JPH0784632A

JPH0784632A - ロボットの位置と姿勢の教示方法

Info

Publication number: JPH0784632A
Application number: JP18733593A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Shiba; 好美柴; Tooru Kurenuma; 榑沼　　透
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】ロボットの直接教示方法において、位置変化
と姿勢変化の管理を厳密に行って位置変化と姿勢変化が
相互に影響するのを排除し、位置および姿勢の教示を正
確に行えるようにした。【構成】アーム２の先部に力センサ４を介して手先効
果器５を備え、手先効果器の位置と姿勢を任意にとるこ
とが可能な多自由度作業ロボット１であり、教示作業者
が手先効果器を移動させ力センサに力を加えるとき、力
センサの出力信号に基づき力制御に従って手先効果器を
誘導して教示作業を行なう時、位置の変化を計測して位
置と姿勢のデータを入力し自動的に記憶するモードと、
姿勢の変化を計測して位置と姿勢のデータを入力し自動
的に記憶するモードのうちいずれか１つが設定可能であ
り、２つのモードのいずれか１つを設定しかつ設定され
たモードに対応する教示間隔を設定し、教示間隔を基準
にして教示データを入力して自動的に記憶する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロボットの位置と姿勢の
教示方法に関し、特に、ティーチングプレイバック式の
多自由度作業機械であって手先効果器について任意の位
置と姿勢をとることが可能な当該多自由度作業機械の直
接教示作業において作業能率を高めたロボットの位置と
姿勢の教示方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ティーチングプレイバック式の多自由度
作業機械（一般的に産業用ロボットとして以下「ロボッ
ト」という）であって手先効果器に関し任意の位置と姿
勢をとることが可能な当該ロボットにおいて、当該位置
と姿勢を直接に教示する方法として、従来、特開平３−
１２３９０８号に開示された教示方法が存在する。この
教示方法は、いわゆるダイレクトティーチと呼ばれるも
ので、教示作業者が手先効果器（作業工具を含む）を直
接的に操作することにより、手先効果器を設けたアーム
を含むロボット本体の姿勢および手先効果器の位置と姿
勢を変化させるとき、手先効果器の位置と姿勢に関する
教示データを自動的にロボット制御装置に入力しその記
憶部に記憶する方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ロボットの教示作業に
おいて、従来の教示方法では一般的に位置の教示と姿勢
の教示とが明確に区別されていなかった。そのために、
例えば設定された教示間隔で位置の教示を行っている最
中に何かの原因で手先効果器の姿勢について予め定めら
れた姿勢から変化が生じると、必要のない位置に関して
その位置データの教示を行ってしまうという不具合が発
生する。すなわち、ロボット本体と手先効果器の姿勢が
望ましい状態に正確に保持されていないと、位置データ
の教示に関して、姿勢の変化の影響を受け、その結果予
め設定した教示間隔の教示点ではなく、他の点の位置デ
ータを記憶してしまうという不具合が生じてしまうので
ある。かかる意味において、従来のロボット制御装置の
構成に基づく位置と姿勢の直接教示方法は、位置の教示
と姿勢の教示が独立して厳密に管理された状態にはな
く、厳密に位置または姿勢を教示しようとする場合に
は、わずかな操作ミスが発生しても位置と姿勢が互いに
影響を及ぼし、不正確な教示を行ってしまうという不具
合を有していた。

【０００４】本発明の目的は、ロボット本体の姿勢およ
び手先効果器の位置と姿勢を教示作業者が変化させて位
置データと姿勢データを自動的に入力することにより直
接に教示する方法において、位置変化と姿勢変化の管理
を厳密に行って位置変化と姿勢変化が相互に影響するの
を排除し、位置の教示および姿勢の教示を正確に行える
ようにしたロボットの位置と姿勢の教示方法を提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るロボットの
位置と姿勢の教示方法は、アーム先部に力センサを介し
て手先効果器を備え、手先効果器の位置と姿勢を任意に
とることが可能な多自由度ロボットであり、教示作業者
が手先効果器を移動させ力センサに力を加えるとき、力
センサの出力信号に基づき力制御に従って手先効果器を
誘導して教示作業を行い、位置と姿勢を計測して各デー
タを自動的に記憶するロボットの位置と姿勢の教示方法
において、位置の変化を計測して位置データと姿勢デー
タを入力し自動的に記憶する第１モードと、姿勢の変化
を計測して位置データと姿勢データを入力し自動的に記
憶する第２モードのうちいずれか１つが設定可能であ
り、２つのモードのいずれか１つを設定しかつ設定され
たモードに対応する教示間隔を設定し、教示間隔を基準
にして教示データを入力して自動的に記憶するものであ
る。

【０００６】前記の方法において、好ましくは、さらに
位置の変化と姿勢の変化を計測して位置データと姿勢デ
ータを入力し自動的に記憶する第３モードが設定可能で
あり、３つのモードのいずれか１つを設定しかつ設定さ
れたモードに対応する教示間隔を設定し、教示間隔を基
準にして教示データを入力して自動的に記憶することを
特徴とする。

【０００７】前記の方法において、好ましくは、複数の
モードのいずれか１つを任意に切換えられることを特徴
とする。

【０００８】前記の方法において、好ましくは、第３モ
ードの設定では併せて姿勢係数が設定され、この姿勢係
数に基づき位置の変化と姿勢の変化が合計されて計測さ
れ、この合計値と設定された教示間隔が比較されること
を特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明では、ティーチングプレイバック式の多
自由度作業ロボットおける位置と姿勢に関するダイレク
トティーチによる教示方法において、位置変化と姿勢変
化の管理を厳密に行い、位置の教示または姿勢の教示に
おいて両者が互いに影響を及ぼさないようにし、設定さ
れた教示間隔に基づき教示点の教示データを正確に入力
し自動的に記憶する。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１１】図１において、１はロボット本体で、複数
の関節部を有するアーム２が支持基台１ａに取り付けら
れ、アーム２の各関節部の可動作用によりアーム２の手
先部は所要の位置に移動すると共にアーム全体は所要の
姿勢に変化する。アーム２の先部に位置するリスト部３
に６軸の力センサ４が取り付けられ、さらに力センサ４
の先にはワーク６に対して仕事（作業）を行う手先効果
器（具体的には各種作業工具）が取り付けられる。力作
業を行う場合、通常、手先効果器はグラインダおよび砥
石からなる。

【００１２】７はコントローラであり、このコントロー
ラ７内にはコンピュータ等で構成される制御手段が含ま
れ、予め定められた力制御のための演算式を用いてかつ
所定の手順でロボット本体１に対して力制御を実行する
機能を有している。コントローラ７は、ロボットに対し
て動作を指令するための指令信号Ｓ１を与えるためと共
に、力センサ４から力センサに加わる力（モーメントを
含む）に関する検出信号、すなわち力信号Ｓ２を取り込
むように電気的に接続される。

【００１３】８は、教示を行う作業者が所持するティー
チングボックスであり、テンキーおよび各種の指令をコ
ントローラ７に与えることのできる複数の操作スイッチ
を備えている。図１では、本発明に関連する要素とし
て、教示間隔を設定するための教示間隔設定スイッチ
９、入力方式を選択する入力方式選択スイッチ１０、姿
勢係数を設定する姿勢係数設定スイッチ１１、直接教示
を有効または無効にするための教示スイッチ１９が示さ
れている。ティーチングボックス８はコントローラ７に
接続され、作業者の操作でティーチングボックス８に入
力されたデータは、コントローラ７に転送される。

【００１４】次にコントローラ７の内部構成について詳
述する。本発明に係る教示方法は、コントローラ７内に
設けられる教示手段によって実施される。コントローラ
７において、機能手段として、まず力検出部１２、力成
分座標変換部１３、力制御演算部１４、座標変換部１５
が設けられる。これらの機能手段は、教示作業者がロボ
ット本体１の手先効果器５に対し教示の目的で力を加え
た場合に、力センサ４で力を検出し、この加えられた力
の方向へロボット本体１の手先効果器５を動作させるた
めの制御装置の構成である。すなわち、ロボット本体１
のリスト部３に設けられた力センサ４で加わった力は、
コントローラ７内の力検出部１２で検出され、それから
出力される力信号は、力成分座標変換部１３でロボット
本体１のリスト部３に設定されたハンド座標系またはロ
ボット本体１を基準としたベース座標系における直交３
軸方向についての軸方向の力と軸回りのモーメントに変
換される。求められた力とモーメントに基づいて力制御
演算部１４で直交座標系の速度指令値を各軸方向につい
て演算し生成する。こうして得られた速度指令値は座標
変換部１５でロボット本体１の各関節部のモータの速度
指令値に変換され、各モータが駆動される。

【００１５】さらに、コントローラ７内には位置検出部
１６と教示データ記憶部１７と移動間隔演算部１８が設
けられる。位置検出部１６はロボット本体１の各関節部
に配設された図示しない位置センサからの出力信号Ｓ３
を入力し、移動間隔演算部１８に対して、実際の移動動
作に関する現在位置のデータ（位置データおよび／また
は姿勢データ）を出力する。移動間隔演算部１８では、
前述したティーチングボックス８内の教示間隔設定スイ
ッチ９、入力方式選択スイッチ１０、姿勢係数設定スイ
ッチ１１、教示スイッチ１９のそれぞれまたはいずれか
から与えられる各設定データに基づいて、現在位置のデ
ータが自動入力を行う条件（位置データおよび／または
姿勢データの取込みに関して設定された教示間隔）を満
たしているか否かを判定し、当該条件を満たしている場
合には、移動間隔演算部１８は教示データ記憶部１７に
対し位置データと姿勢データを記憶するように指令を出
力する。教示データ記憶部１７は、移動間隔演算部１８
から記憶指令を受けると、位置検出部１６より位置デー
タと姿勢データを受取り、これを記憶する。

【００１６】移動間隔演算部１８とティーチングボック
ス８に設けられた各スイッチとによって実現される本発
明に係る教示方法に関する処理の流れを図２と図３を参
照して説明する。

【００１７】教示プログラムが実行されると、図２と図
３の各フローチャートに従って各ステップが行われる。
最初のステップ３１では、教示作業者がティーチングボ
ックス８を操作することによって、教示間隔設定スイッ
チ９により教示間隔［Ｌte］が、入力方式選択スイッチ
１０より入力方式が、姿勢係数設定スイッチ１１より姿
勢係数［Ｋpo］が、それぞれ任意に設定される。入力方
式としては、位置データと姿勢データの入力判断基準の
方式として３種類が用意され、第１は「位置のみ」の変
化で判断するモード、第２は「姿勢のみ」の変化で判断
するモード、第３は「位置と姿勢」の変化で判断するモ
ードである。入力方式選択スイッチ１０によって第１か
ら第３のモードのいずれか１つのモードが入力方式とし
て選択される。

【００１８】実際的には、教示間隔設定スイッチ９によ
る教示間隔［Ｌte］の設定、および姿勢係数設定スイッ
チ１１よる姿勢係数［Ｋpo］の設定は、入力方式選択ス
イッチ１０よって設定される入力方式に対応して決ま
る。すなわち、「位置のみ」のモードが設定される場合
には、教示間隔［Ｌte］は位置と姿勢の教示データを取
り込むための位置の変化に関する間隔であり、また姿勢
係数［Ｋpo］の設定は行われない。「姿勢のみ」のモー
ドが設定される場合には、教示間隔［Ｌte］は位置と姿
勢の教示データを取り込むための姿勢の変化に関する間
隔であり、また後で示される計算式で明らかなように姿
勢係数［Ｋpo］の設定は行われない。「位置と姿勢」の
モードが設定される場合には、教示間隔［Ｌte］は位置
と姿勢の教示データを取り込むための位置と姿勢の変化
に関する間隔であり、また姿勢係数［Ｋpo］が任意の値
に設定される。

【００１９】次のステップ３２では教示作業を終了すべ
きか否かが判定される。終了すべきでないときにはステ
ップ３３に移行し、教示スイッチ１９の状態を判断す
る。終了すべきときには教示プログラムは終了する。ス
テップ３３で、教示スイッチ１９が教示作業者によって
オン状態に保持されるときには、教示動作が継続され、
ステップ３４でアーム手先部の手先効果器５の現在位置
に関するデータを位置検出部１６で取り込んで、記憶す
る。この記憶では、最初の現在位置に関するデータであ
るので、無条件に教示データ記憶部１７に記憶される。
次のステップ３５では、記憶した現在位置に関するデー
タを基準位置に関するデータとしてセットする。この基
準位置データは、ロボット本体１における手先効果器５
の次の移動動作（ステップ３６）において、入力方式に
応じた移動距離を演算する（ステップ３７）ときに始点
位置として使用されるものである。このことは後で説明
する３つの計算式（数１），（数２），（数３）で明ら
かにされる。なお、ここで、「移動距離」は位置変化ま
たは姿勢変化を含む「変化分」という広い概念を意味す
る。ステップ３６での移動は、教示作業者により手先効
果器５を直接移動させることより行われる。ステップ３
７における入力方式に応じた移動距離の演算では、所定
のサイクルごとに移動中の手先効果器５の位置に関する
データを位置検出部１６を介して移動間隔演算部１８に
取り込んで、図３示されるごとく、基準位置に関するデ
ータと取り込んだ位置に関するデータとを用いてかつ設
定された入力方式に応じた計算式を用いて２つのデータ
の差を変化分として計算する。

【００２０】図３を参照して、ステップ３７の内容を詳
述する。ステップ５１では入力方式が「位置のみ」のモ
ードであるか否かが判定される。「位置のみ」のモード
である場合には、ステップ５２で（数１）の計算式を用
いて位置変化の計算が行われる。

【００２１】

【数１】

【００２２】（数１）において、Ｘo ，Ｙo ，Ｚo はそ
れぞれ基準位置に関するＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の座標値
であり、また同様にＸc ，Ｙc ，Ｚc はそれぞれ現在位
置に関するＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の座標値である。以
下、同じである。

【００２３】判断ステップ５３では、設定された教示間
隔Ｌteとステップ５２で計算された位置変化Ｌimとを比
較し、Ｌim≧Ｌteの条件が満たされたときには教示フラ
グをＯＮにし（ステップ５４）、当該条件が満たされな
いときには教示フラグをＯＦＦにする（ステップ５
５）。

【００２４】判断ステップ５１において、「位置のみ」
のモードでない場合にはステップ５６で「姿勢のみ」の
モードであるか否かが判定される。「姿勢のみ」のモー
ドである場合には、ステップ５７で（数２）の計算式を
用いて姿勢変化の計算が行われる。

【００２５】

【数２】

【００２６】（数２）において、θ4o，θ5o，θ6oはそ
れぞれ図４に示したロボット本体１における各軸回りθ
4 ，θ5 ，θ6 の値である。θ4c，θ5c，θ6cは、同様
に図４に示したロボット本体１における各軸回りθ4 ，
θ5 ，θ6 の値である。またＶ4 ，Ｖ5 ，Ｖ6 は、それ
ぞれθ4 ，θ5 ，θ6 の角度−距離変換定数であり、
〔ロボットの最大直線速度〕／〔その軸の最大角速度〕
で与えられる。本実施例では１．０の値を用いている。

【００２７】ステップ５６において「姿勢のみ」のモー
ドでない場合には、ステップ５８で（数３）の計算式を
用いて位置と姿勢の各変化の計算が行われる。

【００２８】

【数３】

【００２９】（数３）において、Ｋpoはステップ３１で
設定された姿勢係数であって、この値を任意に設定する
ことにより感応度を調整することができる。

【００３０】ステップ５７またはステップ５８で計算さ
れた姿勢変化または位置および姿勢変化の変化分Ｌim
は、前述した通り、入力方式に応じた教示間隔Ｌteと比
較され、ステップ５４またはステップ５５が実行され
る。

【００３１】上記のごとくしてステップ３７が完了する
と、ステップ３８に移る。ステップ３８では、再び教示
スイッチ１９がオン状態であるか否かを判定して、オン
状態であるときにはステップ３９で教示フラグがＯＮで
あるかＯＦＦであるかが判定される。教示フラグがＯＦ
Ｆであるときにはステップ３６，３７，３８が繰り返し
実行される。教示フラグがＯＮであるときにはステップ
３４に移って検出した現在位置に関するデータを教示デ
ータ記憶部１７に記憶すると共に、ステップ３５で基準
位置を更新して前述と同様にステップ３６〜３９を繰り
返す。またステップ３８で教示スイッチ１９がオフ状態
であるときには、位置検出部１６を介して取込んだロボ
ット本体１に関する現在位置を教示データとして教示デ
ータ記憶部１７に記憶する（ステップ４０）。その後
は、移動のステップ４１を実行し、教示作業の判定ステ
ップ３２に戻り、ステップ３２教示作業が終了したと判
定されれば、教示作業は終了する。なおステップ３３
で、条件が満たされないときにもステップ４１に移行す
る。以上の手順によって本発明に係る教示方法が実行さ
れる。

【００３２】次に上記の手順に従って行われる本発明に
係る教示方法に関し、例えば図５に示される凸部６ａの
表面輪郭を有する形状のワーク６に対して手先効果器５
を矢印Ａの方へ移動させて教示を行う場合の実際的な例
について説明する。

【００３３】図６に示す例は「位置のみ」の変化で判断
するときのモードで、教示間隔Ｌteを１０mmに設定して
直接教示を行い、その時に得られる位置データと姿勢デ
ータを自動入力する例である。この「位置のみ」のモー
ドによれば、設定された教示間隔１０mmで正確に教示点
Ｐ１〜Ｐ７の位置データが自動的に取り込まれ、それと
同地点での姿勢データも取り込まれ、教示データ記憶部
１７に記憶される。この教示作業においては、凸部６ａ
における手先効果器５の姿勢が変化する領域で、姿勢の
変化の影響を受けることなく、姿勢の変化と無関係に設
定された一定の教示間隔（１０mm）で位置と姿勢に関す
る教示データが自動的に入力される。教示点Ｐ３とＰ４
の間およびＰ４とＰ５の間において、破線によって手先
効果器の位置が示されているが、このような位置では設
定された教示間隔の条件が満たされないので、自動入力
されることはない。なおこの場合において移動距離（変
化分）Ｌimは（数１）の計算式で示されるようにＸ，
Ｙ，Ｚの合計となる。

【００３４】図７に示す例は「姿勢のみ」の変化で判断
するときのモードで、教示間隔Ｌteを１０mm（ただし、
姿勢変化に換算すると１０°となる）に設定して直接教
示を行い、その時に得られる位置データと姿勢データを
自動入力する例である。この「姿勢のみ」のモードによ
れば、設定された教示間隔１０mmすなわち教示角度間隔
１０°で正確に教示凸部６ａにおける点Ｐ１〜Ｐ５の位
置データと姿勢データが自動的に取り込まれ、教示デー
タ記憶部１７に記憶される。この教示作業においては、
平坦部における手先効果器５の位置が変化する領域で、
位置の変化の影響を受けることなく、位置の変化と無関
係に設定された一定の教示間隔（１０°）で姿勢のみに
関する教示データが自動的に入力される。平坦部におい
て、破線によって手先効果器の位置が示されているが、
このような場所では設定された教示間隔の条件が満たさ
れないので、姿勢に関してデータが自動入力されること
はない。なおこの場合において移動距離（変化分）Ｌim
は（数２）の計算式で示されるようにθ4 ，θ5 ，θ6
の合計となる。

【００３５】図８に示す例は、「位置と姿勢」の変化で
判断するときのモードで、教示間隔Ｌteを１０mm、姿勢
係数Ｋpoを０．５と設定して直接教示を行い、その時に
得られる位置データと姿勢データを自動入力する例であ
る。この「位置と姿勢」のモードによれば、設定された
教示間隔１０mmで正確に教示点Ｐ１〜Ｐ９において位置
データと姿勢データが自動的に取り込まれ、教示データ
記憶部１７に記憶される。この場合において、位置変化
と姿勢変化との合計で記憶されていく。すなわち教示点
Ｐ３〜Ｐ７では姿勢の教示間隔が１０°であるが、姿勢
係数が０．５であるので位置の教示間隔５mmとして換算
して教示条件を満たすようにしている。この教示作業に
おいては、平坦部では位置の教示間隔で、凸部６ａにお
ける手先効果器５の姿勢が変化する領域では換算された
教示間隔で、それぞれ位置と姿勢の各教示データが自動
的に入力される。この場合において、移動距離（変化
分）Ｌimは（数３）の計算式で示されるように、Ｘ，
Ｙ，Ｚ，θ4 ，θ5 ，θ6 の合計となる。

【００３６】なお、位置と姿勢を計測し（数３）の計算
式に基づいて移動距離を演算する実施例では、上記の姿
勢係数を適当に調整する構成とし、例えば姿勢係数を０
にすることにより位置のみを教示するモードを実現する
ことが可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、力制御による多自由度作業ロボットの直接教示作
業において、入力方式として少なくとも位置のみの変化
によるの教示モード、姿勢のみの変化による教示モード
のいずれかを択一的に設定して、かつそれぞれで設定さ
れた教示間隔を用いてそれぞれの教示を行うようにした
ため、教示中に作業者が意思に反した動作を行っても不
必要な点の教示を行うことがなく、目的とする位置また
は姿勢の教示データを正確に得ることができる。また位
置と姿勢の変化による教示モードも可能とし、さらに姿
勢係数を利用して正確な教示間隔での教示データの記憶
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る教示方法が適用されるロボットシ
ステムの構成図である。

【図２】本発明に係る教示方法を示すフローチャートで
ある。

【図３】移動距離の演算内容を示すフローチャートであ
る。

【図４】ロボット本体の機構部を示す模式図である。

【図５】教示作業の動作状態を示す模式図である。

【図６】位置のみのモードの教示作業の動作状態を示す
模式図である。

【図７】姿勢のみのモードの教示作業の動作状態を示す
模式図である。

【図８】位置と姿勢のモードの教示作業の動作状態を示
す模式図である。

【符号の説明】

１ロボット本体２アーム３リスト部４力センサ５手先効果器６ワーク７コントローラ８ティーチングボックス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アーム先部に力センサを介して手先効果
器を備え、前記手先効果器の位置と姿勢を任意にとるこ
とが可能な多自由度ロボットであり、教示作業者が前記
手先効果器を移動させ前記力センサに力を加えるとき、
前記力センサの出力信号に基づき力制御に従って前記手
先効果器を誘導して教示作業を行い、位置と姿勢を計測
して各データを自動的に記憶するロボットの位置と姿勢
の教示方法において、位置の変化を計測して位置データと姿勢データを入力し
自動的に記憶する第１モードと、姿勢の変化を計測して
位置データと姿勢データを入力し自動的に記憶する第２
モードのうちいずれか１つが設定可能であり、前記２つ
のモードのいずれか１つを設定しかつ設定されたモード
に対応する教示間隔を設定し、前記教示間隔を基準にし
て教示データを入力して自動的に記憶することを特徴と
するロボットの位置と姿勢の教示方法。
【請求項２】請求項１記載のロボットの位置と姿勢の
教示方法において、さらに位置の変化と姿勢の変化を計
測して位置データと姿勢データを入力し自動的に記憶す
る第３モードが設定可能であり、前記３つのモードのい
ずれか１つを設定しかつ設定されたモードに対応する教
示間隔を設定し、前記教示間隔を基準にして教示データ
を入力して自動的に記憶することを特徴とするロボット
の位置と姿勢の教示方法。
【請求項３】請求項１または２記載のロボットの位置
と姿勢の教示方法において、前記複数のモードのいずれ
か１つを任意に切換えられることを特徴とするロボット
の位置と姿勢の教示方法。
【請求項４】請求項２記載のロボットの位置と姿勢の
教示方法において、前記第３モードの設定では併せて姿
勢係数が設定され、この姿勢係数に基づき位置の変化と
姿勢の変化が合計されて計測され、この合計値と設定さ
れた前記教示間隔が比較されることを特徴とするロボッ
トの位置と姿勢の教示方法。