JPH09171402A - ロボット制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 教示装置をロボットに設置したオンラインの
状態で実際にロボットを動作させつつ、リアルタイム
で、容易かつ確実に干渉チェックを行うことのできるロ
ボット制御装置を提供する。 【解決手段】 ワーク１５を網塗り塗装するための教示
データと、リンク機構７、第１アーム１０及び第２アー
ム１２の長さに基づき、塗装ガン１４のガン先を移動さ
せる作業範囲を決定する。そして、この作業範囲内でガ
ン先を移動させるように目標ガン先位置ｘ4refを算出す
る。又、障害物が設置されている場合には、動作が制限
される動作制限区域を求め、該区域にマニピュレータ４
の各部分が侵入する場合には、動作を停止させ、又はガ
ン先位置を該区域との境界に沿って移動させるように目
標ガン先位置ｘ4refを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業用ロボットの
制御装置に関わり、特に狭い領域で動作するロボットに
用いて好適なロボット制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、産業用ロボットの制御は、教示者
がロボットのアーム長さ（動作範囲）、設置条件、ブー
スの大きさを考慮した上でワークを設置し、教示を行う
ことによってなされていた。又、複数のロボットがそれ
ぞれの動作範囲を共有しながら作業を行う場合や、動作
範囲内に機器が設けられている場合、各ロボットのマニ
ピュレータや周辺機器が相互に干渉することがあるが、
かかる干渉を回避するため、従来においては、シミュレ
ーション等によりオフラインで画面上のロボットを動作
させて干渉チェックを行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のロボット制御においては、教示に要する工数が多
く、教示時間が長くなるという問題点を有していた。
又、これにより、教示者はマニピュレータ近傍に長時間
いなければならず、多大な労力を要していた。更に、実
際にロボットを動作させたとき、ワーク、周辺機器、近
傍のマニピュレータ等が相互に干渉してしまう場合もあ
り、かかる場合には教示データの修正を行う必要が生ず
る。従って、より長い教示時間が必要となる上に、干渉
することによって周辺機器やマニピュレータ等が破損す
るおそれもあるという問題点を有していた。

【０００４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、教示装置をロボットに設置したオンラインの状
態で実際にロボットを動作させつつ、リアルタイムで、
容易かつ確実に干渉チェックを行うことのできるロボッ
ト制御装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
作業対象物に応じたロボットの動作を指定する教示デー
タを入力する入力手段と、前記入力手段から入力された
前記教示データ及び前記ロボットの可動部分の形態に基
づいて、前記可動部分を動作させる空間領域を算出する
第１の演算手段と、前記教示データに基づいて前記可動
部分を動作させる目標位置データを算出する第２の演算
手段と、前記目標位置データによって表される位置を前
記第１の演算手段により算出された前記空間領域内に制
限し、各々の時刻において、前記可動部分の位置を前記
空間領域内で指定して前記可動部分を前記空間領域内で
動作させる制御データを算出する第３の演算手段とを有
することを特徴としている。

【０００６】請求項２記載の発明は、請求項１記載のロ
ボット制御装置において、前記可動部分は、各々、一端
が回動軸に取り付けられ、該回動軸を中心に他端部が回
動移動する１つ以上のアームが各々の回動軸を介して連
結されたアーム部と、前記アーム部に取り付けられ、前
記アーム部全体の動作によって移動してロボットの作業
対象物に対して直接作業を施す作業実施手段とを有し、
前記第１の演算手段は、前記教示データ及び前記可動部
分の各々の前記アームの長さに基づいて前記空間領域を
算出する演算手段であり、前記第２の演算手段は、前記
教示データに基づいた前記アームの各々の連結部の位置
及び前記作業実施手段の位置を前記目標位置データとし
て算出する演算手段であり、前記第３の演算手段は、前
記目標位置データによって表される前記アームの各々の
連結部の位置及び前記作業実施手段の位置を前記第１の
演算手段により算出された前記空間領域内に制限し、各
々の時刻において、前記空間領域内に制限した位置に基
づいて前記作業実施手段を前記空間領域内で動作させる
ための各々の前記アームの回動移動方向における回転角
を前記制御データとして算出する演算手段であることを
特徴としている。

【０００７】請求項３記載の発明は、作業対象物に応じ
たロボットの動作を指定する教示データ及び前記ロボッ
トの可動部分の動作領域内に存在する障害物についての
データを入力する入力手段と、前記入力手段から入力さ
れた前記障害物についてのデータに基づいて前記障害物
の領域を特定し、前記可動部分の移動を制限すべき動作
制限区域を特定する動作制限区域データを算出する第４
の演算手段と、前記第４の演算手段によって算出された
前記動作制限区域データを記憶する記憶手段と、前記教
示データに基づいて前記可動部分を動作させる目標位置
データを算出する第５の演算手段と、前記記憶手段から
前記動作制限区域データを読み出し、前記目標位置デー
タによって表される前記可動部分の位置が、前記動作制
限区域に侵入しているか否か判断し、侵入している場合
には、前記ロボットの動作を停止させる制御データを出
力する第６の演算手段とを有することを特徴としてい
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態
によるロボット制御装置を適用した塗装ロボットシステ
ムの構成を示す概略斜視図である。

【０００９】図において、１は制御ユニットであり、テ
ィーチングペンダント２からの指示データを受けるとと
もに、接続線３を介してマニピュレータ４へ制御信号を
出力する。この制御ユニット１は、ロボットの制御プロ
グラム、教示データ、各種制御パラメータ等を記憶する
記憶装置と、それらプログラム等と前記指示データとに
基づいて制御演算及び軌道生成等を行う演算装置とを具
備しており、該演算装置による演算処理の結果に基づい
て前記制御信号を出力する。なお、この演算処理の詳細
については後述する。

【００１０】ここに、ティーチングペンダント２は、教
示者の指示を入力するキーボード及び表示部等を有する
入出力装置である。又、接続線３は、ケーブル等により
構成された接続線であり、制御ユニット１とマニピュレ
ータ４とをオンラインで接続するものである。

【００１１】マニピュレータ４は、固定ベース５、第１
モータ６、リンク機構７、第２ベース８、第２モータ
９、第１アーム１０、モータケース１１、第２アーム１
２及び手首１３等により構成された本塗装ロボットシス
テムにおける塗装ロボットの主要部である。ここで、固
定ベース５は、ブース内の壁面又は天井に固定されてお
り、これにより、マニピュレータ４がブース内の所定位
置に設置されている。

【００１２】第１モータ６は、固定ベース５に取り付け
られており、制御ユニット１からの制御信号に基づいて
駆動し、一端が第一モータ６の回転軸に取り付けられた
リンク機構７を図中θ1方向に回動移動させる。一方、
リンク機構７の他端は第２ベース８に回動可能な連結軸
を介して取り付けられており、第２ベース８は第１アー
ム１０の上側に取り付けられている。すなわち、第１モ
ータ６の駆動により、第２ベース８、第１アーム１０等
の部材が上下移動するような構成となっている。

【００１３】又、第２ベース８には、第２モータ９が取
り付けられている。この第２モータ９は、制御ユニット
１からの制御信号に基づいて駆動し、その回転軸を中心
に第１アーム１０を図中θ2方向に回動移動させる。更
に、第１アーム１０の下側には、モータケース１１が取
り付けられており、このモータケース１１内に第３、第
４モータ（図示略）が収納されている。

【００１４】第２アーム１２は、第１アーム１０の先端
部に回動可能な連結軸を介して連結されている。又、手
首１３は、第２アーム１２の先端部に回動可能な連結軸
を介して取り付けられており、その先端部に塗装ガン１
４が取り付けられている。そして、上記第３、第４モー
タが、第１、第２モータ同様、制御ユニット１からの制
御信号に基づいて駆動し、それぞれの伝達機構を介して
第３モータが第２アーム１２を図中θ3方向に回動移動
させ、第４モータが塗装ガン１４を図中θ4方向に回動
させるようになっている。

【００１５】ここで、塗装ガン１４は、一定の方向へ一
定の広がりを持って塗料を噴射するものである。又、１
５は塗装の対象とするワークである。なお、ワークには
種々の形状のものが考えられるが、本実施形態では説明
を簡明にするため、主として図示のような直方体のワー
ク１５を例として以下の説明を進めるものとする。

【００１６】次に、上記構成による塗装ロボットシステ
ムの動作について説明する。 ＜１．作業範囲の決定＞最初に、教示データから作業範
囲を決定する動作について図２〜図６を参照して説明す
る。ここに、作業範囲とは、塗装ガン１４の先端部（以
下、「ガン先位置」という）を移動させることができる
範囲であり、第１アーム１０、第２アーム１２の長さ
や、ワークの形状等によって制限される。ここでは、図
２に示すように、ワーク１５の表面を網塗り塗装する場
合の作業範囲を決定する場合について述べる。

【００１７】図２においては、原点Ｏ、ＸR軸、ＹR軸及
びＺR軸で示したロボットベース座標系を定義する。こ
のロボットベース座標系は、第１モータ６の回転軸の中
心を原点Ｏとした座標系であり、図中の各点をこの座標
系に準じて表現するものとする。又、線分ｒ1、ｒ2、ｒ
3は、それぞれリンク機構７、第１アーム１０、第２ア
ーム１２に相当し、位置ベクトルｘ1、ｘ2、ｘ3がそれ
ら部材の連結点又は先端部の位置（以下、「関節位置」
という）を表している。更に、ガン先位置を位置ベクト
ルｘ4で表し、ガン先の方向を下向きのときを基準（０
°）として上記回転角度θ4で表すものとする。この回
転角度θ4は、ワーク１５の上面１５ａの塗装時にはθ4
≒０°、側面１５ｂの塗装時には、例えば、θ4＜−３
０°、側面１５ｃの塗装時にはθ4＞３０°となる。

【００１８】このような設定の下で、まず、ワーク１５
を網塗り塗装するための教示データの読み込みを行う
（図３のステップＳ1参照）。この教示データは、例え
ば、図２中にｐ0、ｐ1、…、ｐ'0、ｐ'1、…で表した点
の座標データからなるものであり、かかる座標データを
教示者がティーチングペンダント２から入力する。そし
て、教示データが読み込まれると、制御ユニット１にお
いて、図３のステップＳ2以下に示す手順による演算処
理が行われる。

【００１９】ステップＳ2では、教示データをワーク１
５の各塗装面に対面する点の組に分割する。以下、この
ような点の組が存在するワーク１５の各塗装面に対応し
た空間をブロックという。例えば、教示データが図２の
点ｐ0、ｐ1、…、ｐ'0、ｐ'1、…の座標データからなる
場合を考えると、教示データは、ワーク１５の上面１５
ａに対応するブロック（ｐ0〜ｐ9）と側面１５ｂに対応
するブロック（ｐ'0〜ｐ'3）の２ブロックに分割される
ことになる。ステップＳ2では、このようにして教示デ
ータをワーク１５の各塗装面に対応する各ブロックへ分
割する。なお、図中の“ブロックｎ”は、塗装面の数を
（ｎ＋１）としたときのブロック数に相当するブロック
番号である。

【００２０】次に、それぞれのブロック毎にガン先位置
の移動範囲を決定する演算処理が行われる。まず、演算
処理の対象とするブロックｉ（ｉ＝０、１、…、ｎ）に
ついて、対応するワーク１５の塗装面の方向から、塗装
ガン１４のガン先が向く方向を判断する（ステップＳ
3）。いま、ブロックｉがワーク１５の上面１５ａに対
応するブロックであるとすると、ガン先方向は下向き、
すなわちθ4≒０°となり、ステップＳ4へ進む。

【００２１】ステップＳ4では、ブロックｉにおける作
業範囲決定のための初期化を行う。すなわち、上面１５
ａの教示データの始点から終点までの各方向（ＸR方
向、ＹR方向、ＺR方向）についての最大値ｘmax、ｙma
x、ｚmax及び最小値ｘmin、ｙmin、ｚminを初期化する
のである。この初期化は、教示者がティーチングペンダ
ント２から最大値ｘmax、ｙmax、ｚmaxに十分小さい値
を入力し、最小値ｘmin、ｙmin、ｚminに十分大きい値
を入力することによって行われる。

【００２２】上記初期化が完了すると、制御ユニット１
内の演算装置により、ブロックｉ内の点ｐj（j＝0、1、
…、m）の座標データ（ｐjx，ｐjy，ｐjz）の各成分
と、最大値（ｘmax，ｙmax，ｚmax）及び最小値（ｘmi
n，ｙmin，ｚmin）の各成分との比較が行われる。そし
て、各成分について、ｐj成分が対応する最大値成分よ
り大きい場合には、その最大値成分をｐj成分の値とす
る（ステップＳ5、Ｓ6、Ｓ7）。逆に、ｐj成分が対応す
る最小値成分より小さい場合には、その最小値成分をｐ
j成分の値とする（ステップＳ8、Ｓ9、Ｓ10）。この比
較演算をブロックｉ内の全ての点（ｐ0〜ｐm）について
行い、各方向の最大値と最小値を決定する。

【００２３】続いて、はみ出し量（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）
を最大値に加算又は最小値に減算して、作業範囲を形成
する直方体空間の各頂点の座標を決定する（ステップＳ
11）。ここで、はみ出し量とは、ガン先位置ｘ4が各方
向の最大値又は最小値を越えて移動し得る距離であり、
第１アーム１０又は第２アーム１２が特異点近傍を通過
することのないように図４に示す手順で算出される。

【００２４】θ4≒０のとき、すなわち、上面１５ａの
塗装作業に関するブロックｉにおいては、第１アーム１
０及び第２アーム１２が伸びきった姿勢になることがな
いようなはみ出し量を算出する。まず、教示データのロ
ボットベース座標系の原点Ｏから最も遠い点と原点Ｏと
の間のＸR-ＹR平面における距離Ｌを求める（ステップ
ＳＳ1）。

【００２５】次いで、この塗装ロボットシステムでは塗
装ロボットが設置される位置が高いほど塗装面への到達
距離が長くなることを考慮して、ガン先位置ｘ4のＺR成
分を最小値ｚminとするときのリンク機構７の回転角度
θ1を算出し、そのときのリンク機構７（線分ｒ1）先端
部の到達距離Ｌ1を求める（ステップＳＳ2）。

【００２６】この到達距離Ｌ1と、第１アーム１０（線
分ｒ2）及び第２アーム１２（線分ｒ3）の長さの和（Ｌ
1＋ｒ2＋ｒ3）がマニピュレータ４の最大到達距離とな
る。そこで、この最大到達距離と上記距離Ｌとの差をは
み出し量ｄｘ、ｄｙとする。又、ガン先位置ｘ4のＺR成
分の制限値ｚlimと最大値ｚmaxとの差をはみ出し量ｄｚ
とする（ステップＳＳ3）。

【００２７】このようにして算出されたはみ出し量（ｄ
ｘ，ｄｙ，ｄｚ）を用い、図３のステップＳ11におい
て、上記直方体空間の頂点ＱAi、ＱBi、…、ＱHiの座標
が決定される。具体的には各頂点の座標を、 ＱAi＝（ｘmax＋ｄｘ，ｙmax＋ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱBi＝（ｘmax＋ｄｘ，ｙmin−ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱCi＝（ｘmin−ｄｘ，ｙmin−ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱDi＝（ｘmin−ｄｘ，ｙmax＋ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱEi＝（ｘmax＋ｄｘ，ｙmax＋ｄｙ，ｚmin） ＱFi＝（ｘmax＋ｄｘ，ｙmin−ｄｙ，ｚmin） ＱGi＝（ｘmin−ｄｘ，ｙmin−ｄｙ，ｚmin） ＱHi＝（ｘmin−ｄｘ，ｙmax＋ｄｙ，ｚmin） とする。これにより、上面１５ａにおける作業範囲を、
ｘ＝ｘmin−ｄｘ〜ｘmax＋ｄｘのＸR軸に平行な４直線
と、ｙ＝ｙmin−ｄｙ〜ｙmax＋ｄｙのＹR軸に平行な４
直線と、ｚ＝ｚmin〜ｚmax＋ｄｚのＺR軸に平行な４直
線とで囲まれた直方体空間と決定する。

【００２８】一方、ステップＳ3でブロックｉがワーク
１５の側面１５ｂに対応するブロックである場合は、ガ
ン先はマニピュレータ４の前方を向くこととなるので、
θ4＜−３０°となり、ステップＳ12へ進む。

【００２９】ステップＳ12では、ブロックｉの教示デー
タを用い、上記ステップＳ4〜Ｓ10と同様の手順によっ
て、ＸR、ＹR、ＺRの各方向の最大値（ｘmax，ｙmax，
ｚmax）及び最小値（ｘmin，ｙmin，ｚmin）を決定す
る。そして、ステップＳ13へ進み、側面１５ｂに対応す
るブロックにおけるはみ出し量（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）を
算出してから、上記ステップＳ11同様に作業範囲を決定
する。

【００３０】この場合のはみ出し量は、第１アーム１
０、第２アーム１２の干渉が生じないように図４のステ
ップＳＳ4〜ＳＳ6の手順によって行われる。まず、ガン
先位置ｘ4が原点Ｏに最も近くなるときのＸR-ＹR平面に
おける距離Ｌ’を求める（ステップＳＳ4）。

【００３１】次いで、ガン先位置ｘ4のＺR成分を最大値
ｚmaxとするときのリンク機構７の回転角度θ1’を算出
し、そのときのリンク機構７（線分ｒ1）先端部の到達
距離Ｌ1’を求める（ステップＳＳ5）。

【００３２】そして、第１アーム１０、第２アーム１２
が最も折れた姿勢になるとき、すなわち回転角度θ3が
最小となるときのガン先位置ｘ4の原点からの距離（Ｌ
1’＋ｒ1−ｒ2ｃｏｓθ3min）と、上記距離Ｌ’との差
をはみ出し量ｄｘ、ｄｙとする。又、ガン先位置ｘ4の
ＺR成分の制限値ｚlimと最大値ｚmaxとの差をはみ出し
量ｄｚとする（ステップＳＳ6）。

【００３３】図３のステップＳ13での作業範囲の決定
は、具体的には、該作業範囲を形成する直方体空間の頂
点ＱAi、ＱBi、…、ＱHiの座標を、 ＱAi＝（ｘmax，ｙmax＋ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱBi＝（ｘmax，ｙmin−ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱCi＝（ｘmax，ｙmin−ｄｙ，ｚmin−ｄｚ） ＱDi＝（ｘmax，ｙmax＋ｄｙ，ｚmin−ｄｚ） ＱEi＝（ｘmin−ｄｘ，ｙmax＋ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱFi＝（ｘmin−ｄｘ，ｙmin−ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱGi＝（ｘmin−ｄｘ，ｙmin−ｄｙ，ｚmin−ｄｚ） ＱHi＝（ｘmin−ｄｘ，ｙmax＋ｄｙ，ｚmin−ｄｚ） とする。これにより、側面１５ｂにおける作業範囲を、
ｘ＝ｘmin−ｄｘ〜ｘmaxのＸR軸に平行な４直線と、ｙ
＝ｙmin−ｄｙ〜ｙmax＋ｄｙのＹR軸に平行な４直線
と、ｚ＝ｚmin−ｄｚ〜ｚmax＋ｄｚのＺR軸に平行な４
直線とで囲まれた直方体空間と決定する。

【００３４】又、ステップＳ3でブロックｉがワーク１
５の側面１５ｃに対応するブロックである場合は、ガン
先方向はマニピュレータ４と向かい合う方向となるの
で、θ4＞３０°となり、ステップＳ14へ進む。

【００３５】ステップＳ14では、上記同様、ＸR、ＹR、
ＺRの各方向の最大値（ｘmax，ｙmax，ｚmax）及び最小
値（ｘmin，ｙmin，ｚmin）を決定する。そして、ステ
ップＳ15へ進み、側面１５ｃに対応するブロックにおけ
るはみ出し量を算出してから、上記ステップＳ11、Ｓ13
同様に作業範囲を決定する。

【００３６】この場合は、塗装ロボットの遠方の塗装面
を塗装ガン１４が回り込んで塗装作業を行う場合である
ので、上記上面１５ａの塗装時同様に第１アーム１０及
び第２アーム１２が伸びきった姿勢になることがないよ
うに、上述した図４のステップＳＳ1〜ＳＳ3の手順では
み出し量を算出する。

【００３７】図３のステップＳ15での作業範囲の決定
は、具体的には、該作業範囲を形成する直方体空間の頂
点ＱAi、ＱBi、…、ＱHiの座標を、 ＱAi＝（ｘmax＋ｄｘ，ｙmax＋ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱBi＝（ｘmax＋ｄｘ，ｙmin−ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱCi＝（ｘmax＋ｄｘ，ｙmin−ｄｙ，ｚmin） ＱDi＝（ｘmax＋ｄｘ，ｙmax＋ｄｙ，ｚmin） ＱEi＝（ｘmin，ｙmax＋ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱFi＝（ｘmin，ｙmin−ｄｙ，ｚmax＋ｄｚ） ＱGi＝（ｘmin，ｙmin−ｄｙ，ｚmin） ＱHi＝（ｘmin，ｙmax＋ｄｙ，ｚmin） とする。これにより、側面１５ｃにおける作業範囲を、
ｘ＝ｘmin〜ｘmax＋ｄｘのＸR軸に平行な４直線と、ｙ
＝ｙmin−ｄｙ〜ｙmax＋ｄｙのＹR軸に平行な４直線
と、ｚ＝ｚmin−ｄｚ〜ｚmax＋ｄｚのＺR軸に平行な４
直線とで囲まれた直方体空間と決定する。

【００３８】このように、各ブロック毎について作業範
囲を決定することにより、ワーク１５の全ての塗装面に
ついての作業範囲を決定する。

【００３９】ここで、ワーク１５が塗装ロボットの正面
でない位置に置かれている場合、すなわち、図５に示す
ように教示データがロボットベース座標系のＸR、ＹR、
ＺR軸と平行でない場合の作業範囲決定について説明す
る。

【００４０】まず、教示データの始点ｐ0から第２点ｐ1
へ向かう方向余弦ｅpを求め（図６のステップＳ20）、
この方向余弦ｅpがＹR軸又はＸR軸となす角θyを求める
（ステップＳ21）。そして、ワーク座標系に準ずる座標
系として、ロボットベース座標系をＺR軸を中心として
角度θy回転したワーク座標系ＸR’ＹR’ＺR’を定義す
る（ステップＳ22）。

【００４１】次いで、教示データを、ＺR軸を中心にθy
回転する回転マトリクスを用いて座標変換し、ワーク座
標系から見た位置（座標）に置き換える（ステップＳ2
3）。更に、上記ガン先位置ｘ4、最大値（ｘmax，ｙma
x，ｚmax）及び最小値（ｘmin，ｙmin，ｚmin）等につ
いても、この新たに定義したワーク座標系に準じて表す
ものとして、上述した図２に示す手順と同様にして作業
範囲を決定する（ステップＳ24）。

【００４２】＜２．ガン先の移動＞次に、作業範囲内で
のガン先の移動について、図７及び図８を参照して説明
する。なお、以下に述べるガン先の移動は、ワーク１５
が塗装ロボットの正面に置かれておらず、ロボットベー
ス座標系をθy回転したワーク座標系ＸR’ＹR’ＺR’に
準じて作業範囲が決定されている場合である。

【００４３】まず、リンク機構７、第１アーム１０、第
２アーム１２、手首１３の各回動軸の回転角度θ1〜θ4
を読み込む（ステップＳ30）。この読み込みは、マニピ
ュレータ４側から接続線３を介して制御ユニット１へ各
軸の回転角度θ1〜θ4の値がフィードバックされること
によって行われる。そして、制御ユニット１において、
各軸角度のフィードバック値θ1〜θ4から現在のガン先
位置ｘ4feedが算出される（ステップＳ31）。

【００４４】この後、再生、教示等、塗装ロボットの動
作状態に基づいた目標軌道から、目標ガン先位置ｘ4ref
を算出する（ステップＳ32）。ここで、算出される目標
ガン先位置ｘ4refは、通常のロボットベース座標系に準
じた座標となっているので、ＺR軸の周りにθy回転した
ワーク座標系の目標位置ｘ4ref’に変換する（ステップ
Ｓ33）。

【００４５】次いで、変換後の目標位置ｘ4ref’の各方
向（ＸR’，ＹR’，ＺR’）の成分が、制限値の範囲
（ｘmin’〜ｘmax’，ｙmin’〜ｙmax’，ｚmin’〜ｚm
ax’）内にあるか否かをチェックする（ステップＳ3
4）。ここに、制限値とは、ワーク座標系に準じて表さ
れた作業範囲における各方向の最大値（ｘmax’、ｙma
x’、ｚmax’）及び最小値（ｘmin’、ｙmin’、ｚmi
n’）である。

【００４６】ステップＳ34において、目標位置ｘ4ref’
のいずれかの成分が、対応する制限値の範囲を超えてい
る場合には、ステップＳ35へ進み、該成分に制限値の値
を入力した新たな目標位置ｘ4ref’を求める。そして、
ステップＳ36へと進み、この新たに求めた目標位置ｘ4r
ef’をＺR’軸の周りに−θy回転させる変換を行い、ロ
ボットベース座標系における新たな目標ガン先位置ｘ4r
efとする。

【００４７】一方、ステップＳ34において、目標位置ｘ
4ref’の全ての成分が、対応する制限値の範囲内にある
場合には、目標ガン先位置をステップＳ32で算出したｘ
4refのままとし、ステップＳ35及びＳ36の演算処理は行
わない。

【００４８】このようにして求めた目標ガン先位置ｘ4r
efと現在のガン先位置ｘ4feedにより、塗装ロボットの
制御量を算出する（ステップＳ37）。この制御量の算出
は、通常の産業用ロボット制御と同様の手順によるが、
逆運動学変換を行わずに各軸の回転角速度ｄθ1〜ｄθ4
（“ｄ”は各回転角度方向の角速度（回転角度の微分）
を表す。）を求める手順によって行う。

【００４９】ここで、かかる制御量の算出について、図
８に示す本塗装ロボットの制御系ブロック図を参照して
概説する。図８に示すように、本塗装ロボットの制御に
おいては、目標ガン先位置ｘ4refに現在ガン先位置ｘ4f
eedをフィードバックし、ヤコビ行列Ｊの逆行列Ｊ^-1を
用いて制御量（ｘ4ref−ｘ4feed）を変換する。この変
換は、ロボットベース座標系に準じた制御量（ｘ4ref−
ｘ4feed）を、各軸回転角速度ｄθ1〜ｄθ4を要素とす
るいわゆるロボット座標系における制御量ｄθ´comに
変換するものである。そして、速度ループにおいて各軸
における回転を担う第１モータ６、第２モータ９等のモ
ータ回転速度制御量ｄθ´feedを算出し、積分演算子１
／Ｓによる積分演算を経て各軸回転角度制御量θoutを
算出する。

【００５０】又、算出された各軸回転角度制御量θout
をフィードバックする際に、フィードバック値θfeed
（＝θout）を運動学変換によってロボットベース座標
系に準じた現在ガン先位置ｘ4feedに変換する。なお、
このロボットベース座標系への変換は、図７のステップ
Ｓ31における処理に相当する。

【００５１】ステップＳ37では、このようにして塗装ロ
ボットの制御量θoutが算出され、この制御量θoutに基
づいて各軸の回転が制御される（ステップＳ38）。以
後、所定時間毎（例えば５ms毎）に上記ステップＳ30〜
Ｓ38の演算、制御を繰り返して行う。これにより、作業
範囲内においてガン先の移動が制御されると共に、目標
軌道から算出した目標ガン先位置ｘ4refが作業範囲外と
なっても作業範囲の境界に沿ってガン先を移動させるの
で、動作制限に従いつつ、目標軌道に可能な限り忠実な
制御を行うことができる。

【００５２】＜３．干渉チェック＞続いて、マニピュレ
ータ４の動作範囲内に障害物が設置されている場合の干
渉チェックを伴う制御について説明する。ここでは、随
時、図９中に一点鎖線で示した形状の障害物が設置され
ている場合を例に挙げて説明する。

【００５３】動作制限区域の教示 障害物が設置されている場合には、該障害物と、第１ア
ーム１０、第２アーム１２等の干渉を防ぐため、マニピ
ュレータ４の動作範囲を制限する必要がある。そこで、
教示データを読み込む場合と同様にして障害物による動
作制限区域の教示を行う。

【００５４】動作制限区域の教示は、図９中にＡ、Ｂで
示したような障害物が存在する領域の代表点の座標デー
タを、教示者がティーチングペンダント２から入力する
ことによって行う。例えば、領域Ａについては、点ｐ0
〜ｐ3を代表点として、それらの座標データを入力す
る。そして、教示データをブロックへ分割したときのよ
うに、全ての領域についての代表点を入力した後で、代
表点の座標データを各領域毎に分割する。以下、この場
合の各領域を「障害物ブロック」という。

【００５５】ここで、各障害物ブロックにおいて干渉チ
ェックに用いる動作制限区域用座標系を定義する。この
座標系について、障害物ブロックＡを例として説明す
る。障害物ブロックＡでは、ロボットベース座標系にお
ける原点Ｏを原点とし、代表点ｐ0〜ｐ3により決定され
る平面ａをＺＸ平面とする座標系ＸAＹAＺAを動作制限
区域用座標系とする。その後、この座標系に準じた表現
の下で、図１０に示すように、代表点ｐ0〜ｐ3の座標デ
ータからＸA、ＹA、ＺAの各方向についての最大値成分
及び最小値成分を求めておくと共に、平面ａがロボット
ベース座標系のＸRＺR平面となす角度θWを求めてお
く。

【００５６】同様にして、他の全ての障害物ブロックに
おいても動作制限区域用座標系を定義し、最大値成分及
び最小値成分と、ロボットベース座標系となす角度θW
を求めておく。このように、各障害物ブロックにおいて
代表点の座標から制限値を定め、マニピュレータ４の動
作制限区域の教示が完了する。

【００５７】干渉チェックと各軸の制御 次に、上述したようにして教示された動作制限区域によ
り、干渉チェックを行いつつ、マニピュレータ４の各軸
を制御する動作について、図１１〜図１３を参照して説
明する。尚、以下に述べる干渉チェックと各軸の制御に
おいては、動作制限区域用座標系をＸ’Ｙ’Ｚ’で表
し、座標系Ｘ’Ｙ’Ｚ’に準じた座標には「’」を付し
て表す。

【００５８】まず、リンク機構７、第１アーム１０、第
２アーム１２、手首１３の各回動軸の回転角度θ1〜θ4
を読み込む（図１１のステップＳ40）。この読み込み
は、図７のステップＳ30同様、マニピュレータ４側から
接続線３を介して制御ユニット１へ各軸の回転角度θ1
〜θ4の値がフィードバックされることによって行われ
る。又、上記＜２．ガン先の移動＞において述べたよう
に、読み込みは所定時間毎に行われる。

【００５９】そして、図１１のステップＳ41で各軸角度
のフィードバック値θ1〜θ4から現在の各関節位置ｘ1f
eed、ｘ2feed、ｘ3feedと、ガン先位置ｘ4feedが算出さ
れ、ステップＳ42へ進む。ステップＳ42では、各障害物
ブロック１、２、…、ｉ、…、ｎについて、前記各位置
（ｘ1feed、ｘ2feed、ｘ3feed、ｘ4feed）が侵入してい
ないか、すなわち、干渉が生じていないかがチェックさ
れる。このステップＳ42における侵入チェックは、図１
２に示す手順によって行われる。

【００６０】図１２の手順では、まず、ステップＳＳ10
で前記各位置の座標を、チェック対象とする障害物ブロ
ックｉにおける動作制限区域用座標系Ｘ’Ｙ’Ｚ’に準
じた座標（ｘ1feed’、ｘ2feed’、ｘ3feed’、ｘ4fee
d’）へ変換する。この座標変換には、ＺR軸の周りに上
記角度θW回転させる回転マトリクスを用いる。

【００６１】次いで、前記各位置の変換後の座標ｘ1fee
d’、ｘ2feed’、ｘ3feed’、ｘ4feed’について、各方
向（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）の成分が最大値から最小値（ｘ
min’〜ｘmax’，ｙmin’〜ｙmax’，ｚmin’〜ｚma
x’）の間に含まれているか否かチェックする。その結
果、全ての成分が最大値から最小値の間に含まれている
位置がある場合、該位置が表す関節又はガン先位置が障
害物ブロックｉに侵入しているものとし（ステップＳＳ
11）、図１１のステップＳ42からステップＳ43へ進む。

【００６２】ステップＳ43では、目標ガン先位置ｘ4ref
を前記所定時間前（１サンプル前）の目標ガン先位置と
した後、ティーチングペンダント２の表示部に図１３に
示すようなメッセージを出力し（ステップＳ44）、干渉
チェックを終了させる（ステップＳ45）。このように、
関節位置又はガン先位置が障害物ブロックｉに侵入して
干渉が生じた場合の報知手段を設けることにより、教示
者等は素早く状況を把握することができる。

【００６３】そして、目標ガン先位置ｘ4refとガン先位
置ｘ4feedとに基づき、ステップＳ47で上述した制御量
の算出手順（図８参照）と同様に塗装ロボットの制御量
が算出され、この制御量に基づいて各軸の回転が制御さ
れる（ステップＳ48）。ここで、このときの目標ガン先
位置ｘ4refは１サンプル前の目標ガン先位置と同一であ
るので、ガン先位置は同一、すなわち、停止した状態と
なる。

【００６４】一方、図１２の前記各位置の変換後のチェ
ックにおいて、全ての成分が最大値から最小値の間に含
まれている位置がない場合には、前記各位置のいずれも
が障害物ブロックに侵入していないとされ、図１１のス
テップＳ42からステップＳ46へ進む。

【００６５】ステップＳ46では、塗装ロボットの動作状
態に基づいた目標軌道から、目標ガン先位置ｘ4refを算
出し、ステップＳ47へ進む。そして、この算出された目
標ガン先位置ｘ4refとガン先位置ｘf4eedに基づいて、
上記同様に制御量が算出され、各軸の回転が制御される
（ステップＳ48）。

【００６６】尚、以上述べた干渉チェックと各軸の制御
によれば、連結されたアームからなる可動部分を有する
塗装ロボットに対し、干渉チェックをアームの関節位置
と塗装ガンのガン先位置とを用いて行うので、数個の点
の位置によって塗装ロボットの可動部分の動作を把握で
き、演算処理の簡略化、高速化等を図ることもできる。

【００６７】動作制限区域へのガン先侵入時の制御 上記「干渉チェックと各軸の制御」において、ガン先
のみが動作制限区域に侵入している場合には、ガン先を
動作制限区域に沿って移動させるようにすることもでき
る。このときの動作を図１４及び図１５を参照して説明
する。尚、以下に述べるガン先侵入時の制御において
は、動作制限区域用座標系をＸ”Ｙ”Ｚ”で表し、座標
系Ｘ”Ｙ”Ｚ”に準じた座標には「”」を付して表す。

【００６８】図１４において、ステップＳ50、Ｓ51、Ｓ
52では、図１１のステップＳ40、Ｓ41、Ｓ42と同様の動
作による処理が行われる。すなわち、各軸角度のフィー
ドバック値θ1〜θ4が読み込まれ（ステップＳ50）、該
フィードバック値から現在の各関節位置ｘ1feed、ｘ2fe
ed、ｘ3feedとガン先位置ｘ4feedが算出され（ステップ
Ｓ51）、各障害物ブロックについて前記各位置の侵入チ
ェックが行われる（ステップＳ52）。ここで、ステップ
Ｓ52での侵入チェックも図１２に示す手順によって行わ
れる。

【００６９】そして、ステップＳ52での侵入チェックの
結果、前記各位置のいずれかが障害物ブロックｉに侵入
していると判断され、かつ、その侵入しているのがガン
先位置ｘ4feedである場合には、ステップＳ53へと進
む。

【００７０】ステップＳ53では、障害物ブロックｉに沿
ってガン先を移動させるような目標ガン先位置ｘ4refを
求める。このため、通常の目標ガン先位置ｘ4refを算出
し、この目標ガン先位置ｘ4refの各方向の座標を、図１
５に示す手順により、動作制限区域の各方向の最大値
（ｘmax”、ｙmax”、ｚmax”）及び最小値（ｘmin”、
ｙmin”、ｚmin”）に基づく制限値に制限する。

【００７１】図１５においては、まず、目標ガン先位置
ｘ4refの座標を障害物ブロックｉにおける動作制限区域
用座標系Ｘ”Ｙ”Ｚ”に準じた座標ｘ4ref”（ｘ”，
ｙ”，ｚ”）へ変換する（ステップＳＳ20）。次いで、
この動作制限区域のＸ”方向の最大値ｘmax”と最小値
ｘmin”が等しい場合、すなわち、動作制限区域がＺ”
Ｙ”平面に平行な平面である場合には、Ｙ”、Ｚ”方向
成分ｙ”、ｚ”が最小値と最大値の間（ｙmin”〜ｙma
x”、ｚmin”〜ｚmax”）にある限り、Ｘ”方向成分
ｘ”の値を最小値ｘmin”とする（ステップＳＳ21）。

【００７２】又、同様に、Ｙ”方向の最大値ｙmax”と
最小値ｙmin”が等しく、動作制限区域がＸ”Ｚ”平面
に平行な平面である場合には、Ｘ”、Ｚ”方向成分
ｘ”、ｚ”が最小値と最大値の間にある限り、Ｙ”方向
成分ｙ”の値を最小値ｙmin”とする（ステップＳＳ2
2）。更に、Ｚ”方向の最大値ｚmax”と最小値ｚmin”
が等しく、動作制限区域がＸ”Ｙ”平面に平行な平面で
ある場合には、Ｘ”、Ｙ”方向成分ｘ”、ｙ”が最小値
と最大値の間にある限り、Ｚ”方向成分ｚ”の値を最小
値ｚmin”とする（ステップＳＳ23）。

【００７３】このようにして、目標ガン先位置ｘ4ref”
の動作制限区域に侵入している方向の成分に制限値をセ
ットする。そして、この求めた目標ガン先位置ｘ4refを
ステップＳＳ24でロボットベース座標系の目標ガン先位
置ｘ4refに変換し、図１４のステップＳ53における演算
処理を完了する。

【００７４】上述のように、ステップＳ53で目標ガン先
位置ｘ4refを求めた後は、ステップＳ58、Ｓ59へと進
み、上記同様に制御量の算出、各軸の制御が行われる。

【００７５】一方、ステップＳ52での侵入チェックの結
果、前記各位置のいずれかが障害物ブロックに侵入して
いると判断され、かつ、その侵入しているのがガン先位
置ｘ4feedでない場合には、ステップＳ54、Ｓ55、Ｓ56
へと進む。これらのステップにおいては、図１１のステ
ップＳ43、Ｓ44、Ｓ45同様に目標ガン先位置ｘ4refを１
サンプル前の目標ガン先位置とし、ティーチングペンダ
ント２の表示部にメッセージを出力して干渉チェックを
終了させる。

【００７６】又、ステップＳ52での侵入チェックの結
果、前記各位置のいずれもが障害物ブロックに侵入して
いないと判断された場合には、ステップＳ57へ進む。そ
して、塗装ロボットの動作状態に基づいた目標軌道か
ら、目標ガン先位置ｘ4refを算出してステップＳ58、Ｓ
59へと進み、制御量の算出、各軸の制御が行われる。

【００７７】このように、目標ガン先位置が動作制限区
域内に侵入していても、他の関節位置が動作制限区域内
に侵入していなければ、ガン先位置を動作制限区域の境
界に沿って移動させるので、障害物との干渉を生じるこ
となく、目標軌道に可能な限り忠実な制御を行うことが
できる。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、作
業対象物に応じた教示データを教示するだけで、ロボッ
トの動作領域をその可動部分の形態に基づいて制限する
ので、教示データを実際の動作に適合するように修正す
る時間を大幅に短縮することができる。そして、同時
に、教示者の労力を大幅に軽減することができ、作業効
率を向上させることができると共に、教示者がロボット
近辺で作業する時間が短縮されて安全性が向上するとい
う効果が得られる。

【００７９】特に、請求項２記載の発明によれば、連結
されたアーム部からなる可動部分を有するロボットに対
し、作業対象物に実際に作業を施す作業実施手段の位置
を対象として動作領域を制限するので、迅速な教示、修
正のもとでより一層確実な作業を行うことができるとい
う効果が得られる。

【００８０】又、請求項３記載の発明によれば、動作領
域に周辺機器、壁面等の障害物が設置されている場合、
それらの障害物についての情報を教示することによって
動作を制限すべき制限区域を求め、可動部分がその制限
区域へ侵入したときに動作を停止するので、リアルタイ
ムで可動部分、周辺機器等の干渉チェックを行うことが
できる。これにより、可動部分と周辺機器との衝突、更
には隣接するロボットの可動部分の衝突を回避すること
ができる。従って、安全性の向上、周辺機器やロボット
の破壊防止等を図ることができ、信頼性が向上し、損害
発生を防止することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態によるロボット制御装置
を適用した塗装ロボットシステムの構成を示す概略斜視
図である。

【図２】 教示データから作業範囲を決定する場合のロ
ボットベース座標系を示す図である。

【図３】 教示データから作業範囲を決定する動作を示
す図である。

【図４】 はみ出し量ｄｘ、ｄｙ、ｄｚを求める手順を
示す図である。

【図５】 ワーク位置がロボットベース座標系からずれ
ているときのワーク座標系を示す図である。

【図６】 ワーク座標系における作業範囲決定の手順を
示す図である。

【図７】 作業範囲内でのガン先の移動制御手順を示す
図である。

【図８】 本塗装ロボットの制御系の概略を示すブロッ
ク図である。

【図９】 本塗装ロボットの周辺に障害物が設置されて
いる場合の概念図である。

【図１０】 動作制限区域用座標系における障害物の代
表点から各方向の最大値成分及び最小値成分を求める際
の参考図である。

【図１１】 動作制限区域における干渉チェックの一例
を示す図である。

【図１２】 図１１のステップＳ42での侵入チェックの
手順を示す図である。

【図１３】 動作制限区域に侵入している点がある場合
にティーチングペンダント２の表示部に表示されるメッ
セージの一例である。

【図１４】 動作制限区域における干渉チェックの他の
例を示す図である。

【図１５】 図１４のステップＳ52での侵入チェックの
手順を示す図である。

【符号の説明】

１ 制御ユニット ２ ティーチングペンダント ４ マニピュレータ ７ リンク機構 １０ 第１アーム １２ 第２アーム １３ 手首 １４ 塗装ガン １５ ワーク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作業対象物に応じたロボットの動作を指
   定する教示データを入力する入力手段と、 前記入力手段から入力された前記教示データ及び前記ロ
   ボットの可動部分の形態に基づいて、前記可動部分を動
   作させる空間領域を算出する第１の演算手段と、 前記教示データに基づいて前記可動部分を動作させる目
   標位置データを算出する第２の演算手段と、 前記目標位置データによって表される位置を前記第１の
   演算手段により算出された前記空間領域内に制限し、各
   々の時刻において、前記可動部分の位置を前記空間領域
   内で指定して前記可動部分を前記空間領域内で動作させ
   る制御データを算出する第３の演算手段とを有すること
   を特徴とするロボット制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のロボット制御装置におい
   て、 前記可動部分は、各々、一端が回動軸に取り付けられ、
   該回動軸を中心に他端部が回動移動する１つ以上のアー
   ムが各々の回動軸を介して連結されたアーム部と、前記
   アーム部に取り付けられ、前記アーム部全体の動作によ
   って移動してロボットの作業対象物に対して直接作業を
   施す作業実施手段とを有し、 前記第１の演算手段は、前記教示データ及び前記可動部
   分の各々の前記アームの長さに基づいて前記空間領域を
   算出する演算手段であり、 前記第２の演算手段は、前記教示データに基づいた前記
   アームの各々の連結部の位置及び前記作業実施手段の位
   置を前記目標位置データとして算出する演算手段であ
   り、 前記第３の演算手段は、前記目標位置データによって表
   される前記アームの各々の連結部の位置及び前記作業実
   施手段の位置を前記第１の演算手段により算出された前
   記空間領域内に制限し、各々の時刻において、前記空間
   領域内に制限した位置に基づいて前記作業実施手段を前
   記空間領域内で動作させるための各々の前記アームの回
   動移動方向における回転角を前記制御データとして算出
   する演算手段であることを特徴とするロボット制御装
   置。
3. 【請求項３】 作業対象物に応じたロボットの動作を指
   定する教示データ及び前記ロボットの可動部分の動作領
   域内に存在する障害物についてのデータを入力する入力
   手段と、 前記入力手段から入力された前記障害物についてのデー
   タに基づいて前記障害物の領域を特定し、前記可動部分
   の移動を制限すべき動作制限区域を特定する動作制限区
   域データを算出する第４の演算手段と、 前記第４の演算手段によって算出された前記動作制限区
   域データを記憶する記憶手段と、 前記教示データに基づいて前記可動部分を動作させる目
   標位置データを算出する第５の演算手段と、 前記記憶手段から前記動作制限区域データを読み出し、
   前記目標位置データによって表される前記可動部分の位
   置が、前記動作制限区域に侵入しているか否か判断し、
   侵入している場合には、前記ロボットの動作を停止させ
   る制御データを出力する第６の演算手段とを有すること
   を特徴とするロボット制御装置。