JPH0869314A - リードスルーによるロボットプログラミングシステム - Google Patents

リードスルーによるロボットプログラミングシステム

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JPH0869314A
JPH0869314A JP7205672A JP20567295A JPH0869314A JP H0869314 A JPH0869314 A JP H0869314A JP 7205672 A JP7205672 A JP 7205672A JP 20567295 A JP20567295 A JP 20567295A JP H0869314 A JPH0869314 A JP H0869314A
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JP
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robot
end effector
path
memory
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JP7205672A
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Timothy L Graf
ティモシー・ロン・グラフ
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3M Co
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Minnesota Mining and Manufacturing Co
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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1671—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by simulation, either to verify existing program or to create and verify new program, CAD/CAM oriented, graphic oriented programming systems
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 能率的かつ正確に移動制御プログラムを作り
出し、最適化することのできるロボットプログラミング
方法を提供する。 【解決手段】 ワークステーションに対してエンドエフ
ェクターを所望の移動経路上の一連の経路ポイントに沿
って移動させるようにロボットをプログラミングするシ
ステムである。このシステムには、モデル移動経路上を
移動可能なエンドエフェクターモデル、モデル経路ポイ
ントデータを与えるエンコーダ、ビデオディスプレイ手
段、電子的なメモリ、およびプログラム可能なコンピュ
ータが含まれる。コンピュータは、エンコーダ、ビデオ
ディスプレイ手段、およびメモリと結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットおよび他
のコンピュータ制御の多軸マニピュレータシステムに関
する。特に、産業ロボットのためのリードスループログ
ラミングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ます
ます多くの産業上および商業上の場において、人的介入
を最小として正確かつ反復的な動きを達成するために、
ロボットおよび他の多軸マニピュレータシステムが使用
されている。例えば、自動車のドアパネルにスプレーペ
イントを施したり、２つの要素を溶接したり、ワークピ
ースを研摩したり、接合部にシールを施したりするため
等に、ロボットが使用されている。正しくプログラムさ
れたロボットは、繰り返し動作の再現度が高く、信頼性
も高い。
【０００３】一般的に、ロボットシステムはロボットと
コンピュータをベースとする制御機構とを備える。これ
まで使用されている６軸の産業ロボットは、一端に基
台、他端にリストを備えるアームアセンブリを有してい
る。ロボットにより移動される工具または他のワークピ
ースを把む把持機構がリストに取り付けられている。把
持機構やワークピース、その他リストに取り付けられて
いる機構はすべてエンドエフェクターとして知られてい
る。
【０００４】ロボットのアームアセンブリは、ウエスト
軸、ショルダー軸、およびエルボー軸の回りに回転して
(自由度３として表示される)、リストおよびエンドエフ
ェクターを、ロボットの動作範囲内における所望の場所
に位置させることができる。これらの位置は、３次元的
なx軸、y軸、およびz軸で表されるロボットの直角座標
系(つまり、px、py、pz)におけるエンドエフェクターの
位置によって特定することができる。ロボットに所望の
動作を行わせるために、エンドエフェクターの位置を特
定するだけで十分なロボットもある。また、エンドエフ
ェクターの位置および向きの両方を特定することが重要
なロボットもある。このように、各位置において、ロボ
ットのリストは直交するx軸、y軸、およびz軸の回りに
回転することができ(さらなる自由度３として表示され
る)、リストの動作範囲内においてエンドエフェクター
を所望の向きに向けることができる。エンドエフェクタ
ーの向きは、３つの各軸(つまり、qx、qy、qz)の回りの
リストの回転角度によって特定できる。したがって、ロ
ボットの動作範囲のあらゆる場所におけるエンドエフェ
クターの位置および向きは、ロボット座標系(つまり、
[px、py、pz、qx、qy、qz]robot)を用いて表すことがで
きる。
【０００５】ロボットシステムのコンピュータをベース
とする制御機構は、ロボットを作動させるためのプログ
ラミングがなされている。制御機構が作動すると、ロボ
ットのアームアセンブリおよびリストは、作動プログラ
ムの移動制御プログラム部に従って、エンドエフェクタ
ーをワークステーションに対して所定または所望の移動
経路で移動させる。研摩作業においては、一般的にロボ
ットは、移動するホイール、ベルト、その他の研摩材を
支持する固定されたバックスタンドに対してワークピー
ス(例えば、タービンのブレード、ゴルフクラブのヘッ
ドまたは他の部分)を駆動する。ロボット駆動プログラ
ムに応答して、ロボットはワークピースを所望の移動経
路に沿って駆動し、研摩材を用いてワークピースを所望
の方法で研摩する。他の作業(研摩作業を含む)において
は、ロボットは、固定されたワークピースまたは他のワ
ークステーションに対して工具または他のエンドエフェ
クターを所望の移動経路に沿って移動させる。
【０００６】制御機構はさらに、移動経路と同期化して
他の作動パラメータを制御するようにプログラムされて
いてもよい。そのような、経路と同期化されたパラメー
タの例としては、ロボット溶接における溶接機の作動
や、ロボットペインティングにおけるペイントスプレー
の作動等である。前述のロボット研摩作業においては、
バックスタンドは、研摩材をワークピースに付勢制御す
る空気シリンダや他の付勢アクチュエータを含んでいて
もよい。ロボット駆動プログラムにおける付勢制御(フ
ォース制御)のためのプログラムステートメントまたは
プログラム部は、制御機構により実行されて、ワークピ
ースが所望の移動経路に沿って移動する際に付勢アクチ
ュエータを作動させる(一定に、または変動して)。他の
システムは、移動制御プログラム部にインデクス付けま
たは同期化された付勢制御プログラム部(フォース制御
プログラム部)を実行する別個のコンピュータを含んで
いる。
【０００７】ロボットシステムの制御機構のプログラム
には、移動制御プログラム部および付勢制御プログラム
部の一方、または両方が含まれていなければならない。
ティーチペンダント(teach pendant)、リードスルー(le
ad-through)、キネマティックモデル(運動学的モデ
ル)、およびコンピュータシミュレーション方法を含む
知られている多くのプログラミング技術は、この目的の
ために使用されている。
【０００８】ティーチペンダント・プログラミング方法
は、米国特許第4589810号明細書(ヘインドル等)に開示
されている。この“オンライン"プログラミングの試み
は、プログラムされるロボットと専門家により作動され
るインターフェイスとを利用している。このインターフ
ェイスは、ロボット制御機構に連結されたジョイスティ
ックおよび(または)スイッチを備えている。インターフ
ェイスを使用して、専門家は、ロボットを操作し、ワー
クステーションに対してプログラミングされた移動経路
に沿ってエンドエフェクターを移動させる。プログラミ
ングにおいてティーチングされた各ポイントは、所望の
移動経路に対応している。プログラミングされる移動経
路に沿う選択された一連のプログラミングポイントにお
いて専門家はインターフェイスを作動させ、これにより
制御機構はプログラミングされる経路を示す各ポイント
のデータを記憶する。これらのデータは、各プログラミ
ングポイントにおけるエンドエフェクターの位置および
向きを表すものである。制御機構により実行される移動
制御プログラム部生成ソフトウエアは、プログラミング
される経路を示す各ポイントを使用して、駆動プログラ
ムに含まれる移動制御プログラム部を作成する。制御機
構が駆動プログラムを実行したとき、移動制御プログラ
ム部によって、ロボットはエンドエフェクターを所望の
移動経路上のプログラミングポイントに沿ってスムース
に移動させる。一般的に、専門家は、直接的な目視観察
により、またはワークステーションに対するエンドエフ
ェクターの位置をフィードバックすることにより、プロ
グラミング経路を表すポイントを選択する。残念なが
ら、ティーチペンダントによるプログラミング方法は、
比較的遅く能率が悪い。さらに、このプログラミング方
法は、実際のロボットを使用したオンラインで行なわれ
るため、ロボットによる作業が中断し、生産性が低下す
る。
【０００９】リードスルーによるロボットプログラミン
グは米国特許第4408286号明細書(きくち等)に開示され
ている。このプログラミング方法は、前述のティーチペ
ンダト法と類似している。つまり、ロボットがプログラ
ミングする移動経路にそって移動され、プログラミング
される経路を示すポイントが選択される。そして、移動
制御プログラム部は、プログラミングされる経路を示す
ポイントを表すデータを使用して作成される。離れて配
置されたインターフェイス機器を使用してロボットをプ
ログラミングされた経路上のポイントに沿って移動させ
るのではなく、専門家は、ロボットに設けられた(一般
的にエンドエフェクターに設けられている)フォースセ
ンサまたは他の制御機構を作動させてロボットをプログ
ラミングされた経路上のポイントに沿って移動させる。
これらのリードスループログラミング方法においては専
門家がロボットの近くにいる必要があるので、ヘビーで
ハイパワーのロボットにおいては一般的に使用されてい
ない。
【００１０】キネマチックプログラミング方法はリード
スループログラミング方法と同じ有利な点を幾つか有し
ているが、プログラムされるロボットの物理的近傍に専
門家がいる必要はない。これらの方法は、比較的軽量の
ロボットモデル、またはプログラムされるロボットと同
じ運動学的デザインのティーチングアームを使用してい
る。このティーチングアームは、その後、ワークピース
に対してプログラムされるロボットと同じ位置に置かれ
る。または、モデルまたはワークステーションの複製に
対して同一の相対位置に置かれる。使用に際しては、テ
ィーチングアームはプログラミングされる移動経路に沿
って手動で移動される。この移動経路は所望の移動経路
に対応している。アームがプログラミングされる移動経
路に沿って移動する間に、ティーチングアームに設けら
れたエンコーダがアーム各部の相対位置をモニタリング
する。そして、ロボットの制御機構は、エンコーダによ
りモニタリングされた相対位置を再現する移動制御プロ
グラム部を作成する。しかしながら、プログラムされる
ロボットの各タイプに対して別個のアームが必要となる
ので、これらのプログラミング方法は各ロボット毎に固
有のものとなる。一般的には、さらに２つの同じワーク
スペースが必要となる。それは、ティーチングアームを
実際にプログラムされるロボットと取り代えることはで
きないからである。
【００１１】コンピュータグラッフィクによるオフライ
ンのロボットシュミレーションおよびプログラミング方
法もまた知られている。これらのプログラミング方法
は、ロボット、そのエンドエフェクター、およびワーク
ステーションの図式的または数学的なモデルを含むロボ
ットシュミレーションソフトウエアを利用している。一
般的に、このシュミレーションソフトウエアは、モニタ
ーに接続されたコンピュータのワークステーション上で
実行される。そして、エンドエフェクターをワークステ
ーションに対して移動させているロボットのシュミレー
トされた３次元の図式的なビデオイメージを作り出す。
直角座標等のグラフィックスやモニターに映し出された
テキストも、グラフィックイメージによって表されたワ
ークステーションに対するエンドエフェクターの位置を
数学的に表している。マウスとキーボードを使用して、
専門家はソフトウエアにインターフェイスし、エンドエ
フェクターまたはベクトルタッグポイント(vector tag
point)のイメージを、ワークステーションのイメージに
対してプログラミング経路上の選択されたポイントへ移
動させる。シュミレーションソフトウエアは、選択され
たプログラミング経路上のポイントからロボット駆動プ
ログラムを作り出す移動制御プログラム部生成プログラ
ムを含んでいる。プログラムされた移動経路に沿ってエ
ンドエフェクターを移動させるロボットのシュミレート
されたグラフィックイメージを観察し、マウスまたはキ
ーボードを介してシュミレーションソフトウエアにイン
ターフェイスすることにより、専門家は移動制御プログ
ラムを最適化することができる。シュミレーションプロ
グラムの他の機能としては、アウトオブレンジ(out-of-
range)のチェックや衝突のチェック等がある。このタイ
プのシュミレーションソフトウエアは多くの業者から入
手することができる。例えば、ミシガン州オーバンヒル
ズのデネブ・ロボティクス社等である。デネブ・ロボティ
クス社から販売されているIGRIPソフトウエアパッケー
ジはその一例である。これらのオフラインのシュミレー
ションおよびプログラミング方法によればロボットをプ
ログラムするために必要な中断時間は減少するが、それ
らは遅く、使用するには不十分である。さらに、これら
のツールを使用してロボットが所望の３次元経路に沿っ
て移動するように正確にプログラムすることは困難であ
る。
【００１２】前述の研摩ロボットにおいて使用されるフ
ォース制御プログラム部は、一般的に、プログラムされ
たフォースポイントデータからロボット制御機構または
他の制御コンピュータによって作り出される。ティーチ
ペンダント、リードスルーまたは他の知られているプロ
グラミング方法を使用してロボットをプログラミングさ
れた経路上のポイントを移動させると同時に、専門家は
手動で、制御機構のインターフェイスを介してプログラ
ミングフォースポイントデータにエンターする。フォー
スポイントデータとは、エンドエフェクターがプログラ
ミングされる経路上の対応するポイントに位置している
ときに負荷されるべき所望の力を表すデータである。ロ
ボットの制御機構により実行されるフォース制御プログ
ラム部生成ソフトウエアは、プログラミングフォースポ
イントを使用してフォース制御プログラム部を作り出
す。制御機構によりフォース制御プログラム部が実行さ
れたとき、ロボットはプログラミングフォースポイント
および所望のフォースレジームを介してフォースアクチ
ュエータを移動させる。
【００１３】改善されたロボットのプログラミングシス
テムに対する継続的な要求があることは明白である。特
に、ロボットの中断時間およびそれに伴う生産性の低下
を最小限とし得る改善されたオンラインおよびオフライ
ンのプログラミング方法に対する要求がある。そのよう
なロボットのプログラミング方法は、能率的かつ正確に
移動制御プログラムを作り出し、最適化できるものであ
る。フォース制御および経路と同期化された他のデータ
を能率的かつ正確に作り出し得るこのタイプのプログラ
ミング方法も有用である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、ワークステー
ションに対してエンドエフェクターを所望の移動経路上
の一連の所定ポイントに沿って移動させるようにロボッ
トまたは他の多軸マニピュレータを効率的かつ正確にプ
ログラムするシステムである。本発明のシステムの一例
は、人間が取り扱うことができるエンドエフェクターモ
デル、エンコーダ、ビデオモニター、電子的なメモリ、
およびプログラム可能なコンピュータを備えている。こ
のコンピュータは、エンコーダ、ビデオモニタ、および
メモリに結合されている。自由度６のデジタイジングア
ームをエンコーダとして使用することができる。エンド
エフェクターモデルは、モデル移動経路上のモデル経路
ポイントに沿ってワークステーションに対して移動する
ことができる。モデル経路ポイントおよびモデル移動経
路は、所望の経路ポイントおよび移動経路に対応してい
る。各モデル経路ポイントにおけるエンドエフェクター
モデルのワークステーションに対する位置および向きを
表すモデル経路ポイントデータが、エンコーダによって
与えられる。モデル経路ポイントデータ、ロボットシュ
ミレーションおよび移動プログラム生成ソフトウエア、
およびロボットの移動制御プログラム部は、電子的なメ
モリに記憶される。プログラム可能なコンピュータは、
移動プログラム処理手段、ビデオ処理手段、および出力
ポートを備えている。出力ポートは、移動制御プログラ
ム部をロボットに送る。移動プログラム処理手段は、モ
デル経路ポイントデータの関数としてロボットシュミレ
ーションおよび移動プログラム生成ソフトウエアを実行
し、ロボットが所望の移動経路に沿ってエンドエフェク
ターを移動させるようにする移動制御プログラム部を生
成する。ビデオ処理手段は、モデル経路ポイントデータ
の関数としてロボットシュミレーションおよび移動プロ
グラム生成ソフトウエアを実行し、ビデオモニタがエン
ドエフェクターを所望の経路の沿って移動させるロボッ
トのグラフィックディスプレイを生成するようにする。
【００１５】本発明の他の例においては、システムは、
ロボットモデルデータを記憶するロボットモデルメモ
リ、およびロボットのアウトオブレンジをチェックする
ソフトウエアを記憶するレンジチェックメモリを含んで
いる。アウトオブレンジ処理手段は、ロボットモデルデ
ータおよびモデル経路ポイントデータの関数として、ア
ウトオブレンジをチェックするソフトウエアを実行し、
ロボットが移動制御プログラム部で表される所望の移動
経路に沿ってエンドエフェクターを移動できるか否かを
示すアウトオブレンジ測定(determination)データを生
成する。アウトオブレンジビデオ処理手段は、ビデオデ
ィスプレイ手段が、アウトオブレンジ測定(determinati
on)データの関数として、そしてロボットが所望の移動
経路に沿ってエンドエフェクターを移動することができ
るか否かを示す、アウトオブレンジディスプレイを生成
するようにする。
【００１６】本発明のさらに他の例においては、システ
ムは、ワークステーションモデルメモリ、ロボットモデ
ルメモリ、エンドエフェクターモデルメモリ、および衝
突チェックメモリを備えている。ワークステーションモ
デルデータはワークステーションモデルメモリに記憶さ
れる。ロボットモデルデータは、ロボットモデルメモリ
に記憶される。エンドエフェクターモデルデータは、エ
ンドエフェクターモデルメモリに記憶される。ロボット
の衝突をチェックするソフトウエアは、衝突チェックメ
モリに記憶される。衝突処理手段は、ワークステーショ
ンモデルデータ、ロボットモデルデータ、エンドエフェ
クターモデルデータ、およびモデル経路ポイントデータ
の関数として衝突チェックソフトウエアを実行し、ロボ
ットが移動制御プログラム部によって表される所望の移
動経路に沿ってエンドエフェクターをワークステーショ
ンに衝突させることなく移動することができるか否かを
示す衝突測定(determination)データを生成する。衝突
ビデオ処理手段は、ビデオモニタが、衝突測定(determi
nation)データの関数として衝突ディスプレイを生成す
るようにして、ロボットが所望の移動経路に沿ってエン
ドエフェクターをワークステーションに衝突させること
なく移動することができるかの判断を助ける。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１にはロボットシステム10が示
されている。このシステムは、本発明のリードスループ
ログラミングシステムを使用して、オンラインまたはオ
フラインでプログラムすることができる。図示されてい
るように、ロボットシステム10は、ロボット12のよう
な、コンピュータをベースとする制御機構14による制御
下において、エンドエフェクター16をワークステーショ
ン18に対する所望の移動経路に沿って移動させる多軸マ
ニピュレータを含んでいる。参照番号12で示されるよう
なロボットは、良く知られているものであって、多くの
産業上の場において広く使用されているものである。図
１に示された例においては、エンドエフェクター16がア
ームアセンブリ20の端部のリスト19に取り付けられてい
る。アームアセンブリ20は、ウエスト軸22、ショルダー
軸24、およびエルボー軸26の回りに移動して(自由度
３)、エンドエフェクター16をロボット12の作動範囲内
における所望の場所に位置させる。リスト19は、x回転
軸28、y回転軸32、およびz回転軸30の回りに回転して
(自由度３)そのフェースプレートの方向を決めることが
でき、したがって、ロボット12の作動範囲内においてエ
ンドエフェクター16を所望の向きに向けることができ
る。所望の経路上でのリスト19のフェースプレートのど
のような位置および向きも、ロボット直角座標系(つま
り、[px、py、pz、qx、qy、qz]robot)の直交するx軸、y
軸、z軸に関する位置(p)および回転角(q)で表すことが
できる。取り扱いを統一するために、ロボット基台29の
センターをロボット直角座標系の原点または基準点とす
ることができる。
【００１８】図１に示される例においては、ロボットシ
ステム12は、ワークピース34のばり取り、仕上げ、およ
び他の研摩工程を自動で行うシステムである。エンドエ
フェクター16にはワークピース34の他にもワークピース
を着脱可能に把持するジョータイプのグリッパー36も含
まれる。与えられたすべてのポイントおよびエンドエフ
ェクター16の表面の位置は、エンドエフェクター直角座
標系(つまり、[px、py、pz、qx、qy、qz]effector)の直
交するx軸、y軸、z軸に関する位置(p)および回転角(q)
で表すことができる。エンドエフェクター直角座標系の
原点およびオリエンテーションは、ロボットのリスト19
のフェースプレートとすることができる。
【００１９】ワークステーション18には、バックスタン
ド40に設けられたモータ駆動の砥車38も含まれる。図示
の例において、ワークステーション18はフォース制御さ
れており、アクチュエータ42を含んでいる。与えられた
すべてのポイントおよびワークステーション18の表面
(ワークピース34が研摩される砥車38の表面を含む)の位
置は、ワークステーション直角座標系(つまり、[px、p
y、pz、qx、qy、qz]workstation)の直交するx軸、y軸、
z軸に関する位置(p)および回転角(q)で表すことができ
る。ワークステーション基台のセンターをワークステー
ション直角座標系の原点とすることができる。
【００２０】制御機構14には、ロボットシステム10を作
動させる駆動プログラムがプログラムされている。この
例においては、駆動プログラムは、移動制御プログラム
部およびフォース制御プログラム部の両方を含む。移動
制御プログラム部に応答して、制御機構14は、ロボット
12およびそのエンドエフェクター16をワークステーショ
ン18に対して所定または所望の経路で移動させる。エン
ドエフェクター16が所望の移動経路に沿って移動する
と、ワークピース34が砥車38に対して移動して研摩され
る。ワークピース34が移動するのと同時に、制御機構14
はフォース制御プログラム部に応答して、アクチュエー
タ42を駆動して砥車38をワークピース34に圧接させる。
作動プログラムの移動制御プログラム部とフォース制御
プログラム部とは同期化されており、ワークピース34が
移動経路に沿う所望の対応位置にあるとき砥車38は所望
の力をワークピース34に負荷する。フォース制御プログ
ラム部を使用して砥車38に負荷される力を制御すること
は、制御機構14により制御され得る経路同期化パラメー
タの一例にすぎないということが理解できる。例えば、
ロボット12の動作と同期化して制御し得る他のパラメー
タとしては、ロボット溶接作業における溶接機の作動、
およびロボットペインティングにおけるロボットスプレ
ーガンの作動等がある。代わりの構成として、制御機構
14が位置決めテーブルの位置および向きを制御する制御
プログラムを実行してもよい。
【００２１】本発明のリードスループログラミングシス
テム50の概略が図２に示されている。図示されているよ
うに、プログラミングシステム50には、ワークステーシ
ョンモデル52、エンドエフェクターモデル54、デジタイ
ジングアームシステム56等のエンコーダ、およびプログ
ラミングコンピュータシステム58が含まれる。エンドエ
フェクターモデル54は、実際のエンドエフェクター16を
シュミレートするのに使用されるが、実際のエンドエフ
ェクターの複製つまり完全なレプリカである必要はな
い。したがって、図示の例においては、グリッパー36を
シュミレートする必要はない。しかし、エンドエフェク
ターモデル54は、ロボットシステム10の作動時にワーク
ステーション18と相互作用する実際のワークピース表面
およびロボットシステムの作動時において重要となるワ
ークピースの他のすべての表面をシュミレートすべきで
ある。図２に示された例においては、エンドエフェクタ
ーモデル54には、クランプ機構53およびワークピースモ
デル55が含まれる。ワークピースモデル55はワークピー
ス34の複製である。
【００２２】ワークステーションモデル52は、ロボット
システム12がこれと協働するようにプログラムされてい
る実際のワークステーション18をシュミレートするのに
使用される。ワークステーションモデル52は実際のワー
クステーション18の複製つまり完全なレプリカである必
要はないが、プログラミング動作中においてワークピー
ス34が接触する実際のワークステーション表面をシュミ
レートすべきである。したがって、図示の例において
は、ワークステーションモデル52は、少なくとも砥車38
のワークピース34と接触する部分を備えていなければな
らない。図２に示された例においては、ワークステーシ
ョンモデル52は実際のワークステーション18の複製であ
り、砥車モデル90およびバックスタンドモデル92を備え
ている。オフラインでのロボットプログラミングのため
にプログラミングシステム50が使用される場合には、図
２に示されているようなワークステーションモデル52を
使用することが必要である。しかし、プログラミングシ
ステム50を実際のワークステーション18(図１)とともに
使用して、オンラインでのロボットプログラミングを行
うこともできる。
【００２３】図２に示された例においては、ワークステ
ーションモデル52にはフォースセンサ94も含まれる。フ
ォースセンサ94は、ワークステーションモデル52に設け
られたひずみゲージまたは他の装置であって、プログラ
ミングシステム50の作動時に砥車90に作用する力(すな
わち、図示の例において経路と同期化されたパラメー
タ)を検出する。検出された力を表すフォースデータは
フォースセンサ94によって生成され、プログラミングコ
ンピュータシステム58に送られる。
【００２４】図示された例においては、デジタイジング
アームシステム56は、アームコンピュータ62とインター
フェイスされた自由度６のデジタイジングアーム60を含
んでいる。アーム60は、その一端が基台64に取り付けら
れており、他端が動作端部66を備えている。動作端部66
には指で起動される制御スチッチ68が設けられている。
エンドエフェクターモデル54は、動作端部66のフェース
プレートに取り付けられている。参照番号56で示される
ようなデジタイジングアームシステムは商業的に入手す
ることが可能であって、リードスループログラミングシ
ステム50の一例としては、フロリダ州レイクメアリーの
ファロ・メディカル・テクノロジー社が販売しているデジ
タイジングアームシステム56があり、米国特許第525112
7号明細書(ラーブ)に開示されている。アーム56は、そ
の動作端部66において把持されると、第１軸70、第２軸
72、第３軸74の回りに容易に移動することができ(自由
度３)、動作端部のフェースプレートを位置決めするこ
とができる。すなわち、エンドエフェクターモデル54を
アームの作動範囲内の所望の場所に位置させることがで
きる。さらに、動作端部66は、x回転軸76、y回転軸80、
およびz回転軸78の回りに容易に移動して、アーム60の
動作範囲内において動作端部のフェースプレートおよび
エンドエフェクターモデル54を所望の向きに向けること
ができる。すべての所望のポイントにおける動作端部66
のフェースプレートの位置および向きは、アーム直角座
標系(つまり、[px、py、pz、qx、qy、qz]arm)の直交す
るx軸、y軸、z軸に関する位置(p)および回転角(q)で表
すことができる。取扱いを統一するために、アーム基台
64をアーム直角座標系における原点とすることができ
る。
【００２５】与えられたすべてのポイントおよびエンド
エフェクターモデル54の表面(ワークピースモデル55の
表面を含む)の位置は、エンドエフェクターモデル直角
座標系(つまり、[px、py、pz、qx、qy、qz]effector
model)の直交するx軸、y軸、z軸に関する位置(p)および
回転角(q)で表すことができる。エンドエフェクターモ
デル直角座標系の原点およびオリエンテーションは、動
作端部66のフェースプレート上の所定のポイントおよび
オリエンテーションとすることができる。
【００２６】図２には示されていないが、デジタイジン
グアーム56はアーム部の各軸70、72、74、76、78、およ
び80の回りの角度位置を示す角度位置信号をコンピュー
タ62に送るセンサを備えている。コンピュータ62は、ア
ーム部の角度位置および運動学的要素(kinematics、ア
ーム部の長さを含む)をアーム直角座標系における動作
端部66のフェースプレートの実際の位置および向きと数
学的に関連づける位置計算プログラムを含んでいる。制
御スイッチ68の起動に応答して、アームコンピュータ62
は角度位置信号の関数として位置計算プログラムを実行
し、エンドエフェクターのその位置における動作端部66
のフェースプレートの位置および向き([px、py、pz、q
x、qy、qz]arm)を計算する。図示の例においては位置計
算プログラムは別個のアームコンピュータ62によって実
行されるが、他の例においてはプログラミングコンピュ
ータシステム58がこの機能を行うようにプログラムされ
ている。
【００２７】リードスループログラミングシステム50の
作動時においては、専門家がアームシステム56を使用し
て、ワークステーションモデル52に対するエンドエフェ
クターモデル54の位置および向きを表すモデル経路ポイ
ントを生成する。このプログラミング動作を行うため
に、専門家は動作端部66を把んで操作し、エンドエフェ
クターモデル54をワークステーションモデル52に対する
モデル移動経路に沿って移動させる。モデル移動経路
は、実際のワークステーション18(図１参照)に対するロ
ボットのエンドエフェクター16の所望の移動経路に対応
する、または再現する経路である。
【００２８】特に図２に示された例を参照すると、専門
家は動作端部66を操作してワークピースモデル55を砥車
モデル90に対するモデル移動経路に沿って移動させる。
エンドエフェクターモデル54がモデル移動経路に沿って
移動されている間、専門家は制御スイッチ38を起動させ
る。これにより、アームコンピュータ62が、モデル移動
経路上の離散的なポイントにおけるエンドエフェクター
モデル54の位置を“デジタル化"する。アームコンピュ
ータ62は、各モデル経路ポイント([px、py、pz、qx、q
y、qz]arm)におけるエンドエフェクターモデル54の位置
および向きを表すモデル経路ポイントデータを生成す
る。プログラミングシステム50の一例においては、エン
ドエフェクターモデル54がモデル移動経路に沿って移動
するとき、アームコンピュータ62が連続的にまたは特定
のポイントにおいてモデル経路ポイントデータを生成す
るように、制御スイッチ68を起動することができる。特
に、制御スイッチ68の１つを押して、アームコンピュー
タ62が周期的にサンプリングおよびモデル経路ポイント
データの発生を行うようにすることができる。アームコ
ンピュータ62にモデル経路ポイントデータを発生させる
ことを希望する所望のモデル経路ポイントにおいて、制
御スイッチ68の他の１つを押してデータを発生させるこ
ともできる。ロボット12が移動経路に沿ってエンドエフ
ェクター16を所望の精度および速度で移動させるための
移動制御プログラム部を生成するためには、このモデル
経路ポイントのサンプリングにおいて十分な数のモデル
経路ポイントに対するデータを得ることが必要である。
アームコンピュータ62により生成されたモデル経路ポイ
ントデータは、プログラミングコンピュータシステム58
に送られ、記憶される。
【００２９】モデル移動経路に沿ってエンドエフェクタ
ーモデル54が移動する間に、専門家はエンドエフェクタ
ーモデルをワークステーションモデル52に圧接して付勢
状態(フォースレジーム、force regime)のモデルを生成
する。この付勢状態のモデル(すなわち、モデルフォー
スレジーム)は、ロボット12がエンドエフェクター16を
実際のワークステーションに対する所望の移動経路に沿
って移動させるときに、実際のワークステーション18
(図１参照)により与えらえる付勢状態に対応する、また
はこれの複製にあたる連続的な付勢状態である。フォー
スセンサー94は、検出された力を表すモデルフォースポ
イントデータを生成し、このデータをプログラミングコ
ンピュータシステム58に送る。プログラミングコンピュ
ータシステム58は、モデル経路ポイントデータと同期化
して、またはインデクス付けしてモデルフォースポイン
トデータを記憶する。
【００３０】プログラミングコンピュータシステム58
は、図３の機能ブロックダイアグラムを参照して説明す
ることができる。図示されているように、コンピュータ
システム58は、データメモリ100、プログラムメモリ10
2、ビデオディスプレイ手段(ビデオモニタ104として示
されている)、およびインターフェイス106を含んでお
り、これらはすべてプロセッサ108とインターフェイス
されている。インターフェイス106は、キーボードとマ
ウスとを備えている。専門家は、このキーボードとマウ
スを使用して通常の方法でコンピュータシステム58とイ
ンターフェイスする。サン・シリコン・グラフィックス・
アンド・ヒューレットパッカード社から商業的に入手可
能なもの等のワークステーションが一般的にプロセッサ
108として使用される。なぜなら、メモリ102に記憶され
たシュミレーションソフトウエアを能率的に実行するた
めには、広く使用されているパーソナルコンピュータ
(ＰＣs)よりも高い計算力が必要となるからである。し
かしながら、ＰＣsの計算力は急速に高まっているの
で、シュミレーションソフトウエアの能率が高まるにつ
れて将来的にはＰＣプラットフォームがプロセッサ108
として機能し得るようになることが期待される。モニタ
104は、テキストまたはグラフィックイメージまたはそ
の両方を所望のクオリティで生成することが可能であっ
て、商業的に入手可能なものであればどのようなディス
プレイモニタでもよい。
【００３１】リードスループログラミングシステム50の
作動中にプロセッサ108によって実行することが可能な
シュミレーションソフトウエアがメモリ102に記憶され
ている。図示されているように、シュミレーションソフ
トウエアによって行なわれる計算機能には、グラッフィ
クの生成、移動制御プログラム部の生成、フォース制御
プログラム部の生成、駆動プログラムの混合、衝突のチ
ェック、アウトオブレンジのチェック、およびキャリブ
レーションである。シュミレーションソフトウエアの実
行中にプロセッサ108に使用されるデータ、およびシュ
ミレーションソフトウエアの実行によって生成されるデ
ータは、メモリ100に記憶される。メモリ100に記憶され
るデータの例としては、ロボットモデルデータ、ワーク
ステーションモデルデータ、エンドエフェクターモデル
データ、モデル経路ポイント、モデルフォースポイン
ト、移動制御プログラム部、フォース制御プログラム
部、駆動プログラム、およびキャリブレーションの情報
等がある。
【００３２】メモリ100に記憶されるロボットモデルデ
ータには、シュミレーションソフトウエアによって使用
されるロボット12の運動学的要素、３次元(３Ｄ)的な物
理的外郭、および他の特性や特徴等がある。これらのデ
ータは、ロボット直角座標系で表され、プログラミング
システム50の実行に関連するロボット12のすべての局面
を数学的に表したものである。さらに、ロボットモデル
データには、ロボットのグラッフィクによる表示を特徴
づけるデータが含まれており、それらは、モニタ104に
ロボットのシュミレートされた３次元グラッフィクを表
示するのに使用される。ロボットモデルデータがどれだ
け正確にロボット12を特徴づけることができるか、およ
びそのグラッフィクイメージ(つまり、モデルの精度)
は、シュミレーションソフトウエアの精巧性、プロセッ
サ108の性能、およびプログラミングシステム50に求め
られる精度および機能等の多くの要因に依存している。
例えば、衝突のチェック機能(後に説明する)が高い精度
で行なわれる必要がない場合には、ロボット12の物理的
な外郭の幾何学的モデルは簡単なもので十分であり、衝
突のチェックを迅速に行うことができる。
【００３３】エンドエフェクターモデルデータは、ロボ
ット12に取り付けられたエンドエフェクター16の３次元
的な物理的外郭を示すデータを含んでいる。このデータ
は、エンドエフェクター基準系で表され、ロボット12上
で使用されるエンドエフェクター16のすべての局面を数
学的に表したものである。さらに、エンドエフェクター
モデルデータには、エンドエフェクター16のグラッフィ
クによる表示を特徴づけるデータが含まれており、それ
らは、モニタ104にエンドエフェクターのシュミレート
された３次元グラッフィクを表示するのに使用される。
ここでも、エンドエフェクターモデルの精度は、プログ
ラミングシステム50の特性を含む多くの要因に依存して
いる。例えば、ワークピース34のモデルはプログラミン
グシステム50を作動させるためには必要ないが、衝突の
チェックおよび以下に説明する機能の視覚化には有用で
ある。
【００３４】ワークステーションモデルデータには、ワ
ークステーション18の３次元的な物理的外郭を示すデー
タが含まれており、ワークステーションを取り巻くワー
クセル(workcell)の関連する他の特徴をも含んでいても
よい。これらのデータは、ワークステーション基準系で
表され、ロボット12とともに使用されるワークステーシ
ョン18の関連する局面を数学的に表したものである。さ
らに、ワークステーションモデルデータには、ワークス
テーションのグラッフィクによる表示を特徴づけるデー
タが含まれており、それらは、モニタ104にワークステ
ーションのシュミレートされた３次元グラッフィクを表
示するのに使用される。ワークステーションモデルの精
度は、プログラミングシステム50に対する機能的要求に
応じて異なる。例えば、ワークステーションが図１に示
されるような研摩タイプのものである場合には、砥車38
のモデルとバックスタンド40の砥車近傍部分だけで一般
的には十分である。
【００３５】エンドエフェクターモデル54がモデル移動
経路に沿って移動する間にアームコンピュータ62によっ
て生成されたモデル経路ポイントは、続いて行なわれる
シュミレーションソフトウエアによる処理のためにデー
タメモリ100に記憶される。同様に、エンドエフェクタ
ーモデル54がモデルフォースレジームに沿って移動する
間にフォースセンサ94によって生成されたモデルフォー
スポイントも、データメモリ100に記憶される。シュミ
レーションソフトウエアの実行においてプロセッサ108
によって生成された移動制御プログラム部およびフォー
ス制御プログラム部を表すデータもまた、それらのプロ
グラムが駆動プログラムへと混合または組み合わせられ
ロボットシステム10へとダウンロードされる前にデータ
メモリ100に記憶される。
【００３６】デジタイジングアームシステム56によって
生成されたモデル経路ポイントは、アー直角座標系で表
される。シュミレーションソフトウエアは、モデル経路
ポイントから移動制御プログラム部を生成するために、
モデル経路ポイントをロボット直角座標系の対応するポ
イントに変換しなければならない。ロボット直角座標系
をアーム直角座標系に、ロボット直角座標系をワークス
テーション直角座標系に、アーム直角座標系をワークス
テーション直角座標系に、それぞれ、関連づけるキャリ
ブレーションデータ(すなわち、アーム基準系、ロボッ
ト基準系、ワークステーション基準系に関連する“三辺
からなる三角形"のキャリブレーションデータ)がデータ
メモリ100に記憶され、キャリブレーションを行うため
に使用される。エンドエフェクターモデル54が実際のエ
ンドエフェクター16と同一ではなく、動作端部66とロボ
ットのリスト19とが同一の配置ではない場合には、キャ
リブレーションデータは、さらに、エンドエフェクター
モデル直角座標系におけるエンドエフェクターモデルの
位置および向き、およびエンドエフェクター直角座標系
における実際のエンドエフェクターの位置および向きを
表すデータを含む。
【００３７】図４を参照して説明されるように、デジタ
イジングアームシステム56およびプログラミングコンピ
ュータシステム58は、ロボットシステム10、ワークステ
ーション18、およびエンドエフェクターキャリブレーシ
ョンスタンド110とともに使用して、プログラミングシ
ステムのセットアップにおいて必要なキャリブレーショ
ンデータを生成することができる。プログラミングシス
テムのセットアップにおいてアームシステム56を使用す
る場合には、較正ポインター113をロボットのリスト19
に設けるとともに動作端部66に較正ポインター112を設
けることができる。プログラミングシステムのセットア
ップ時に、アーム直角座標系、ロボット直角座標系、お
よびワークステーション直角座標系の相対位置および向
きは、これらの直角座標系内の３つの既知または所定の
非線形キャリブレーションポイントを用いて特定(locat
e)することができる。データ三角形の二辺のみに関する
キャリブレーション情報は実験的に決定(determine)す
る必要がある。プログラミングコンピュータシステム58
は、第３の辺に対するキャリブレーション情報データ
を、既知の二辺に対するキャリブレーション情報データ
の関数として計算することができる。
【００３８】例示として、ワークステーション直角座標
系が基準として使用された場合、専門家は、動作端部66
を移動させて、ワークステーション18上の直線上にない
３つの所定のキャリブレーションポイントにポインター
112を接触させる。制御スイッチ38が起動されて、アー
ムコンピュータ62が３つの各キャリブレーションポイン
トにおけるポインター112の位置を表すデータを生成す
る。プログラミングコンピュータシステム58は、ワーク
ステーション上の３つのキャリブレーションポイントの
ワークステーション直角座標系における位置を知るよう
にプログラムされており、この情報をもとにして、アー
ム直角座標系に対するワークステーション直角座標系の
位置および向きを示すキャリブレーションデータ(すな
わち、三角形の第一辺に関するキャリブレーション情報
データ)を生成することができる。
【００３９】ジョイスティックまたは他の通常の制御イ
ンターフェイス(図４には示されていない)を使用して、
専門家はロボットのアーム20を移動させて、ワークステ
ーション上の同一の３つのキャリブレーションポイント
にポインター113を接触させる。ポインター113がワーク
ステーション上のキャリブレーションポイントに位置し
たとき、ロボットの制御機構14は、プログラミングコン
ピュータシステム58により“問合わせ(query)"されて、
ワークステーション上のキャリブレーションポイントに
おけるポインターの位置を測定(determine)する。ワー
クステーション上の３つのキャリブレーションポイント
のワークステーション直角座標系における位置は分かっ
ており、各キャリブレーションポイントにおけるポイン
ター113の位置は測定(determine)されているので、プロ
グラミングコンピュータシステム58はロボット直角座標
系に対するワークステーション直角座標系の位置および
向きを表すキャリブレーション情報データ(すなわち、
三角形の第二辺に関連するキャリブレーション情報デー
タ)を生成することができる。アーム直角座標系とワー
クステーション直角座標系との関係、およびワークステ
ーション直角座標系とロボット直角座標系との関係を示
すキャリブレーション情報データを使用して、プログラ
ミングコンピュータシステム58はアーム直角座標系とロ
ボット直角座標系との関係を示すキャリブレーション情
報データ(すなわち、三角形の第三辺に関連するキャリ
ブレーション情報データ)を生成することができる。
【００４０】ロボット直角座標系におけるエンドエフェ
クター16の位置および向きを示すキャリブレーション情
報データは、アームシステム56を使用して決定(determi
ne)することができる。ロボットのリスト19にエンドエ
フェクター16(図４には示されていない)を取り付けて、
専門家は、動作端部66を移動させて、ロボット上(例え
ば、ロボットのリスト上)において直線上にない３つの
所定のキャリブレーションポイントおよびエンドエフェ
クター上において直線上にない３つの所定のキャリブレ
ーションポイントにポインター112を接触させる。制御
スイッチ68が起動され、アームコンピュータ62が、ロボ
ット上の３つのキャリブレーションポイントおよびエン
ドエフェクター上の３つのキャリブレーションポイント
の各ポイントにおけるポインター112の位置を表すデー
タを生成する。プログラミングコンピュータシステム58
は、ロボット上の３つのキャリブレーションポイントが
ロボット基準系に対してどの位置にあるか、および、エ
ンドエフェクター上の３つのキャリブレーションポイン
トがエンドエフェクター基準系に対してどの位置にある
かを知るようにプログラムされている。プログラミング
コンピュータシステムは、この情報をもとにして、ロボ
ット基準系におけるエンドエフェクター16の位置および
向きを示すキャリブレーション情報データを生成するこ
とができる。
【００４１】同様に、アーム基準系におけるエンドエフ
ェクターモデル54の位置および向きは、アームシステム
56およびキャリブレーションスタンド110を使用して測
定(determine)することができる。キャリブレーション
スタンド110は、動作端部66のエンドエフェクター取付
けシステムをシュミレートした(つまり、同じデザイン
の)エンドエフェクターモデル取付けシステム(例えば、
位置表示付きソケット(position-indexed socket))を備
えている。さらに、キャリブレーションスタンド110上
には、直線上にない３つのキャリブレーションポイント
がある。これらのキャリブレーションポイントは、エン
ドエフェクターモデル取付けシステムに対して分かって
いる相対位置に配置されている。スタンド上のキャリブ
レーションポイントと取付けシステムとの相対関係を示
すキャリブレーションデータがメモリ100に記憶され
る。この相対関係は、例えば、メーカーによって測定さ
れ表示される。
【００４２】エンドエフェクターモデル54をキャリブレ
ーションスタンド110の取付けシステムに取り付けて、
専門家は動作端部66を移動し、ポインター112をキャリ
ブレーションスタンド上の３つのキャリブレーションポ
イントに接触させる。そして、制御スイッチ68を起動さ
せて、スタンド上の３つのキャリブレーションポイント
のアーム基準系における位置を示すデータを生成する。
スタンド上のキャリブレーションポイントと取付けシス
テムとの関係は分かっているので、この情報を使用し
て、プログラミングコンピュータシステム58はアーム直
角座標系における取付けシステムの位置を測定(determi
ne)することができる。
【００４３】そして、専門家は動作端部66を移動して、
エンドエフェクターモデル54上の３つのキャリブレーシ
ョンポイントに接触させる。制御スイッチ68が起動され
て、アームコンピュータ62が、エンドエフェクターモデ
ル上の３つの各キャリブレーションポイントにおけるポ
インター112の位置を示すデータを生成する。プログラ
ミングコンピュータシステム58は、エンドエフェクター
モデル上の３つのキャリブレーションポイントのエンド
エフェクターモデル基準系における位置を知るようにプ
ログラムされている。プログラミングコンピュータシス
テムは、この情報をもとにして、アーム基準系における
エンドエフェクターモデル54の位置を示すキャリブレー
ション情報データを生成することができる。当業者であ
れば、プログラミングシステム50を作動させるのに必要
なキャリブレーション情報データを生成する他の方法を
容易に知ることができるだろう。例えば、接触ポインタ
ー112を空間内の固定点に運び、エンドエフェクターを
ポインター112と入れ替えて同じ固定点に配置させる。
エンドエフェクター上の３つのキャリブレーションポイ
ントを前記固定点に接触させることにより、必要なキャ
リブレーション情報を得ることができる。
【００４４】メモリ102に記憶されており、グラフィッ
クの生成、移動制御プログラム部の生成、衝突のチェッ
ク、およびアウトオブレンジのチェックを行い得るシュ
ミレーションソフトウエアは、多くの商業的経路から入
手することが可能である。プログラミングコンピュータ
システム58の一例は、ミシガン州オーバンヒルズのデネ
ブ・ロボティック社が販売しているこのタイプのシュミ
レーションソフトウエア(例えば、研摩工程のためのIGR
IPソフトウエアパッケージ)を実行する。このタイプの
シュミレーションソフトウエアで可能な他の機能として
は、コンピュータ・エイディッド・デザイン(ＣＡＤ)等が
ある。実行可能なキャリブレーション機能はキャリブレ
ーションソフトウエアによって行なわれる。キャリブレ
ーションソフトウエアは、記憶された前述のキャリブレ
ーション情報を使用して、アーム直角座標系で表された
ポイントからロボット直角座標系で表されたポイントへ
とモデル経路ポイントデータを変換する。このようなキ
ャリブレーション機能を行い得るソフトウエアを作るこ
とは、当業者なら容易である。
【００４５】移動制御プログラムを生成することが望ま
れる場合、プロセッサ108は、データメモリ100に記憶さ
れたモデル経路ポイントおよびキャリブレーション情報
データの関数としてメモリ102に記憶されたキャリブレ
ーションソフトウエアを実行する。このような方法でキ
ャリブレーションソフトウエアを実行すると、ロボット
直角座標系に変換されたモデル経路ポイントが生成され
る。変換されたモデル経路ポイントをインプットデータ
として使用することにより、プロセッサ108は、メモリ1
02に記憶された通常の移動制御プログラム部生成ソフト
ウエアを実行して、移動制御プログラム部を生成するこ
とができる。そして、この移動制御プログラム部によっ
て、ロボット12はモデル移動経路に対応する所望の移動
経路に沿ってエンドエフェクター16を移動させる。この
ような方法で生成された移動制御プログラム部はデータ
メモリ100に一時的に記憶することができる。
【００４６】同様に、プロセッサ108は、データメモリ1
00に記憶されたモデルフォースポイントを使用してフォ
ース制御プログラム部生成ソフトウエアを実行し、フォ
ース制御プログラム部を生成することができる。そし
て、このフォース制御プログラム部によって、フォース
アクチュエータ42はモデルフォースレジームに対応する
所望のフォースレジームでバックスタンド40に負荷をか
ける。このような方法で生成されたフォース制御プログ
ラム部はデータメモリ100に一時的に記憶することがで
きる。駆動プログラム混合ソフトウエアを実行すること
により、フォース制御プログラム部と対応する移動制御
プログラム部とを混合または組み合わせてロボット駆動
プログラムとすることができる。そして、引き続いて行
なわれる実行に備えて制御機構14にダウンロードされる
前に、メモリ100に記憶することができる。前述のフォ
ース制御プログラム部生成および駆動プログラム混合機
能を行い得るソフトウエアを作ることは、当業者なら容
易である。
【００４７】データメモリ100に記憶されたロボット、
ワークステーション、およびエンドエフェクターの各モ
デルデータを使用して、プロセッサ108は、移動制御プ
ログラム部または駆動プログラムの関数として通常のグ
ラフィック生成プログラムを実行し、シュミレートされ
た移動プログラムグラフィックデータを生成することが
できる。シュミレートされた移動プログラムグラフィッ
クデータは、モニタ104に送られて、ワークステーショ
ン18に対する所望の移動経路に沿ってエンドエフェクタ
ー16を移動させているロボット12をシュミレートした３
次元の視覚的イメージを作り出す。グラフィック生成プ
ログラムを実行する間に、プロセッサ108は衝突のチェ
ックおよびアウトオブレンジのチェックを行うソフトウ
エアの実行も行う。
【００４８】衝突のチェックにおいては、ロボット、ワ
ークステーション、およびエンドエフェクターの各モデ
ルデータ(必要な場合には、それらの一部)を使用して、
ロボットが移動制御プログラム部によって表される移動
経路に沿ってエンドエフェクターを移動させる際にロボ
ット12および(または)エンドエフェクター16のモデル化
された部分がワークステーションのモデル化された部分
と衝突または接触するか否かが観測される。衝突または
異常接近があることが確認された場合には、衝突のチェ
ックを行うソフトウエアが、モニタ104または制御機構
の他のディスプレイ(図示せず)に衝突を示すメッセージ
のテキスト(textual message)を表示する。このメッセ
ージの代わりに、またはこのメッセージに加えて、グラ
ッフィクによるシュミレーションが可能なプログラミン
グコンピュータシステム58の一例は、ロボット12、エン
ドエフェクター16、および(または)ワークステーション
18の確認された衝突が起こり得る部分のグラフィックイ
メージを強調して、衝突部分を視覚的に表示することも
できる。
【００４９】アウトオブレンジのチェックにおいては、
ロボットの運動学的要素(robot kinematics)を示すモデ
ルデータを使用して、ロボットが移動制御プログラム部
によって表される移動経路に沿ってエンドエフェクター
を移動させることが物理的に可能であるか否か(すなわ
ち、所望の移動経路がロボットの作動範囲内にあるか否
か)が観測される。アウトオブレンジをチェックするソ
フトウエアの実行において確認されたアウトオブレンジ
状態を示すメッセージのテキストをモニタ104または制
御機構の他のディスプレイ(図示せず)に表示することが
できる。このメッセージの代わりに、またはこのメッセ
ージに加えて、グラッフィクによるシュミレーションが
可能なプログラミングコンピュータシステム58の一例
は、ロボット12のアウトオブレンジが確認された部分の
グラフィックイメージを強調して、アウトオブレンジ状
態を視覚的に表示することもできる。
【００５０】プログラミングコンピュータシステム58
は、モデル経路ポイントデータおよびモデルフォースポ
イントデータを取り扱う多数の機能を実行し得るように
プログラムされていてもよい。例えば、数学的な曲線の
フィッテイングおよびフィルタリングアルゴリズム(mat
hematical curve fitting and filtering algorithms)
を使用して、モデル経路ポイントデータおよび(または)
モデルフォースポイントデータを、それぞれ、移動制御
プログラム部生成ソフトウエアおよび(または)フォース
制御プログラム部生成ソフトウエアで処理される前に処
理して、移動経路およびフォースレジームを最適化して
もよい。移動制御プログラム部を生成するために処理さ
れるモデル経路ポイントおよびフォース制御プログラム
部を生成するために処理されるモデルフォースポイント
の数は、それぞれ、数学的アルゴリズムを使用すること
により選択的に減じることができ、各プログラム部の生
成および実行の効率を上げることができる。
【００５１】リードスルーによるロボットプログラミン
グシステム50は多くの利点を有する。エンドエフェクタ
ーモデルおよびデジタイジングアーム等のエンコーダを
使用しているので、専門家は、所望の移動経路と対応す
るモデル移動経路に沿って容易かつ正確にエンドエフェ
クターモデルを導くことができる。システムはフレキシ
ブルであり、特定のタイプのロボットや他の多軸マニピ
ュレータを使用しなければならないという制限もない。
この操作は、必要に応じてオンラインにおいてもオフラ
インにおいても行うことができる。デジタイジングアー
ムは、所望の移動経路上の選択されたポイントにおける
エンドエフェクターモデルの位置および向きを表すモデ
ル経路ポイントデータを正確に生成することができる。
このような方法でモデル経路ポイントデータをプログラ
ミングシステムコンピュータに入力することにより、ロ
ボットおよびそのエンドエフェクターを所望の移動経路
に沿って正確に移動させることができる移動制御プログ
ラム部を、都合よく、迅速に、かつ能率的に生成するこ
とができる。同様の方法で、正確なフォース制御プログ
ラム部および経路と同期化された他のパラメータのプロ
グラム部を、都合よく、迅速に、かつ能率的に生成する
ことができる。
【００５２】モニターにシュミレートされたグラフィッ
クによるロボット動作の視覚的なフィードバック、およ
び(または)衝突のチェックやアウトオブレンジのチェッ
クに基づいて、専門家はプログラミングシステムのイン
ターフェイスおよびシュミレーションソフトウエアを効
率的に使用し、移動制御プログラムの改善および最適化
を行う。専門家は教示された各ロケーションにおいてロ
ボットおよびエンドエフェクターの動作をシュミレート
したグラッフィクを観察する能力を有しているので、特
異点へのアプローチを見分けることができる。この情報
およびシステムインターフェイスを使用して、移動制御
プログラム部を修正し最適化し、そのような特異点への
アプローチを防止することができる。
【００５３】さらに、専門家はシュミレートされたロボ
ットおよびエンドエフェクターがモデル移動経路に沿っ
てリアルタイムで一のモデル経路ポイントから次のモデ
ル経路ポイントへと移動するときにモニターからの視覚
的なフィードバックを使用する能力を有しているので、
比較的はやく移動経路の修正を行うことができる。プロ
グラミングシステムのセットアップ手続の一部として一
旦キャリブレーション情報データが生成されてメモリに
記憶されると、続くプログラミング操作はエンドエフェ
クターおよびワークステーションのモデルを使用してオ
フラインで行うことが可能である。したがって、再度の
プログラミングのためにロボットを中断させる必要がな
い。
【００５４】リードスルーによる本発明のロボットプロ
グラミングシステムは、複数のワークステーションとと
もに使用することもできる。例えば、本発明のプログラ
ミングシステムは、複数の異なるワークステーションの
ワークピースに対してある動作を行い得るようにロボッ
トをプログラムするのに使用することもできる。複数の
各ワークステーションに対して、衝突のチェックおよび
アウトオブレンジのチェックを行うことができる。
【００５５】好ましい例を参照して本発明を説明してき
たが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく形式お
よび詳細において変更を行い得ることは、この分野の当
業者にとっては容易である。例えば、ワークピースが仕
上げ対象であり研摩タイプのワークステーション(すな
わち、工具)に対して移動されるロボットシステムを参
照して本発明を説明したが、この移動は相対的であっ
て、ワークステーションにワークピースを固定しエンド
エフェクターに工具を取り付けることも可能である。さ
らに、プログラミングシステムを使用して、相対的な移
動経路および移動経路と同期化されたパラメータを得る
ことができるので、ロボットが移動を再現する基準系を
容易に逆にすることができる。例えば、前述の例におい
ては、プログラミングおよびロボット作動の両方におい
てエンドエフェクターモデルは固定されたワークステー
ションに対して移動するが、プログラミング時に得られ
るモデル経路ポイントデータを使用して、ロボットが固
定されたエンドエフェクターに対してワークステーショ
ンを同一の相対的な移動経路に沿って移動させるように
する移動制御プログラム部を生成することもできる。さ
らに、ロボット制御機構とは別個のプログラミングコン
ピュータシステムを参照して本発明を説明したが、制御
機構が必要な計算能力を備えているならばプログラミン
グコンピュータシステムのすべての機能を制御機構で行
ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のリードスループログラミングシステ
ムを使用してプログラムされるワークステーションおよ
びロボットシステムを示す斜視図およびブロックダイア
グラムである。
【図２】 本発明のリードスループログラミングシステ
ムを示す斜視図およびブロックダイアグラムである。
【図３】 図２に示されるプログラミングコンピュータ
システムの詳細な機能を説明するブロックダイアグラム
である。
【図４】 図２に示されるデジタイジングアームを示す
斜視図およびブロックダイアグラムである。プログラミ
ングシステムのキャリブレーションに使用される図１の
ロボットやワークステーション、およびエンドエフェク
ターのキャリブレーションスタンドが合わせて示されて
いる。
【符号の説明】
10 ロボットシステム 12 ロボット 14 コンピュータ制御機構 16 エンドエフェクター 18 ワークステーション 19 リスト 20 アームアセンブリ 22 ウエスト軸 24 ショルダー軸 26 エルボー軸 28 x回転軸 29 ロボット基台 30 z回転軸 32 y回転軸 34 ワークピース 36 グリッパー 38 砥車 40 バックスタンド 42 アクチュエータ 50 リードスループログラミングシステム 52 ワークステーションモデル 53 クランプ機構 54 エンドエフェクターモデル 55 ワークピースモデル 56 デジタイジングアームシステム 58 プログラミングコンピュータシステム 60 デジタイジングアーム 62 アームコンピュータ 64 アームベース 66 動作端部 70 第１軸 72 第２軸 74 第３軸 76 x回転軸 78 z回転軸 80 y回転軸 90 砥車モデル 92 バックスタンドモデル 94 フォースセンサ 100 データメモリ 102 プログラムメモリ 104 ビデオモニタ 106 インターフェイス 108 プロセッサ 110 キャリブレーションスタンド 112、113 ポインター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２５Ｊ 13/00 Ｇ０５Ｂ 19/4068

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ワークステーションに対してエンドエフ
    ェクターを所望の移動経路上の一連の経路ポイントに沿
    って移動させるようにロボットをプログラミングするシ
    ステムであって、 人間が取り扱うことができ、モデル移動経路上のモデル
    経路ポイントに沿ってワークステーションに対して移動
    可能なエンドエフェクターモデル、 エンドエフェクターモデルがモデル移動経路に沿って移
    動する際の各モデル経路ポイントにおけるエンドエフェ
    クターモデルのワークステーションに対する位置および
    向きを表すモデル経路ポイントデータを与えるエンコー
    ダ、 ビデオディスプレイ手段、 データを記憶する電子的なメモリ、およびエンコーダ、
    ビデオディスプレイ手段、および電子的なメモリに結合
    された、プログラム可能なコンピュータ、を備えてお
    り、 前記モデル経路ポイントおよびモデル移動経路は、所望
    の経路ポイントおよび移動経路と対応しており、 前記電子的なメモリは、 ロボットシュミレーションおよび移動プログラム生成ソ
    フトウエアを記憶するシュミレーションソフトウエアメ
    モリ、 モデル経路ポイントデータを記憶するモデル経路ポイン
    トメモリ、およびロボットの移動制御プログラム部を記
    憶する移動プログラムメモリ、を備えており、 前記プログラム可能なコンピュータは、 モデル経路ポイントデータの関数としてロボットシュミ
    レーションおよび移動プログラム生成ソフトウエアを実
    行し、ロボットがエンドエフェクターを所望の移動経路
    に沿って移動させるようにする移動制御プログラム部を
    生成するとともに、この移動制御プログラム部を移動プ
    ログラムメモリに記憶する、移動プログラム処理手段、 モデル経路ポイントデータの関数としてロボットシュミ
    レーションおよび移動プログラム生成ソフトウエアを実
    行して、ビデオディスプレイ手段がエンドエフェクター
    を所望の移動経路に沿って移動させるロボットのグラフ
    ィックディスプレイを生成するようにする、ビデオ処理
    手段、および移動制御プログラム部をロボットに送る出
    力ポート、を備えている、リードスループログラミング
    システム。
  2. 【請求項２】 前記エンコーダは、エンドエフェクター
    モデルと結合された自由度６のデジタイジングアームを
    備えている、請求項１記載のシステム。
  3. 【請求項３】 前記電子的なメモリは、 ロボットモデルデータを記憶するロボットモデルメモ
    リ、およびロボットのアウトオブレンジをチェックする
    ソフトウエアを記憶するレンジチェックメモリ、をさら
    に備えており、 前記プログラム可能なコンピュータは、 ロボットモデルデータおよびモデル経路ポイントデータ
    の関数として、 アウトオブレンジをチェックするソフトウエアを実行
    し、ロボットが移動制御プログラム部で表される所望の
    移動経路に沿ってエンドエフェクターを移動できるか否
    かを示すアウトオブレンジ測定(determination)データ
    を生成する、アウトオブレンジ処理手段、およびビデオ
    ディスプレイ手段が、アウトオブレンジ測定(determina
    tion)データの関数として、そしてロボットが所望の移
    動経路に沿ってエンドエフェクターを移動することがで
    きるか否かを示す、アウトオブレンジディスプレイを生
    成するようにする、アウトオブレンジビデオ処理手段、
    をさらに備えている、請求項１記載のシステム。
  4. 【請求項４】 前記電子的なメモリは、 ワークステーションモデルデータを記憶するワークステ
    ーションモデルメモリ、 ロボットモデルデータを記憶するロボットモデルメモ
    リ、 エンドエフェクターモデルデータを記憶するエンドエフ
    ェクターモデルメモリ、およびロボットの衝突をチェッ
    クするソフトウエアを記憶する衝突チェックメモリ、を
    さらに備えており、 前記プログラム可能なコンピュータは、 ワークステーションモデルデータ、ロボットモデルデー
    タ、エンドエフェクターモデルデータ、およびモデル経
    路ポイントデータの関数として衝突チェックソフトウエ
    アを実行し、ロボットが移動制御プログラム部によって
    表される所望の移動経路に沿ってエンドエフェクターを
    ワークステーションに衝突させることなく移動すること
    ができるか否かを示す衝突測定(determination)データ
    を生成する、衝突処理手段、およびビデオディスプレイ
    手段が、衝突測定(determination)データの関数とし
    て、そしてロボットが所望の移動経路に沿ってエンドエ
    フェクターをワークステーションに衝突させることなく
    移動することができるか否かを示す、衝突ディスプレイ
    を生成するようにする、衝突ビデオ処理手段、をさらに
    備えている、請求項１記載のシステム。
  5. 【請求項５】 前記電子的なメモリは、 エンドエフェクターモデル、ロボット、およびワークス
    テーションの相対位置を示すキャリブレーションデータ
    を記憶するキャリブレーションメモリをさらに備えてお
    り、 前記移動プログラム処理手段は、 モデル経路ポイントデータおよびキャリブレーションデ
    ータの関数として、ロボットシュミレーションおよび移
    動プログラム生成ソフトウエアを実行し、ロボットがエ
    ンドエフェクターを所望の移動経路に沿って移動するよ
    うにする移動制御プログラム部を生成する手段を備えて
    いる、請求項１記載のシステム。
  6. 【請求項６】 専門家が作動させることができ、前記プ
    ログラム可能なコンピュータに結合されたインターフェ
    イスをさらに備えており、 グラフィックディスプレイによる視覚的なフィードバッ
    クを介して、ロボットシュミレーションおよび移動プロ
    グラム生成ソフトウエアに干渉して、移動制御プログラ
    ム部の最適化を行う、請求項１記載のシステム。
  7. 【請求項７】 ロボットおよび、エンドエフェクターが
    所望の移動経路に沿って移動されるときの経路に同期化
    された所望のパラメータレジームを介してパラメータ制
    御可能な装置をプログラムする請求項１記載のシステム
    であって、 システムは、エンドエフェクターモデルがモデル移動経
    路に沿って移動するときの所望のパラメータレジームに
    対応するモデルパラメータレジームを表すモデルパラメ
    ータポイントデータを与えるパラメータセンサをさらに
    備えており、 前記電子的なメモリは、 モデルパラメータポイントデータを記憶するモデルパラ
    メータポイントメモリ、 パラメータ制御プログラム部生成ソフトウエアを記憶す
    るパラメータプログラムソフトウエアメモリ、およびパ
    ラメータ制御プログラム部を記憶するパラメータレジー
    ムメモリ、をさらに備えており、 前記プログラム可能なコンピュータは、 パラメータ制御プログラム部生成ソフトウエアをモデル
    パラメータポイントデータの関数として実行し、パラメ
    ータ制御プログラム部を生成して、パラメータ制御され
    る装置がエンドエフェクターの移動経路に関する所望の
    パラメータレジームを介して駆動されるようにするとと
    もに、パラメータ制御プログラム部をパラメータレジー
    ムメモリに記憶する、パラメータプログラム処理手段を
    さらに備えている、システム。
  8. 【請求項８】 ロボットが所望の移動経路に沿ってエン
    ドエフェクターを移動させるときにワークステーション
    とエンドエフェクターとの間に作用する力を制御しエン
    ドエフェクターに関する所望のフォースレジームを介し
    てワークステーションを駆動するアクチュエータを備え
    たパラメータ制御可能な装置を有するワークステーショ
    ンに対してエンドエフェクターを移動させるようにロボ
    ットをプログラムする請求項７記載のシステムであっ
    て、 前記パラメータセンサは、 エンドエフェクターモデルがモデル移動経路に沿って移
    動するときのエンドエフェクターモデルとワークステー
    ションとの間の所望のフォースレジームに対応するモデ
    ルフォースレジームを表すモデルフォースポイントデー
    タを与える圧力センサを備えており、 前記モデルパラメータポイントメモリは、モデルフォー
    スポイントデータを記憶するメモリを備えており、 前記パラメータプログラムソフトウエアメモリは、フォ
    ース制御プログラム部生成ソフトウエアを記憶するメモ
    リを備えており、 前記パラメータレジームメモリは、フォース制御プログ
    ラム部を記憶するメモリを備えており、 前記パラメータプログラム処理手段は、 モデルフォースポイントデータの関数としてフォース制
    御プログラム部生成ソフトウエアを実行して、フォース
    制御プログラム部を生成し、アクチュエータが所望のフ
    ォースレジームを介してワークステーションをエンドエ
    フェクターに対して移動するようにするとともに、フォ
    ース制御プログラム部をパラメータレジームメモリに記
    憶する手段を備えている、システム。
  9. 【請求項９】 オフラインでのプログラミングを行うよ
    うに構成されており、ワークステーションモデルをさら
    に備えており、 人間が取り扱うことができる前記エンドエフェクターモ
    デルは、モデル移動経路上の一連のモデル経路ポイント
    に沿ってワークステーションモデルに対して移動可能で
    ある、請求項１記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 ワークピースを含むエンドエフェクタ
    ーを所望の移動経路に沿ってワークステーションに対し
    て移動させるようにロボットをプログラミングする請求
    項１記載のシステムであって、前記エンドエフェクター
    モデルはワークピースのレプリカを含んでいるシステ
    ム。
JP7205672A 1994-08-12 1995-08-11 リードスルーによるロボットプログラミングシステム Pending JPH0869314A (ja)

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