の加工経路上に位置決めするとき、加工点の検出点
に対する遅れを考慮した上でこの座標が加味され、工具
保持装置が駆動されて工具位置が調整されることによ
り、加工点の加工経路上での位置決めの微調整が行われ
る。このことにより、加工点を正確に所定の加工経路上
に位置決めすることが可能となり、加工精度を向上させ
ることができる。

【０００６】

【発明の効果】本発明は、工具をその位置を変動可能に
保持すると共に、教示データに従ってロボットの位置及
び姿勢を制御することで加工経路を制御すると共に、実
際に、加工する場合に、センサにより加工経路の位置を
検出して、その位置と理想的な位置との偏差だけ、工具
の位置を制御するようにしている。従って、教示が不正
確であっても、精度の高い加工を行うことができる。ま
た，センサ，工具は，ロボット側に取付けていないた
め，ロボット手首部の配線は簡素化され，安全なシステ
ムを構成できる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図１は６軸多関節ロボットの機構を示した機構
図である。１０がロボット本体であり、フロアに本体１
０を固定するベース１２が配設され、ベース１２上には
コラム１３が固設されており、コラム１３はボディ１４
を回転自在に配設している。ボディ１４はアッパーアー
ム１５を回動自在に軸支し、アッパーアーム１５は、フ
ォアアーム１６を回動自在に軸支している。ボディ１
４、アッパーアーム１５、フォアアーム１６は、それぞ
れ、サーボモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３（図４参照）によっ
て、軸ａ，ｂ，ｃの回りに回転駆動される。この回転角
はエンコーダＥ１，Ｅ２，Ｅ３によって検出される。フ
ォアアーム１６の先端部にはリスト１７がｄ軸の周りに
回転可能に軸支され、リスト１７にはハンド１８がｅ軸
の周りに回動自在に軸支されている。

【０００８】さらに、ハンド１８はｆ軸の周りに回転可
能に軸支されている。そして、このハンド１８に工作物
Ｗが挾持される。工作物Ｗは２つの断面がＵ字形状の物
体を合わせたものであり、その接合部の段付部の稜線が
加工経路となり、加工経路が溶接される部分である。
尚、ｄ軸、ｅ軸、ｆ軸はサーボモータＭ４、Ｍ５、Ｍ６
によって駆動される。

【０００９】又、床には工具保持装置５０が立設されて
おり、その工具保持装置５０はベッド５７を有してい
る。図１及び図２に示すように、そのベッド５７上には
レール５３、５４が配設されており、そのレール５３、
５４上にｚ軸方向に移動するｚ軸テーブル５１が摺動可
能に配設されている。さらに、ｚ軸テーブル５１上には
レール５５、５６が配設されており、そのレール５５、
５６上にはｙ軸方向に移動するｙ軸テーブル５２が摺動
可能に配設されている。ｚ軸テーブル５１はｚ軸サーボ
モータ６１により駆動され、ｙ軸テーブル５２はｙ軸サ
ーボモータ６２により駆動される。そして、ｙ軸テーブ
ル５２上にはホルダー３０が固設されており、ホルダー
３０には溶接トーチＴと変位センサＳとが固定されてい
る。溶接トーチＴと変位センサＳとの関係は、図３に示
すような位置関係となっている。変位センサＳは溶接ト
ーチＴに対して加工経路Ａの方向（ｘ軸方向）に一定の
距離Δ_Xだけオフセットしている。

【００１０】図４はロボットの姿勢制御装置の電気的構
成を示したブロックダイヤグラムである。２０はマイク
ロコンピュータ等から成る中央処理装置である。この中
央処理装置２０には、メモリ２５、サーボモータを駆動
するためのサーボＣＰＵ２２ａ〜２２ｆ、ジョグ運転の
指令、教示点の指示等を行う操作盤２６、溶接のための
ア─ク溶接機２３、変位センサＳから検出信号を入力す
る入出力インタフェース２４が接続されている。そし
て、そのア─ク溶接機２３には溶接トーチＴが接続され
ており、入出力インタフェース２４には変位センサＳが
接続されている。ロボットに取付けられた各軸ａ〜ｆ駆
動用のサーボモータＭ１〜Ｍ６は、それぞれサーボＣＰ
Ｕ２２ａ〜２２ｆによって駆動される。又、ＣＰＵ２０
には工具保持装置駆動装置６０が接続されており、その
工具保持装置駆動装置６０には溶接トーチＴを加工経路
Ａ（ｘ軸方向）に垂直なｙ軸方向、ｚ軸方向（工作物に
接近する方向）に移動させるためのｙ軸サーボモータ６
２、ｚ軸サーボモータ６１が接続されている。

【００１１】前記サーボＣＰＵ２２ａ〜２２ｆのそれぞ
れは、中央処理装置２０から出力される出力角度データ
θ₁〜θ₆と、サーボモータＭ１〜Ｍ６に連結されたエ
ンコーダＥ１〜Ｅ６の出力α₁〜α₆との間の偏差を演
算し、この演算された偏差の大きさに応じた速度で各サ
ーボモータＭ１〜Ｍ６を回転させるように作動する。

【００１２】前記メモリ２５にはロボットを教示点デー
タに従って動作させるためのプログラムが記憶されたＰ
Ａ領域とロボットの位置及び姿勢を表す教示点データを
記憶するＰＤＡ領域が設けられており、教示モードにお
いて、複数の教示点における位置データと姿勢データが
記憶される。

【００１３】次に、その作用について説明する。図５は
同実施例装置において使用されているＣＰＵ２０の教示
に関する処理手順を示したフローチャートである。先
ず、ステップ100 では，工具保持装置５０を基準位置に
位置決めしておき，この位置における溶接トーチの先端
の位置及び姿勢をロボットのハンドのフランジ中心に教
示用アタッチメント（図示略）を取り付け、操作盤２６
におけるマニュアル操作により前述のロボットの各駆動
軸の回転角図１３の(13)を変換した位置行列Ｔとして教
示させる。

【００１４】次に、ステップ102 に移行して、工作物の
加工経路上の教示点毎にロボットのハンドのフランジ中
心の位置及び姿勢を前述のロボットの各駆動軸の回転角
(13)を変換した位置行列Ｆとして教示させて、本プログ
ラムを終了する。

【００１５】次に、本装置により加工動作における位置
決め制御について説明する。先ず、図１１を参照して、
ロボットの座標系及び座標変換について説明する。Ｏ−
ＸＹＺ座標系は、空間に固定された直交座標系( ロボッ
ト座標系) である。Ｐ点は工具保持装置５０に固定され
た工具の先端を表し、Ｑ点は工作物を挾持するロボット
のハンドのフランジ中心（以下、単に「フランジ中心」
ともいう）を表す。

【００１６】工具の先端Ｐには、工具の先端の工具姿勢
を表すために単位ベクトルｅ１，ｅ２，ｅ３が工具に固
定されて図示するように採られている。又、フランジ中
心Ｑにおける姿勢を表すためにフランジ中心に固定され
た単位ベクトルａ１，ａ２，ａ３が図示するように採ら
れている。これらの単位ベクトルの成分を図１２の(1)
〜(6) 式で定義する。

【００１７】又、Ｐ点及びＱ点の位置ベクトル（成分は
直交座標を意味する）を図１２の(7) 、(8) 式で定義す
る。したがって、工具の先端の位置行列Ｔ及びフランジ
中心の位置行列Ｆは、図１２の(9) 、(10)式で定義され
る。ここで、左上の３行３列の行列が姿勢行列と言われ
るものである。又、変換行列Ｍが図１３の(11)式で定義
される。この変換行列Ｍは、フランジ中心Ｑの位置行列
Ｆと工具の先端Ｐの位置行列Ｔとを関連づけるものであ
る。工具の先端の位置及び姿勢を、フランジ中心に固定
した座標系Ｑ−ａ１ａ２ａ３で表現した行列と言える。
即ち、ｅ１ベクトルのａ１，ａ２，ａ３ベクトルに対す
る方向余弦が（Ｍ₁₁，Ｍ₁₂，Ｍ₁₃）であり、ｅ２ベクト
ルのそれらが、( Ｍ₂₁, Ｍ₂₂，Ｍ₂₃）であり、ｅ３ベク
トルのそれらが、（Ｍ₃₁，Ｍ₃₂，Ｍ₃₃）である。又、Ｑ
Ｐベクトルの座標系Ｑ−ａ１ａ２ａ３での座標成分が、
( Ｒ_X,Ｒ_Y,Ｒ_Z）である。従って、行列Ｔ, Ｆ, Ｍの間
には図１３の(12)式の関係がある。

【００１８】又、ロボットの各駆動軸の回転角( ６軸の
場合) を図１３の(13)式とすると、回転角(13)と、フラ
ンジ中心の位置行列Ｆとの間には、ロボット固有の一定
の関係が存在し、相互に変換することが出来る。又、工
具の先端の位置行列Ｔとフランジ中心の位置行列Ｆと
は、図１３の(12)式の関係があるから、結局、駆動軸の
回転角(13)と、Ｍ，Ｆとは、相互に関連し、相互に変換
することが出来る。

【００１９】次に、ロボットの位置及び姿勢の補間演算
及び位置決め制御について説明する。指定された補間周
期で教示点間を補間するためにＣＰＵ２０は図６の補間
に関する処理手順を示したフローチャートを実行する。
ステップ200 で図５のステップ102 にて教示された隣接
した教示点の位置行列Ｆが読み込まれる。次に、ステッ
プ202 に移行して、図５のステップ100 にて教示された
工具の先端の位置行列Ｔとステップ200 で読み込んだ教
示点における位置行列Ｆとから前述の(12)式より、その
教示点における変換行列Ｍを算出する。

【００２０】今、例えば、隣接した２つの教示点をＡ，
Ｂとして、教示点Ａについて図９を、教示点Ｂ点につい
て図１０をそれぞれ参照して説明する。工具の先端の位
置行列Ｔは、図１２の(9) 式で表され、教示点Ａにおけ
るフランジ中心の位置行列Ｆ_Aは、前述の(10)式より、
図１３の(14)式で表される。

【００２１】又、教示点Ａにおける変換行列Ｍ_Aは、図
１３の(11)式より、(15)で与えられる。ここで、(12)式
より、図１４の(16)となる。従って、教示点Ａにおける
変換行列Ｍ_Aは、図１４の(17)にて算出される。同様に
して、教示点Ｂにおける変換行列Ｍ_Bは、図１４の(18)
にて算出され、隣接した２つの教示点Ａ，ＢにおけるＭ
_AとＭ_Bとが求まる。

【００２２】尚、この変換行列Ｍ_AとＭ_Bとの間は前述
の回転主軸法により回転主軸の方位及び位置と回転角ｇ
が求まり、それらの間の姿勢変換行列Ｓ_gは、図１４の
(19)式として求まる。したがって、隣接した２つの教示
点Ａ，Ｂ間の距離Ｄ_ABは、Ｄ_AB ²＝｜（Ｄ_X ²+Ｄ_Y ²+
Ｄ_Z ²) ｜となる。

【００２３】次に、ステップ204 に移行して、工作物Ｗ
の指定された加工速度をｖとすると、距離Ｄ_ABを加工す
るための所要時間ｔは、ｔ＝Ｄ_AB／ｖである。そして、
指定された補間周期で隣接した教示点Ａ，Ｂ間が補間さ
れる。ここで指定された補間周期をΔｔとすると、ｔ／
Δｔ＝ｎとなり、補間点毎の回転角ｈは、ｈ＝ｇ／ｎと
なる。従って、補間点Ｃ₁における姿勢変換行列Ｓ_h1は
(19)式より、図１４の(20)式で与えられる。

【００２４】よって、補間点Ｃ₁における４行４列の変
換行列Ｍ_C1が、Ｍ_C1＝Ｓ_h1・Ｍ_Aとして算出される。次
に、ステップ206 に移行して、前述の(12)式より、Ｆ_C1
＝Ｔ・Ｍ_C1 ^-1が導き出され、補間点Ｃ₁における４行４
列のフランジ中心の位置行列Ｆ_C1が算出される。

【００２５】したがって、指定された補間周期のフラン
ジ中心の位置及び姿勢がその位置行列Ｆ_C1からロボット
の各駆動軸の回転角として、前述の回転角(13)に示され
るように変換され、位置行列Ｆ_C1から変換された各駆動
軸の回転角としてロボットのハンドのフランジ中心の位
置及び姿勢が算出される。

【００２６】次に、図７のステップ208 に移行して、変
位センサＳの出力を入力して、加工経路Ａ上の点（検出
点）の変位センサ座標系における座標（Ｎ_x,Ｎ_y,Ｎ_z)
を演算する。変位センサ座標系はセンサの軸線がｚ軸、
溶接トーチＴの軸線はｚ軸に平行で、溶接トーチＴの先
端の座標はセンサ座標系において（−Δ_x,０, ０）にと
られている。又、工具保持装置５０において、ｙ軸テー
ブル５２、ｚ軸テーブル５１を移動させることにより、
空間に対してセンサ座標系が平行移動することになる。
次に、ステップ210 において、前回の検出点であって、
位置の偏差補正後の点（以下、「前補正検出点」とい
う）の座標（センサ座標系）（Ｌ_x,Ｌ_y,Ｌ_z) と今回の
検出点の座標（Ｎ_x,Ｎ_y,Ｎ_z) とから、図１５の(23)式
により加工経路Ａのセンサ座標系における単位方向ベク
トルｒ₀が演算される。

【００２７】次に、ステップ212 において、溶接トーチ
Ｔの存在位置（溶接トーチＴのｘ座標と同一座標上の位
置）における加工経路Ａ上の点（目標加工点）の座標
（Ｈ_x,Ｈ_y,Ｈ_z) が、単位方向ベクトルｒ₀及び溶接ト
ーチＴと変位センサＳとの変位Δ_xとを用いて、図１５
の(24)式により演算される。

【００２８】この目標加工点Ｈは、溶接トーチＴのｘ座
標と同一の座標を有する加工経路上の点であり、加工誤
差がなければ、この目標加工点Ｈは、溶接トーチＴの軸
線上の点でセンサ座標系での座標（−Δ_x,０，０）とな
るはずである。即ち、加工経路上の目標加工点Ｈが溶接
トーチＴにより加工されている。従って、目標加工点Ｈ
の座標（Ｈ_x,Ｈ_y,Ｈ_z) の座標（−Δ_x,０，０）に対す
る偏差は、位置決め偏差となる。よって、ステップ214
において、位置決め誤差Ｅが図１５の(25)式により演算
される。

【００２９】次に、ステップ216 において、ステップ20
6 において演算されたフランジ中心の位置行列Ｆから各
軸の角度が演算される。次に、ステップ218 において、
ステップ214 で演算された位置決め偏差（Δ_y，Δ_z）
だけｙ軸テーブル５２とｚ軸テーブル５１が移動され
る。又、ステップ216 で演算された各軸の角度に基づい
て、各サーボモータが駆動されて各軸の角度が制御され
る。これにより、溶接トーチＴの軸線は加工経路Ａ上に
存在することになり、正確な加工が行われる。

【００３０】次に、ステップ220 において、今回の検出
点座標（Ｎ_x,Ｎ_y,Ｎ_z) は、センサ座標系の平行移動に
より、位置決め誤差Ｅだけ補正されて、前補正検出点座
標（Ｌ_x,Ｌ_y,Ｌ_z) として記憶される。次に、ステップ
222 において、２つの教示点間の全補間演算が完了した
か否かが判定され、完了していなければ、ステップ204
に戻り、次の補間点におけるフランジ中心の位置行列の
演算及び位置偏差の補正が行われ、その値に基づいて位
置決め制御が行われる。又、全補間点の演算が完了した
場合には、ステップ224 に移行して、全教示点の読み取
り及び位置決め制御が完了した否かが判定され、位置決
め制御が完了していなければ、ステップ200 に移行し
て、上述したように、次の教示点に対する補間演算及び
位置決め制御が実行される。又、ステップ222 におい
て、全教示点に対する処理が完了した場合には、加工の
ための位置決め制御が完了したことになり、本プログラ
ムは終了する。

【００３１】このように、本発明では、加工時におい
て、教示時の経路が正確に補正されることになるので、
加工精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例装置で駆動されるロボットの構成及び工
具との位置関係を示した説明図。

【図２】本実施例装置にかかる工具保持装置の構成図。

【図３】溶接トーチと変位センサとの位置関係を示した
説明図。

【図４】実施例装置の電気的構成を示したブロックダイ
ヤグラム。

【図５】加工経路の教示動作時における同実施例装置で
使用されたＣＰＵの処理手順を示したフローチャート。

【図６】位置決め制御時のＣＰＵの処理手順を示したフ
ローチャート。

【図７】図６に続く位置決め制御時のＣＰＵの処理手順
を示したフローチャート。

【図８】加工経路の偏差の演算の方法を説明した説明
図。

【図９】教示点Ａにおける工具の先端とロボットのハン
ドのフランジ中心と挾持された工作物との関係を示した
説明図。

【図１０】教示点Ｂにおける工具の先端とロボットのハ
ンドのフランジ中心と挾持された工作物との関係を示し
た説明図。

【図１１】工具の先端及びロボットのハンドのフランジ
中心の位置関係等を示した説明図。

【図１２】数式を示した説明図。

【図１３】数式を示した説明図。

【図１４】数式を示した説明図。

【図１５】数式を示した説明図。

【符号の説明】

１０…ロボット本体１８…ハンド２０…中央処理装置２５…メモリＴ…工具（溶接トーチ）Ｓ…変位センサＷ…工作物ステップ208 〜220 …制御手段

フロントページの続き (72)発明者稲田隆次愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地豊田工機株式会社内 (72)発明者山田修愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地豊田工機株式会社内 (72)発明者岸友三愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボットに工作物を挾持させ、教示デー
タに従って前記ロボットの位置及び姿勢を制御して工作
物の加工を行うロボット制御装置において、工具の位置を変動可能に保持する工具保持装置と、前記工具の前記工作物上の加工経路における前記工具に
よる加工点よりも前進した位置で固定されるとともに、
前記工具に対して一定の相対的位置において前記工具保
持装置に配設され，前記加工経路上に存在する検出点の
座標を検出するセンサと、前記センサにより検出された前記座標に応じて、前記加
工点が前記加工経路上に存在するように前記工具保持装
置を制御する制御手段とを有することを特徴とするロボ
ット制御装置。