JPH10315169A - マニピュレータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】手先位置を入力するだけで適切にマニピュレー
タを駆動することができるマニピュレータ制御装置を提
供する。 【解決手段】予め設定された複数の特徴点の各々に対し
て教示される手先姿勢について該特徴点間の軌道を補間
する特徴点間軌道補間部７と、補間後の手先姿勢のデー
タを特徴点間の軌道の位置データに対応付けた姿勢デー
タテーブルを記憶する姿勢データテーブル部６と、位置
データ入力部１により入力された手先位置のデータにつ
いて手先位置間の軌道を補間する位置軌道補間部４と、
補間後の手先位置のデータに基づいて姿勢データテーブ
ルを検索して得られた手先姿勢のデータと、位置軌道補
間部２で補間された手先姿勢のデータに従ってマニピュ
レータを制御する運動制御部８とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接ロボットや塗
装ロボットなどに適用されるマニピュレータ制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接ロボットや塗装ロボットは、マニピ
ュレータの先端部に塗装ガンなどのツールを取り付け、
操作者の入力に従ってマニピュレータを駆動することに
よりツールの位置を移動させて作業を行うものである。

【０００３】マニピュレータを駆動する場合、作動経路
に沿っていくつかのポイント（ＰＴＰ：Point to Poin
t）について手先位置および手先姿勢（以下、手先位置
姿勢と称する）を入力し、各ポイント間の手先位置姿勢
を補間した後、マニピュレータを駆動する方法が従来か
ら知られている。このとき、従来では図８に示されるよ
うなマニピュレータ制御装置が用いられ、各ポイントに
ついてデカルト座標系における位置データ（ｘ，ｙ，
ｚ）および姿勢データ（Ａ，Ｂ，Ｃ）が入力されると、
位置軌道補間部８１および姿勢軌道補間部８２において
各ポイント間の軌道が補間され、連続した位置軌道デー
タおよび姿勢軌道データが生成されて、この結果に応じ
て運動制御部８３によりマニピュレータが駆動される。

【０００４】このようなマニピュレータ制御装置の一例
として、例えば特開平７−２０９１９号「マニプレータ
の制御装置」に、操作者に入力されたデータを補間して
軌道データを求める処理とは別に、溶接のためのウイビ
ングなどの軌道データを予め生成しておき、これらの軌
道データから最終的な軌道データを生成する技術が開示
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】マニピュレータの手先
位置姿勢を入力する方法は、操作者にとって位置の入力
を直感的に行うことができる反面、姿勢の入力を直感的
に行うことが難しいという問題がある。

【０００６】この対策として、単純に手先の姿勢を無視
して、例えば一定の姿勢値をとるようにしておき、とり
あえず手先の位置のみを入力してマニピュレータを駆動
し、その後で姿勢を調節するという方法が考えられる。

【０００７】しかし、マニピュレータをあるポイントか
ら別のポイントまで動かす場合、マニピュレータの関節
の可動範囲の制限から、移動の途中で何度か姿勢を変更
しなければならないことがある。従って、上述したよう
に単に姿勢を無視する方法では適切にマニピュレータを
駆動することが難しく、マニピュレータの関節角度が可
動範囲を越えて、エラーによるコントローラの停止やそ
れに伴う再起動といった手間のかかる作業を必要とする
事象が頻繁に発生するおそれがある。

【０００８】例えば、図９に示されるようにマニピュレ
ータ９０をポイント９１からポイント９２に移動させる
場合、姿勢に関して直感性のある操作者であれば、状態
９３においてマニピュレータ９０の手首部関節が可動範
囲を越えてしまうことを事前に察知して、例えば状態９
４から状態９５となるような姿勢の変更を行い、さらに
状態９６の近傍からポイント９２に近づけるような制御
を行うことができるため不都合は少ない。しかし、ごく
一般的な操作者の場合、単にポイント９１からポイント
９２まで移動させるような制御を行いがちであるため、
結果としてエラーが発生してしまう。

【０００９】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、手先位置を入力するだけでマニピュ
レータを適切に駆動することができるマニピュレータ制
御装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は予め設定された複数の特徴点の各々に対し
て教示される手先姿勢について特徴点間の軌道を補間す
る特徴点間補間手段と、この特徴点間補間手段による補
間後の手先姿勢のデータを特徴点間の軌道の位置データ
に対応付けた姿勢データテーブルを記憶する記憶手段
と、手先位置のデータを入力するための位置データ入力
手段と、この位置データ入力手段により入力された手先
位置のデータについて手先位置間の軌道を補間する位置
軌道補間手段と、この位置軌道補間手段による補間後の
手先位置のデータに基づいて姿勢データテーブルから手
先姿勢のデータを検索する検索手段と、位置軌道補間手
段による補間後の手先位置のデータおよび検索手段によ
り検索された手先姿勢のデータに従ってマニピュレータ
を制御する制御手段とを備えている。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態に係
るマニピュレータ制御装置の構成を示すブロック図であ
る。このマニピュレータ制御装置は、デカルト座標系に
おける位置データおよび座標データをＰＴＰ（Point to
Point）で入力してマニピュレータを制御するものであ
り、各ポイントの位置データを入力する位置データ入力
部１と、各ポイント間の位置軌道を補間する位置軌道補
間部２と、各ポイントの姿勢データを入力する姿勢デー
タ入力部３と、各ポイント間の姿勢軌道を補間する姿勢
軌道補間部４と、姿勢データの入力を行うか否かを切り
替える姿勢入力切替部５と、姿勢データを教を入力しな
いときに使用される姿勢データテーブルを記憶する姿勢
データテーブル部６と、姿勢データテーブルを生成する
ための特徴点間軌道補間部７と、実際にマニピュレータ
を駆動する運動制御部８とで構成されている。

【００１２】このマニピュレータ制御装置は、図２に示
されるような構造のマニピュレータに対して用いられる
ものとする。同図に示されるマニピュレータ２０は、ベ
ース面２１でアーム２２を支持しており、アーム２２は
回転機構２３を介してアーム２４を支持している。アー
ム２４は旋回機構２５を介してアーム２６を支持し、ア
ーム２６は旋回機構２７を介してアーム２８を支持して
いる。アーム２８は回転機構２９を介してアーム３０を
支持し、アーム３０は旋回機構３１を介してアーム３２
を支持している。アーム３２は回転機構３３を介してア
ーム３４を支持しており、アーム３４の先端部には把握
機構などを備えたハンド３５が設けられている。

【００１３】すなわち、ハンド３５自体の動きを無視す
れば、マニピュレータ２０は３つの回転機構２３，２
９，３３および旋回機構２５，２７，３１による６軸、
すなわち６自由度を有しており、各軸の可動範囲、具体
的には回転機構２３，２９，３３の最大回転角度と、旋
回機構２５，２７，３１の最大旋回角度とで設定される
作動領域内であれば、ハンド３５をベース座標系の任意
の位置に任意の姿勢で移動させることができる。このハ
ンド３５はマニピュレータ２０の手先であり、塗装や溶
接を行うときはハンド３５を取り付けずに塗装ガンや溶
接トーチをアーム３４の先端部に直接設置してもよい。

【００１４】図１に説明を戻すと、このマニピュレータ
制御装置ではマニピュレータ２０の手先、すなわちハン
ド３５をあるポイントから別のポイントに移動させると
き、手先の位置データ（ｘ，ｙ，ｚ）および姿勢データ
（Ａ，Ｂ，Ｃ）を入力する第１のモードと、手先の位置
データ（ｘ，ｙ，ｚ）のみを入力する第２のモードとを
選択することができる。以下、各モードにおける処理に
ついて詳細に説明する。なお、位置データ（ｘ，ｙ，
ｚ）および姿勢データ（Ａ，Ｂ，Ｃ）はデカルト座標系
のデータとして入力される。

【００１５】第１のモードによりマニピュレータ２０を
制御する場合、まず切替信号を姿勢入力切替部５に入力
して、操作者に入力された姿勢データが有効となるよう
にモードを切り替えておく。この後は、従来のマニピュ
レータ制御装置と同様に、書もとする作動経路に応じた
いくつかのポイントについて、位置データ（ｘ，ｙ，
ｚ）および姿勢データ（Ａ，Ｂ，Ｃ）を位置データ入力
部１および姿勢データ入力部３から入力する。

【００１６】次に、位置軌道補間部２は各ポイント間の
手先位置を予め設定された刻み幅に従って直線や円弧で
細かく刻み、各ポイント間の位置変化の配分を定めて各
ポイント間の位置軌道を補間し、連続した位置軌道デー
タを生成する。同様に、姿勢軌道補間部４は各ポイント
間の手先姿勢を予め設定された刻み幅に従って直線や円
弧で細かく刻み、各ポイント間の姿勢変化の配分を定め
て各ポイント間の姿勢軌道を補間し、連続した姿勢軌道
データを生成する。

【００１７】そして、位置軌道補間部２から出力された
位置軌道データと、姿勢軌道補間部４から姿勢入力切替
部５を介して出力された姿勢軌道データとが組み合わさ
れて運動制御部８３に入力され、運動制御部８はこれら
位置軌道データおよび姿勢軌道データに基づいて、マニ
ピュレータ２０の回転機構２３，２９，３３および旋回
機構２５，２７，３１を制御してマニピュレータ２０を
駆動する。

【００１８】一方、第２のモード、すなわち手先の位置
データのみを入力してマニピュレータ２０の制御を行う
場合、姿勢制御を適切に行うために姿勢データテーブル
を予め設定しておく必要がある。以下、この姿勢データ
テーブルの設定について詳細に説明する。

【００１９】まず、マニピュレータ２０の作動領域や各
軸の可動範囲などに基づいて、マニピュレータ２０を駆
動するときのいくつかの主要なポイントを特徴点として
設定し、各特徴点の各々に対して基準となる手先姿勢の
教示を行う。

【００２０】具体的には、図３に示されるようにマニピ
ュレータ２０の手先位置を決定するためのベース座標系
のＸb 軸、Ｙb 軸およびＺb 軸の各軸上に必要な個数
（この場合は３個ずつ）の特徴点ｘt1〜ｘt3，ｙt1〜ｙ
t3，ｚt1〜ｚt3を設定し、各特徴点ｘt1〜ｘt3，ｙt1〜
ｙt3，ｚt1〜ｚt3に対して、基準となる手先姿勢を示す
姿勢データ（Ａ，Ｂ，Ｃ）と各姿勢データに対応付ける
ための位置データ（ｘ，ｙ，ｚ）とからなる特徴データ
を教示する。

【００２１】この際、各特徴点ｘt1〜ｘt3，ｙt1〜ｙt
3，ｚt1〜ｚt3に対応する姿勢データおよび位置データ
の値を直接教示するようにしても、前述した第１のモー
ドによってマニピュレータ２０を実際に駆動しながら、
意図した手先姿勢が得られる特徴点を探しだし、得られ
た特徴点に対応する位置データおよび姿勢データをマニ
ピュレータ２０から呼び出して、教示するようにしても
よい。

【００２２】このようにして教示された特徴点データ
は、位置姿勢データ（ｘ，ｙ，ｚ，Ａ，Ｂ，Ｃ）として
一つにまとめられた後、以下のように４×４の行列Ｐに
変換されて特徴点間軌道補間部７に記憶される。

【００２３】

【数１】

【００２４】図４は、図３中の各特徴点ｘt1〜ｘt3，ｙ
t1〜ｙt3，ｚt1〜ｚt3に対して教示された手先姿勢の例
を示したものである。なお、同図ではマニピュレータ２
０の手先、すなわちハンド３５の付近のみを示してい
る。また、（ａ）はＸb 軸上の特徴点ｘt1〜ｘt3に対応
する手先姿勢、（ｂ）はＹb 軸上の特徴点ｙt1〜ｙt3に
対応する手先姿勢、（ｃ）はＺb 軸上の特徴点ｚt1〜ｚ
t3に対応する手先姿勢をそれぞれ表している。

【００２５】この場合、（ａ）に示されるように、特徴
点ｘt1を手先姿勢４１に対応させ、特徴点ｘt2を手先姿
勢４２に対応させて、特徴点ｘt3を手先姿勢４３に対応
させている。また、（ｂ）に示されるように特徴点ｙt1
〜ｙt を手先姿勢４４〜４６にそれぞれ対応させ、
（ｃ）に示されるように特徴点ｚt1〜ｚt3を手先姿勢４
７〜４９にそれぞれ対応させている。

【００２６】次に、特徴点間軌道補間部７は特徴点間の
軌道を手先姿勢について補間する。この際、Ｘb 軸上の
特徴点ｘt1〜ｘt3間、Ｙb 軸上の特徴点ｙt1〜ｙt3間お
よびＺb 軸上の特徴点ｚt1〜ｚt3間でそれぞれ別々に補
間を行い、Ｘb 軸の位置変化に対する姿勢変化を示すＸ
b 軸ブロックと、Ｙb 軸の位置変化に対する姿勢変化を
示すＹb 軸ブロックと、Ｚb 軸の位置変化に対する姿勢
変化を示すＺb 軸ブロックとからなる３ブロックによっ
て姿勢データテーブルが構成されるようにする。このと
き、補間を行うための刻み幅はＸb 軸、Ｙb 軸およびＺ
b 軸でそれぞれ等しくしておく。

【００２７】図５は、Ｘb 軸上の特徴点ｘt1〜ｘt3の間
の補間を行うときの例を示したものである。（ａ）は３
つの特徴点ｘt1〜ｘt3に対応する手先姿勢と、補間され
たポイントｘ1n，ｘ2m（ｎ，ｍは任意）に対応する手先
姿勢を表し、（ｂ）はＸb 軸ブロックのデータ構造を示
している。この場合、特徴点ｘt1と特徴点ｘt2との間を
例えばＸb ＝１ｍｍ間隔の刻み幅でｘ11，ｘ12，…のよ
うに分割し、その分割数に応じた位置姿勢データ（ｘ1
1，ｙ11，ｚ11，Ａ11，Ｂ11，Ｃ11），（ｘ12，ｙ12，
ｚ12，Ａ12，Ｂ12，Ｃ12），…を順次求めることによ
り、特徴点ｘt1に対応する位置姿勢データ（ｘt1，ｙt
1，ｚt1，Ａt1，Ｂt1，Ｃt1）と特徴点ｘt2に対応する
位置姿勢データ（ｘt2，ｙt2，ｚt2，Ａt2，Ｂt2，Ｃt
2）との間の姿勢を補間する。

【００２８】さらに、特徴点ｘt2と特徴点ｘt3との間を
同じように１ｍｍ間隔の刻み幅で分割し、その分割数に
応じて位置姿勢データ（ｘ21，ｙ21，ｚ21，Ａ21，Ｂ2
1，Ｃ21），…を順次求めることにより、特徴点ｘt2に
対応する位置姿勢データ（ｘt2，ｙt2，ｚt2，Ａt2，Ｂ
t2，Ｃt2）と特徴点ｘt3に対応する位置姿勢データ（ｘ
t3，ｙt3，ｚt3，Ａt3，Ｂt3，Ｃt3）との間の姿勢を補
間する。なお、特徴点ｘt1〜ｘt3はＸb 軸上に設定され
ているので、Ｙb 軸に対応する項目のデータｙt1，ｙ1
1，ｙt2，…，ｙt2，ｙ21，…，ｙt3、さらにＺb 軸に
対応する項目のデータｚt1，ｚ11，ｚt2，…，ｚt2，ｚ
21，…，ｚt3は全て値が０になる。

【００２９】図５は、以上のような処理によって最終的
に姿勢データテーブル部６に設定された姿勢データテー
ブルの例を示している。（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は
それぞれＸb 軸、Ｙb 軸およびＺb 軸に対応するブロッ
クを示しており、上述したように全てのデータ値が０に
なる項目は省略して表している。同図に示されるよう
に、Ｘb 軸ブロックにはｌ組のデータがあり、Ｙb 軸ブ
ロックにはｍ組のデータがあり、Ｚb 軸ブロックにはｎ
組のデータがあるといったように、各ブロックのデータ
個数は異なった値となる。なお、一つのポイントに対応
する位置姿勢データは後述するような３×３の姿勢行列
として姿勢データテーブル部６に記憶されている。

【００３０】このように、姿勢データテーブルは予め設
定された複数の特徴点の各々に対して教示される手先姿
勢について各特徴点間の軌道を補間し、補間された後の
姿勢データを特徴点間の軌道の位置データに対応付けた
ものとして設定される。

【００３１】次に、このような姿勢データテーブルを利
用し、実際に位置データのみを入力してマニピュレータ
２０を駆動するときの処理について説明する。まず、切
替信号を姿勢入力切替部５に入力して、姿勢データ入力
部３からのデータを無効にし、姿勢制御データテーブル
からのデータを有効とするようにモードの切り替えを行
う。

【００３２】次に、作動経路に応じたいくつかのポイン
トの位置データ（ｘ，ｙ，ｚ）を位置データ入力部１か
ら入力する。位置軌道補間部２は、第１のモードと同様
に各ポイント間の手先位置を予め設定された刻み幅に従
って直線や円弧で細かく刻み、位置変化の配分を定め
て、連続した位置軌道データを生成する。この位置軌道
データは、まず姿勢データテーブル部６に入力される。

【００３３】姿勢データテーブル部６は、位置軌道補間
部２から入力された位置軌道データに基づいて姿勢デー
タテーブルを参照し、位置軌道データに対して最適とさ
れる姿勢軌道データを生成する。この場合、実際には位
置軌道データを構成する各ポイントの位置データに対し
て最適とされる姿勢データを順次求めることにより姿勢
軌道データを生成している。

【００３４】例えば、位置データ（ｘ，ｙ，ｚ）に対し
て最適とされる姿勢データを求める場合、データｘ，デ
ータｙ，データｚの各データ値と姿勢データテーブルを
構成するＸb 軸ブロック、Ｙb 軸ブロックおよびＺb 軸
ブロックとをそれぞれ照らし合わせて、以下に示される
ようにデータｘ、ｙおよびｚに対応する４×４の姿勢行
列Ｒx ，Ｒy およびＲz を選定する。

【００３５】

【数２】

【００３６】次に、図７に示されるように姿勢行列Ｒx
，Ｒy およびＲz をベース座標系のベクトルＲx ，Ｒy
およびＲz とみなして、まずベクトルＲx とＲy との
中間ベクトルＲxyを求め、この中間ベクトルＲxyとＲｚ
との中間ベクトルＲを求めて、この中間ベクトルＲに対
応する姿勢行列Ｒを変換しなおして得られた姿勢データ
（Ａ，Ｂ，Ｃ）を位置データ（ｘ，ｙ，ｚ）対して最適
とされる姿勢データとする。

【００３７】このようにして、各ポイントの位置データ
に対して最適とされる姿勢データが次々に求められ、最
終的に位置軌道データに対して最適とされる姿勢軌道デ
ータが生成される。この姿勢軌道データは、第１のモー
ドと同様に姿勢入力切替部５を介して送られ、対応する
位置軌道データと互いに組をなして運動制御部８３に入
力される。運動制御部８は、第１のモードと同様にこれ
ら位置軌道データおよび姿勢軌道データに基づいて、マ
ニピュレータ２０の回転機構２３，２９，３３および旋
回機構２５，２７，３１を制御してマニピュレータ２０
を駆動する。

【００３８】このように本実施形態のマニピュレータ制
御システムでは、あらかじめマニピュレータを駆動する
ときの主要なポイントを特徴点データとして定め、各特
徴点に対して教示される姿勢データについて各特徴点間
の軌道を補間して、補間後の姿勢データを各特徴点間の
軌道の位置データに対応付けた姿勢データテーブルを予
め生成しておき、位置データが入力がされたときは、ま
ず入力された位置データについて手先位置間の軌道を補
間して、その結果得られる位置軌道データに基づいて姿
勢データテーブルから対応する姿勢軌道データを検索し
て、これら位置軌道データおよび姿勢軌道データに基づ
いてマニピュレータを制御している。

【００３９】このため、操作者は直感的に入力しやすい
位置データを入力するだけでよく、位置データに対応す
る姿勢データは姿勢データテーブルを参照して自動的に
生成されるので、マニピュレータのリモート操作などを
従来に比べてはるかに容易に行うことができる。また、
マニピュレータの姿勢に関する直感性がそれほど優れて
いない操作者の場合でも、正しい姿勢データでマニピュ
レータを駆動することができるので、関節角度が可動範
囲を越えたことによるエラーなどが発生しなくなる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、複
数の特徴点の各々に対して教示される手先姿勢について
特徴点間の軌道を補間し、補間後の手先姿勢のデータを
特徴点間の軌道の位置データに対応付けた姿勢データテ
ーブルを予め生成しておき、操作者により手先位置のデ
ータが入力されたときは、その手先位置のデータについ
て手先位置間の軌道を補間し、その補間後の手先位置の
データに基づいて姿勢データテーブルから手先姿勢のデ
ータを検索して、この結果得られた手先位置および手先
姿勢のデータに従ってマニピュレータを制御しているの
で、手先位置を入力するだけで適切にマニピュレータを
駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るマニピュレータ制御
装置の構成を示すブロック図

【図２】同実施形態の適用されるマニピュレータの構成
を示す図

【図３】同実施形態における特徴点の設定について説明
するための図

【図４】同実施形態における特徴点とマニピュレータと
の対応関係の例を示す図

【図５】同実施形態で姿勢制御テーブルを生成するとき
の軌道補間について説明するための図

【図６】同実施形態における姿勢制御テーブルのデータ
構造を示す図

【図７】同実施形態においてマニピュレータの姿勢デー
タを求めるときの計算を説明するための図

【図８】従来のマニピュレータ制御装置の構成を示すブ
ロック図

【図９】従来のマニピュレータ制御装置の問題点を説明
するための図

【符号の説明】

１…位置データ入力部 ２…位置軌道補間部 ３…姿勢データ入力部 ４…姿勢軌道補間部 ５…姿勢入力切替部 ６…姿勢制御テーブル ７…特徴点間軌道補間部 ８…運動制御部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予め設定された複数の特徴点の各々に対し
   て教示される手先姿勢について該特徴点間の軌道を補間
   する特徴点間補間手段と、 この特徴点間補間手段による補間後の手先姿勢のデータ
   を前記特徴点間の軌道の位置データに対応付けた姿勢デ
   ータテーブルを記憶する記憶手段と、 手先位置のデータを入力するための位置データ入力手段
   と、 この位置データ入力手段により入力された手先位置のデ
   ータについて該手先位置間の軌道を補間する位置軌道補
   間手段と、 この位置軌道補間手段による補間後の手先位置のデータ
   に基づいて前記姿勢データテーブルから前記手先姿勢の
   データを検索する検索手段と、 前記位置軌道補間手段による補間後の手先位置のデータ
   および前記検索手段により検索された手先姿勢のデータ
   に従ってマニピュレータを制御する制御手段とを備えた
   ことを特徴とするマニピュレータ制御装置。