JPH079603B2

JPH079603B2 - ロボットの倣い制御装置

Info

Publication number: JPH079603B2
Application number: JP62194638A
Authority: JP
Inventors: 栄一稲田; 正間野; 正雄塩月; 昇遠藤; 耕一岩田; 浩司井倉; 常悦高橋; 友文根本
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1987-08-04
Filing date: 1987-08-04
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPS6437604A

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野本発明は、ロボットの制御装置に係り、特に三次元的空
間形状を有するワークの表面に沿ってロボットの手先部
の位置および姿勢を変えることを可能にしたロボットの
制御装置に関する。

B.発明の概要本発明は、被加工物の教示点へロボットの加工ヘッド部
を移動させて前記教示点に対して前記手先ヘッド部を動
作させる装置において、前記加工ヘッド部近傍にワーク表面までの高さおよびこ
の表面の傾斜角度を計測する一次元距離センサを取り付
け、ワーク表面と加工ヘッドとの距離と姿勢を自動計測
すると共に、ヘッドの距離および姿勢角を所望の値に自
動制御し、加工始点と終点の２点の予めプログラム可能
な位置，姿勢を登録すると、その間の軌跡を自動生成
し、予め設定したプログラム可能なピッチ毎にヘッド部
を移動させ、ヘッド部と前記被加工物上の基準点との距
離および姿勢角となるように自動計測および姿勢補正動
作を繰り返させることにより、自動的にワークの溶接，研摩又はシーリング等の倣い作
業軌跡を生成するようにしたものである。

C.従来の技術例えば材料の研摩，溶断，溶接等の加工又は解体工程に
設置されたロボットや遠隔操作のマニピュレータにおい
ては、実際に稼動させる前に、ロボットやマニピュレー
タ等に対して加工ヘッドの移動順序および動作順序を三
次元的な被加工物の形状に即して計測する必要がある。
加工ヘッドの三次元動作軌跡を決定する装置を三次元倣
い装置とも呼んでいるが、例えばプラズマ溶断用ロボッ
トにおいては、加工ヘッドの近傍位置に磁気センサを設
置して鉄板等の被破断材としてのワークに生じた渦電流
の大きさを検出して、その電流値によって加工ヘッドと
ワーク表面との距離を算出していた。したがって、実際
のティーチング作業は、作業者がティーチングペンダン
トを操作しながら、目視で加工ヘッドをワーク表面の所
望の教示点へ接近させる作業と、やはり目視で加工ヘッ
ドの姿勢角を、教示点における表面に対して直角になる
ように加工ヘッドの姿勢を合わせる作業と、前述のセン
サでもって加工ヘッドとワーク表面上の教示点との間に
距離を一定値に設定する作業との三つの作業を施行錯誤
で実施する必要があった。

しかし、上記のように作業者が各教示点毎に目視で三つ
の作業からなるティーチング作業を実施すると、各教示
点間において加工ヘッドまでの距離や加工ヘッドの姿勢
角等の設定値にばらつきが生じるという問題点があっ
た。その結果、ワークの切断面が不揃いになったり、一
部切断できない場所が生じたりする欠点となった。

D.発明が解決しようとする問題点上述の問題点を回避するために前述のティーチング作業
を丁寧かつ正確に実施すると、ティーチング作業時間が
増大し、ロボットが実際に切断作業を実行している時間
の割合を示す加工ヘッド稼動率が低下する問題があっ
た。さらに、ロボット操作に熟達した作業者を必要とし
た。

上記問題に対処するため、熟達した作業者を必要とせ
ず、しかも短時間にロボットのヘッドを所望の教示点へ
移動させる動作と、移動後のヘッドワーク表面に対する
姿勢角を一定に制御する作業を、ヘッドワーク表面との
間の距離を一定に制御する作業とを自動的にロボットに
ティーチングでき、ロボットに対するティーチング作業
を正確かつ能率的に実施でき、ロボットの稼動率を大幅
に向上できる二次元位置計測を主体としたロボットの三
次元ティーチング装置が特開昭61−100808号公報および
特開昭61−100809号公報に紹介されている。

しかしながら、上記各公開特許公報の方法では、３箇以
上のセンサを必ず必要とし、ワーク表面の端部，突起，
おう部等にこれらのセンサが一つでも遭遇すると、位置
補正計算，姿勢補正計算ができなくなるという欠点があ
った。また、補正計算が二次元データを元にした近似計
算であるので、求めた補正値に誤差が多いという問題点
もあった。さらにまた、カメラの光軸に対するセンサの
取付角αを固定しているので、平坦な所では粗く計測
し、おう突角部では細かく計測したい場合にも簡単に対
応できないという欠点があった。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目
的はロボットの教示作業を、人手を要することなく自動
的に遂行可能にして、高信頼性のロボットの倣い制御装
置を提供することである。

E.問題点を解決するための手段本発明は、上記目的を達成するために、被加工物上の教
示点へロボットの手先ヘッド部を移動させて前記教示点
に対して前記手先ヘッド部に設けた加圧部を動作させる
制御装置において、前記手先ヘッド部に配設され前記被
加工物の加工表面の高さ位置を検出して高さ位置信号と
姿勢角信号を出力する一次元距離検出部と、複数のプロ
グラム可能な局所変位距離および姿勢角を登録して前記
手先ヘッド部を局所移動させる局所移動手段と、前記一
次元距離検出部の高さ位置信号および姿勢角信号をもと
に前記手先ヘッド部の倣い方向の局所変位と該倣い方向
に対する左右方向の局所変位を算出し、これらの算出さ
れた局所変位をもとに前記ロボットの手先ヘッド部を制
御する演算制御部からなり、前記演算制御部を、前記被
加工物の加工始点と加工終点間を予め設定したプログラ
ム可能なピッチ間隔に従って分割し、これらの各分割基
準点において前記局所移動手段により指定した各局所変
位位置において前記検出部の出力を計測する計測手段
と、前記手先ヘッド部と前記被加工物上の基準点との距
離および姿勢角を補正する補正手段と、前記加工始点と
加工終点間の倣い軌跡を自動生成する手段によって構成
したことを特徴とする。

F.作用被加工物上の始点と終点をティーチングする手段を備
え、被加工物であるワーク上の基準点にヘッドを移動さ
せてこの基準点に対して前記ヘッド位置およびその姿勢
を自動動作させるロボット制御装置において、前記ヘッ
ド近傍に一次元距離センサを設置し、このセンサにより
前記ワーク上の基準位置の近傍で前後および左右方向に
微少変位させて、前記センサとワーク間の三次元的な位
置および姿勢を自動計測すると共に、前記始点および終
点間を、予め設定したプログラム可変なピッチ間隔に従
って分割し、これらの各分割基準点において前記ワーク
の局所表面形状を自動計測し、これらの計測データから
前記センサとワーク間の相対位置および姿勢角が所望の
値となるように自動補正して、前記始点と終点間の形状
倣い軌跡を自動生成する。

この場合、被加工物の加工面に対して加工部を垂直かつ
一定とし、形状は一次元センサによって加工面の形状は
三次元情報として検出され、この検出信号に基づいて加
工面の形状がわかり、それに対する加工部の位置と姿勢
を決定することが出来、予め設定した一定のピッチ毎に
ヘッド部を移動させて、人手を要することなく、倣い作
業軌跡を自動生成する。

G.実施例以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。第９図
は本発明を適用するロボットを示す。このロボット本体
１は操作駆動部2,この操作駆動部２に連設されたリンク
部3,このリンク部３のリンク6aにより、操作駆動部２に
連結されたアーム４およびアーム４に連結された手先部
５からなり、さらにロボット本体１はリンク部３のリン
ク6aは操作駆動部２に回動可能に連結された第１回動軸
7aと、リンク6bを操作駆動部２に回動可能に連結する第
２回動軸7bと、リンク6bとアーム４を回動可能に連結す
る第３回動軸7cと、アーム４を回動可能に連結する第４
回動軸7dと、手先部５をアーム４に回動自在に連結する
第５回動軸7e及び回転可能に連結する第６回動軸7fを備
えている。８は手先部５に取り付けたプラズマトーチ、
９は加工台10に配設された被加工物たるワークである。

第１図は本発明の実施例に係るロボット制御装置のブロ
ック図であって、11は制御部で、信号変換回路12,演算
処理部（CPU）13,ドライバ回路14によって構成されてい
る。制御部11の信号変換回路12はセンサ15の検出信号S₁
を識別してディジタル化した識別信号S₂を出力する。演
算処理部13はマイクロコンピュータ等からなり、識別信
号S₂とロボット本体１の情報信号S₃を入力としこれらを
もとに演算処理する。

ドライバ回路14は演算処理部13の演算信号S₄をもとに駆
動制御信号S₅を出力する。ロボット本体１は駆動制御信
号S₅にもとづいてセンサ15と加工部16を制御する。

第２図は第１図の制御装置をさらに具体的に示したもの
で、センサ15としてレーザセンサ17を用いると共に、信
号変換回路12としてアナログ・ディジタル変換回路（A/
D変換回路）19を用いたものである。ロボット本体１の
手先部５にはプラズマトーチ８とレーザセンサ17が取り
付けられている。すなわち、レーザセンサ17は直径1mm
φ位のスポット光を照射し、センサとワーク間の距離を
アナログ電圧信号S₁として取り出し、A/D変換回路19を
介してディジタル信号に変換し、センサコントローラ，
ロボットコントローラで使用するようになっている。

本実施例では、プラズマ溶断のアーク作動点とレーザセ
ンサの測長点とは物理的に異なっているが、手首に装着
するハンドパラメータを変更することにより、容易にレ
ーザセンサ測長点へプラズマ溶断のアーク作動点を移動
することができる。第３図は溶断加工ヘッド部の座標系
を示すもので、レーザセンサ17の倣い進行方向をＺ軸方
向，高さ方向をＸ軸方向，進行方向であるＺ軸方向に対
する変位方向をＹ軸方向とする。

倣い動作の前提として、例えば、一例としてプラズマト
ーチ８を溶断表面に対して高さ（Ｘ軸方向）10mm,進行
方向（Ｚ軸方向）およびその横断方向（Ｙ軸方向）に対
する姿勢角が90゜となるようにプラズマトーチ８を設定
する場合を考える。

制御部11のA/D変換器19はレーザセンサ17からの検出信
号（距離信号）S₁と指令部18からの指令信号S₆をディジ
タル信号に変換し、中央処理部（CPU）13に制御指令信
号S₂を入力する。CPU13はロボット本体１とドライバ回
路14に制御信号S₃,S₄を入力する。ロボット本体１はCPU
13からの制御信号S₃とドライバ回路14からの制御信号S₅
に応じて所定の動作を実行すると共に、指令部18からの
指令によってプラズマトーチ８が作動する。

第４図はプラズマトーチ８の局所変位を上から見た図
で、P₀はプラズマトーチ８の基準位置、P₁,P₂はＹ軸方
向の変位、P₃,P₄はＺ軸方向の変位である。第５図は局
所変位と計測データの関係を示し、前後とは教示方向
（Ｚ軸）の変位、左右とは教示方向に対するＹ軸方向の
変位である。第６図は横断方向（Ｙ軸方向）の姿勢Δα
の計測状態を示すものである。また、第７図はプラズマ
トーチ８の進行方向の姿勢Δγの計測状態を示すもので
ある。第４図〜第７図に示すように、プラズマトーチ８
の基準位置（例えば前述した10mmの高さの位置）をP₀,
左右方向（Ｙ軸方向）の変位位置をP₁,P₂,前後方向（Ｚ
軸方向）の変位位置をP₃,P₄とする。P₁〜P₂の（x,y,z）
座標により左右方向（Ｙ軸方向）の傾斜角αを計測す
る。ただし、P₀〜P₄の傾斜角は、ヘッド部５を自動的に
進めた時、ヘッド部５がワーク９に衝突しないように先
読みするために使用している。また、教示したプラズマ
８の現在位置Ｐφでの基準面までの高さ情報はセンサの
出力から直接計測できるので、本方式では高さ方向の距
離制御が可能である。

第４図および第６図によって、横断方向（Ｙ軸方向）の
姿勢Δαの計測について説明する。第４図において、レ
ーザセンサの現在位置をＰφ，姿勢Δαを計測するため
の横断方向（Ｙ軸方向）に微少移動してワーク表面まで
の高さを計測する位置をP₁およびP₂とする。第６図に示
すように検出位置P₀〜P₂を進行方向ヘッド後方から観測
すると、現在位置Ｐφでの基準面までの高さをＸとし、
位置P₁,P₂におけるＸからの変位量をそれぞれΔX₁,ΔX₂
とすると、点P₁〜P₂間の高低差ΔＸおよび点P₁〜P₂間の
横断方向（Ｙ軸方向）長さΔＹはCPU13により次式のよ
うに算出される。

Δα＝ATAN2（ΔY,ΔＸ） ……（１） ΔＸ＝（Ｘ＋ΔX₁）・cosθ−（Ｘ＋ΔX₂）・cosθ ＝（ΔX₁−ΔX₂）・cosθ ……（２） Y₁ ＝（Ｘ＋ΔX₁）・sinθ …（３） Y₂ ＝（Ｘ＋ΔX₂）・sinθ …（４） ΔＹ＝Y₁＋Y₂＋2Y₃ …（６）次に、第４図と第７図に示すように、センサの現在位置
をＰφ，姿勢Δγを計測するためにヘッドを前後方向
（Ｚ軸方向）に微少移動して、ワーク９の表面までの高
さを計測する位置をP₃およびP₄とする。検出位置P₀,P₃
およびP₄をセンサ側面から観測した状態を第７図に示
す。

第７図において、基準位置P₀での基準面までの高さをＸ
とし、位置P₀,P₃,P₄におけるＸからの高さの変位量を、
それのぜΔX₁,ΔX₂,ΔX₃とすると、点P₀〜P₃間の進行方
向高低差X₁,点P₀〜P₄間の進行方向高低差X₂,点P₃〜P₄間
の進行方向高低差X₂−X₁は次式により計測され、これら
の値と進行方向の長さより姿勢Δγ₁,Δγ₂,Δγ_３が計
測できる。

Z₃＝Ｘ・tanθ …（７） Z₁＝Z₁−Z₃ …（８） Z₂＝Z₂−Z₃ …（９） Z₄＝（Ｘ＋ΔX₂）・sinθ …（10） Z₅＝（Ｘ＋ΔX₃）・sinθ …（11） X₁＝（Ｘ＋ΔX₁）−（Ｘ＋ΔX₂）・cosθ …（12）
X₂＝（Ｘ＋ΔX₁）−（Ｘ＋ΔX₃）・cosθ …（13）
∴Δγ_１＝ATAN2（Z₁＋Z₄,X₁） …（14） Δγ_２＝ATAN2（Z₂＋Z₃−Z₄＋Z₅,X₂−X₁）…（15）
Δγ_３＝ATAN2（Z₁＋Z₂＋Z₃＋Z₅,X₂）…（16）
制御部11のCPU13は上述の式（１）〜（16）を演算処理
し、第４図に示すような局所変位を繰り返しながら、第
８図に示すフローに従って自動倣い動作を行う。第10図
に示すような曲折形状を倣う場合を一例として説明する
と、図示しないジョイスティック等によりロボットの手
先部５のヘッド部を始点Ａおよび終点Ｅへそれぞれ誘導
し、これらの位置および姿勢をティーチングする（第８
図のステップQ₁）。次に、この始点Ａから終点Ｅまでの
距離Ｌを計算し、予め設定したピッチ（例えばΔＬ＝5m
m）で割り算し、おおよその分割数Ｎを算出する（ステ
ップQ₂）。

続いて、センサ，コントローラからロボットコントロー
ラに第４図に示すような局所移動信号を出力し、センサ
と制御部11のCPU13によって次の諸量を計測する。

ステップQ₃に示すように、第４図のＰφの位置にてセン
サとワーク表面間の相対的高さＸ＋ΔＸを計測する。手
先部５のヘッドをP₁およびP₂に移動させ、横断方向（Ｙ
軸方向）の姿勢Δαを計測する。手先部５のヘッドをP₃
およびP₄に移動させ、進行方向（Ｚ軸方向）の姿勢Δγ
を計測する。ステップQ₃の結果より、前方方向が平坦
か，突起部，おう部か，穴部又はギャップ形状であるか
を判断する（ステップQ₄）。具体的な形状判定の一例は
以下の如くである。すなわち、第７図に示すように前方形状は平坦部と判断する。Δγ_２又はΔγ_３＞30゜
の時、前方はおう部と判断し、Δγ_２又はΔγ_３＜−30
゜の時、前方が突部であると判断する。さらに、｜Δγ
₃|＜30゜かつ｜ΔX₃|＜10.0mmかつ｜ΔX₂|＞10.0mmの
時、穴部又はギャップ部と判断する。

かくして、前方方向の形状判断が終了すると、四つの形
状に応じてステップQ₅〜Q₈の如く、ヘッド部を移動せし
め、補正動作を実行する。すなわち、平坦形状の場合合
はステップQ₅でΔX₁,Δα，Δγの位置および姿勢補正
動作を実行し、前方におう部有りの場合はステップQ₆で
ヘッド部位置は変えず、姿勢のみ例えばΔγ＝15゜とし
てヘッド部を前方に傾斜させる。前方の突起部有りの場
合はステップQ₇で、ヘッド位置は変えず、姿勢のみ例え
ばΔγ＝−15゜としててヘッド部を後方にそらす。さら
に、穴部，ギャップ部有りの場合はステップQ₈で、姿勢
データ不変，位置データは前回の高さをそのまま使用
し、進行方向に所定ピッチだけ移動させる。

以上の位置，姿勢動作終了後、その現在位置を自動ティ
ーチングデータ（又は自動倣いデータ）として制御部11
のCPU13における記憶部に格納する（ステップQ₉）。か
くして、１ステップ進めた後、終点に到着したか否かを
判断し（ステップQ₁₀）、未到着の場合には、ステップQ
₃に戻って再びステップQ₃〜Q₉の動作を繰り返す。

なお、以上の動作によりおう部では、姿勢角Δγ_３＜30
゜となるまでヘッド位置を変えず、ツールセンター位置
を中心として前方方向に手先部を前傾させ続け、突起部
ではΔγ_３＞−30゜となるまでヘッド位置を変えず、ツ
ールセンター位置を中心に後方に手先部５をそらせ続け
ることになる。

なお、センサとしては空気マイクロメータ，超音波距離
計，マイクロ波距離計など、一次元の狭い領域を正確に
計測できるものであればよい。

H.発明の効果本発明は以上の如くであって、次の如き利点がある。

（１）センサを手先ヘッド部に一次元センサを１ケ装着
するだけで、ロボット手首を微少変位させることによ
り、手先位置，姿勢を所望の値に自動設定できる。

（２）局所的移動ピッチをプログラムで可変にできるの
で、平らな所は粗く、複雑な形状の所は細かく移動する
ことにより精密な倣い動作が実現できる。

（３）二次元データによる近似計算でなく、三次元デー
タを用いて位置，姿勢の計算を行っているので、補正結
果が正確である。

（４）ロボットのティーチングを遠隔からでも容易にで
きる。

（５）ロボットの稼動率を大幅に向上できる。

（６）不連続な一次微係数を持つ局面でも安定して自動
倣い動作を実現できる。従って、ティーチング時間の短
縮,NCデータをベースに加工ワークの取付誤差を自動的
に補正できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るロボットの倣い制御装置
のブロック結線図、第２図は第１図の装置をより具体的
に示した説明図、第３図はロボットの手先部の座標系
図、第４図はセンサの局所変位をその上側から見た図、
第５図はセンサの局所変位と計測データとの関係図、第
６図はセンサの横断方向の姿勢の計測原理図、第７図は
センサの進行方向の姿勢の計測図、第８図は第１図の装
置の処理フロー図、第９図は本発明を適用するロボット
の正面図、第10図（Ａ）〜（Ｃ）はワーク形状と加工ヘ
ッドの移動状態を示す説明図である。１……ロボット本体、５……手先部、８……プラズマト
ーチ、９……被加工部であるワーク、11……制御部、12
……信号変換回路、13……演算処理部、14……ドライバ
回路、15……センサ、16……加工部、17……レーザセン
サ、19……A/D変換回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者塩月正雄茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 動力炉・核燃料開発事業団大洗工学センター内 (72)発明者遠藤昇茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 動力炉・核燃料開発事業団大洗工学センター内 (72)発明者岩田耕一東京都品川区大崎２丁目１番17号株式会社明電舎内 (72)発明者井倉浩司東京都品川区大崎２丁目１番17号株式会社明電舎内 (72)発明者高橋常悦東京都品川区大崎２丁目１番17号株式会社明電舎内 (72)発明者根本友文東京都品川区大崎２丁目１番17号株式会社明電舎内 (56)参考文献特開昭62−115505（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−125810（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工物上の教示点へロボットの手先ヘッ
ド部を移動させて前記教示点に対して前記手先ヘッド部
に設けた加圧部を動作させる制御装置において、前記手先ヘッド部に配設され前記被加工物の加工表面の
高さ位置を検出して高さ位置信号と姿勢角信号を出力す
る一次元距離検出部と、複数のプログラム可能な局所変位距離および姿勢角を登
録して前記手先ヘッド部を局所移動させる局所移動手段
と、前記一次元距離検出部の高さ位置信号および姿勢角信号
をもとに前記手先ヘッド部の倣い方向の局所変位と該倣
い方向に対する左右方向の局所変位を算出し、これらの
算出された局所変位をもとに前記ロボットの手先ヘッド
部を制御する演算制御部からなり、前記演算制御部を、前記被加工物の加工始点と加工終点間を予め設定したプ
ログラム可能なピッチ間隔に従って分割し、これらの各
分割基準点において前記局所移動手段により指定した各
局所変位位置において前記検出部の出力を計測する計測
手段と、前記手先ヘッド部と前記被加工物上の基準点との距離お
よび姿勢角を補正する補正手段と、前記加工始点と加工終点間の倣い軌跡を自動生成する手
段によって構成したことを特徴とする、ロボットの倣い制御装置。