JPS58143980A - ロボット装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はロボット装置、特に学習機能を有する高度なロ
ボット装置を制御する方法に関する。

ここで学習機能とは、予め定められたプログラムのみに
従って作動するのではなく、例えば、手動とか、倣い装
置等により他律的、強制的に作動させると、その作動プ
ロセスを直ちに記憶し、爾後はその作動プロセスを随時
反復し得る能力をいう。

このような学習機能を有する高度なロボット装置は、多
能型ロボット装置であり、人間と同様な作業が可能なロ
ボットとして現在工場等に限らず広い分野で利用される
ようになってきている。

而Ｌ２て、現在この種のロボット装置の機能は従来の装
置に比べると大幅に向上しているが、その反面、制御回
路等は益々高度化され、大容量、高速のものが要求され
てきている。

また、この種のロボット装置では、装置を人力等で動か
すことにより、プログラムを自動的に設定するものであ
るため、実際の作動が必ずしも最も合理的にかつスムー
スに行われるとは限らないという問題があった。

本発明は叙上の観点にたってなされたものであって、そ
の目的とするところは、この種学習機能を備えた高次の
ロボット装置の制御方法に於て、さほど大容量、高速で
ない制御装置で足り、しかも常時円滑な作動を保証し得
る新規な制御方法を提供することにある。

而して、その要旨とするところは、この種口ボット装置
の特定点の複雑な運動径路を、直線と円弧とにより置換
、単純化し、この単純化した径路に沿って上記特定点を
移動せしめることにある。

以下、図面により本発明の詳細を具体的に説明する。

第１図は溶接ロボット装置の制御に本発明方法５− を適用した一実施例を示す斜視図、第２図は手動で設定
された特定点の軌跡と本発明方法により設定される移動
径路との関係を示す説明図、第３図は本発明方法を実施
する際の具体的手順を示す説明図である。

而して、図中、１は溶接ヘッド２を備えたロボット、３
は溶接棒、４及び５は溶接される鋼板製のシェル、６は
溶接線であり、ロボット１は回転基台１ａ、アームＩｂ
、　ｌｃ、　ｌｄ、　ｌｅ、自在継手Ｉｆ、　Ｉｇ及び
ｌｉから成り、溶接ヘッド２は溶接棒繰出装置２ａ及び
アークウォッチ２ｂを具備する。

なお、ロボソｌ−１は、各部を作動させるアクチュエー
タやサーボ制御装置、各種のセンサー類、演算装置、エ
ンコーダ、動力装置等を有し、溶接へソド２は、溶接棒
自動フィーダやウィービング機構、溶接電流制御回路等
を具備するものであるが、本発明はそれらとは特別な関
係を有しないものであるので、ここでは説明を省略する
。

第１図に於て、シェル４及び５は図示されていない治具
及び取付は台により固定されており、ロ６一 ボット１及び溶接ヘッド２により溶接線６に沿って溶接
されるものである。

而して、まず最初は、溶接に先立って、溶接棒３の代り
に所定のダミー３′を取付け、手動でアームｌｂ、　ｌ
ｃ、ｌｄ、　ｌｅを動かし、ダミー３′の先端の点Ａ（
溶接棒３のアーク点に相当する点）を溶接線６に当接ぜ
しめつつ、始点ＰＯから終点Ｐｚまで移動させる。

然るときは、ロボット１の作動状況、即ち、自在継手１
ｆ、Ｉｇ、　ｌｉの回転角変化率が図示されていない記
憶装置に記録されるので、爾後は随時これと同一のプロ
セスを繰り返し得るようになる。

従って、上記ダミー３′を取り去り、溶接棒３を供給し
、溶接へソド２を作動させれば、シェル４．５の溶接を
行わ（ることかできる。

実際の溶接線６は、曲率と捩率を有する三次元曲線であ
るが、ここでは説明を簡略にするため、溶接線６は第１
図、第２図に示す如く、ｘｚ平面上にある二次元曲線で
あるとする。□ 上記溶接ヘッド２の移動は、三次元デカルト座標が用い
られるときは、装置の構成に応じて各座標軸方向の設定
単位（通常１０μｍ乃至１０ｍ　ｍ　）により同時−軸
、二軸又は三軸動作によって行われる。この設定単位は
アーム部等により大小に設定するようにしてもよい。

また、実際には溶接へソド２の姿勢も制御しなければな
らないから、第２図に示１アークの中心点に相当する点
Ａの軌跡、即ち、溶接線６の他、溶接ヘッド２　＋、に
設けた暴準点Ｂの軌跡７も記録、制御しなければならな
いが、ここではまず、点Ａの制御に就いてのみ説明する
。

溶接棒３の代りにダミー３′を取付け、その先端の点Ａ
を溶接線６に沿って手動で移動させる。

而して、移動中、適宜の時間間隔毎又は移動距離毎に各
自在継手１ｆ、Ｉｇ、　ｌｉの角度が図示されていない
エンコーダにより読み取られ、逐次記録される。

而して、実際の溶接作業を行わせるとき、従来は、この
自在継手１ｆ、１ｇ、ＩＩの角度変化を追跡再現し、溶
接棒３の先端を溶接線６に沿って移動させていた。

勿論実際には溶接棒３は急速に消耗するから、この方法
で直接に制御されるのは溶接棒繰出装置２ａの中心線と
、アークウォッチ２ｂの光軸の交点であり、溶接棒繰出
装置１２ａは常時溶接棒３の先端アークがアークウォッ
チ２ｂの視野内に位置するよう溶接棒３を繰り出し、そ
の消耗を補充するものである。

而して、この方法では、各自在継手Ｉｆ、　Ｉｇ、１１
の角度を詳細に記録するため極めて大容量の記憶装置を
必要とする。

そこで、本発明に於ては、これら自在継手１ｆ、Ｉｇ、
１１の角度は部分的かつ一時的に記録するだけで、全部
を長時間記録せず、その部分的かつ一時的に記録された
データにより、溶接棒３の先端Ａの軌跡を計算し、その
軌跡のうち直線で近似できる部分があるか否かを判別し
、直線近似が可能な部分はその直線により、またそれが
不可能な部分はそれと近似する円弧により代替し、上記
軌跡の始点から終点まで連続する円弧・直線複合曲線を
９− 得、上記自在継手Ｉｆ、　Ｉｇ、　Ｈの角度データに替
えてこれらの直線及び円弧の諸元を記録しておき、実際
の溶接作業を行わせるときは、数値制御の分野に於て公
知の直線補間、円弧補間の技法を応用してロボット１を
制御し、所期の目的を達成するものである。

今、＄２図に於て、点Ａが溶接線６に沿って始点Ｐｏか
ら終点Ｐｚまで移動せしめられるものとする。

まづ始点Ｐｏに続（点Ｐａ８Ｐｂ１ＰＣ，，Ｐｄ１・・
・・・・・に対応する自在継手１ｆ、１ｇ、１１の角度
データが順次記録される。これらのデータはいずれも設
定単位角度の整数倍の価であり、それらのデータに基づ
いて点Ｐａ、　Ｐｂ、　Ｐｃ、　Ｐｄ、　　・・・・・
・のｘｙ座標値が順次算出される。

然し乍ら、最初の角度データの疎密を適宜調節し、上記
により算出する各点のｘｙ座標値が各座標軸方向に適宜
の設定単位長さ宛離隔するうにするか、又は、各点間距
離が略一定となるようにしておくことが推奨される。

次の作業は、点ＰＯに引続く区間が一本の直線で１０− 近似できるか否か検定することである。

而して、この区間が直線で近似可能であるときは、所定
の許容誤差範囲内で出来るだけ長い区間をカバー出来る
直線が求められる。

これらの具体的な演剪例は、後に第３図を用いて説明さ
れる。

第２図に於て１ｊ３点Ｐｏと点Ｐｇを結ぶ線分かこの区
間の点への軌跡に代替可能な最長の線分であるので、こ
の線分ＰｏＰｇが採用されている。

次の区間では、前の区間の終点Ｐｇが新たに始点Ｏｏと
され、し１下引続く区間が直線で近似できるか否かが検
定される。このときは直線近似が不可能とされるので、
所定の許容誤差範囲内で最長区間を近似し得る近似円弧
ＱｏＱｍが求められ、以下同様にして近似円弧ＲｏＲｅ
、　ＳｏＳｇが求められる。

ここで、これらの点について第３図によりさらに具体的
に説明する。

第３図には溶接線６の一部が示されており、その溶接線
６の上には始点Ｐｏと共に、多数の通過点Ｐａｓ　　Ｐ
ｂ、　　Ｐｃ、　　　・　・　・　、　Ｑｏ、、　　ロ
ａ１　ロｂ１　　・　・　・　、　Ｒｏ。

Ｒａ１Ｒｂ１・・、Ｓｏ、、Ｓａｌ・・が示されている
。

而して、各通過点においては、ロボット１の状態が測定
され、記録されるものとする。但し、ここでは図を簡明
ならしめるため、小数の通過点のみを示しであるが、実
際にはこの通過点は非常に細カイピッチで多数設定され
るものである。

直線検定方法として推奨される一方法は、始点Ｐｏから
適宜離れた通過点、例えば、Ｐｏから三番目の通過点Ｐ
ｃと始点Ｐｏとを結ぶ直線ＰｏＰｃを求め、上記二点間
にある通過点Ｐａ、　Ｐｂと上記直線ＰｏＰｃとの距離
を計算し、この距離、即ち、上記直線ＰｏＰｃからの偏
差が、予め定めた許容公差範囲内にあるか否かを検査し
、それらの距離ＬｃａＸＬｃｂがいずれも許容公差Ｅ以
下であるときは、直線による近似が可能なものとし、然
らざるときは、直線近似を不可とし、円弧による近似を
採用することとするものである。

この公差範囲は通常は±Ｅとするが、場合によっては、
上記りに正負の記号を導入すると共に、この公差を十Ｅ
から０とか、十Ｅａから−Ｅｂ等と定めることもある。

而して、直線近似が可能とされたときは、置換可能な最
も長い線分を求める。

この為、通過点Ｐｃ以遠の通過点Ｐｄ、　Ｐｅ、　　・
・・・Ｐｉ・・のそれぞれと始点Ｐｏを結ぶ直線に就い
て、上記同様に各中間通過点Ｐｊの距離ＬＩｊが計算さ
れる。

すべての中間通過点Ｐｊに就いて、 Ｅ≧Ｌｉｊ が成立する線分ＰｏＰｉのうちで、最長のものが求める
解であり、第３図では　１−ｈｌ　即ち、線分ＰｏＰｈ
がそれに相当するものとして示されており、この区間で
は実際に点Ａを移動せしむべき径路として、線分ＰｏＰ
ｈが採用される。

而して、通過点ｐｈは次の区間の始点Ｑｏとされ、以下
上記同様にして、線分Ｑｏ口Ｃが採用され、点口Ｃはさ
らに次の区間の始点Ｒｏとされる。

始点Ｏｃから始まる区間では、点ＲＯとＲｃを結ぶ線分
と中間点Ｒａ、　Ｒｂとの距離Ｌｃａ、、Ｌｃｂの何れ
か一方が公９Ｅを超える為、直線近似が不可能である１
３− とする。

このときは、まづ、点ＲＯ％　ＲＣとその中間通過点の
うちのいずれか一つ、例えば、Ｒａを通る円（図中、中
心Ｏｃの円）を求め、この円弧ＲｏＲｃと残余の通過点
Ｒｂとの距離Ｌｃｂを算出し、 Ｅ≧Ｌｃｂ であれば、この区間の移動径路はこの円ｍＲｐＲｃで代
替可能とするものである。

而して、点ＲｏとＲｃの間にある通過点の数を、曲線の
曲率に合せて適切に選定しておくと、この円弧は必ず得
られるものである。

而して、この場合でも、可能な限り長い円弧を採用する
ことが望ましい。

従って、上記と同様にして、点Ｒｏ、　Ｒｈ、　Ｒｄを
通る中心Ｏｄの円、点ｊｏ、’　ＲＣ％　Ｒｅを通る中
心Ｏｅの円、点Ｒｏ、、Ｒｃ、　Ｒｆを通る中心Ｏｆの
円等に就いてそれぞれ残余の通過点との距呻Ｌｉｊが計
算され、それらが公差範囲内にある最長の円弧が選ばれ
る。第３図に示した例では円弧ＲｏＲｆがそれに該当す
るものである。

１４− 以下、同様な演算を繰り返し実施すると、直線と円弧か
ら成り、かつ、第１図及び第２図に示した最初の始点Ｐ
ｏから究極の終点Ｐｚまで連なった移動径路が得られる
。

実際に手動でロボットを作動させたときの特定点の移動
軌跡は、必ずしも滑らかなものではないが、叙上の如く
して得られた移動径路は実質的に滑らかに連続した曲線
となる。

また、実際に手動で操作したときは、ロボ・７ト各部の
運動状態も不自然となることが多く、必ずしも理想的と
は言えないものである。

而して、本発明に於ては、これらの直線及び曲線の諸元
が記録され、次いで、ロボットの形態、自由度に合せて
、これらの移動径路に沿って対応する特定点を移動させ
るため最も望ましい作動方法が計算される。

通常記録されるのは、直線に就いては始点及び終点の座
標であり、円弧の場合は始点と終点並びに曲率中心点の
座標である。

而して、実際の作業時に於けるロボット操作はこれらの
データをもとにして、公知の直線補間、円弧補間の手法
により、図示されていないアクチュエータを介して、ア
ームｌｂ、　ｌｃ、　ｌｄ、　ｌｅを作動させるもので
ある。

本発明に於ては、最初の手動設定時の自在継手Ｉｆ、　
Ｉｇ及び１１又はアームｌｂ、　ｌｃ、　ｌｄ、１ｅの
状態は部分的に一時記録されるだけであり、作業時には
記録されていない。従って、実際の作業時のロボットの
運動は、必ずしも手動設定時の運動と同一ではなく、所
期の目的を達成するため最適の運動が採用されるもので
ある。

叙上の説明では、簡明に説明するため二次元運動をする
ものとして説明したが、三次元運動についても上記同様
に処理し得ることは容易に理解されよう。

この場合の手順を要約すると次の如き諸工程となる。

ａ）ロボットの運動を規定するため順次経時的に記録さ
れるロボットの１：状態記録のそれぞれに対応し、制御
すべき特定点の位置、即ち、通過点を算出し、一時記録
する工程。

なお、各通過点間距離又はそのｘｙｚ軸方向成分をＯ又
は１設定車位（例えば１μｍ）とすることが望ましい。

ｂ）上記特定点の運動始点（Ｘｏ、、　ＹＯ％　ＺＯ）
と、その運動始点（Ｘｏ−Ｙｏ、　Ｚｏ）から第１番目
の通過点（ＸＩ、　Ｙｉ、　Ｚｉ）　　　（但し、ｌ　
ハ予め定メタ最小限度値ｉ　ｍｉｎより大であるとする
。〕とを結ぶ線分であって、上記二点間に存在する各通
過点（Ｘｊ。

Ｙｊ、　Ｚｊ）　　（但し、ｊ−１，２、・　・　・　
・　・　（ｌ−１）である。〕との距離Ｌｉｊのすべて
が許容誤差Ｅを越えず、かつ、そのｌの価が最大のもの
を求める直線検定工程。

Ｃ）前項直線検定工程で、解ｉ＝ｎが得られたときに於
て行う工程であって、始点（Ｘｏ、Ｙｏ、　Ｚｏ）と点
（Ｘｎ、　Ｙｎｓ　Ｚｎ）とを結ぶ線分を直線区間とし
て設定し、必要に応じてその線分の諸元を記録する直線
区間設定工程。

ｄ）ｂ項直線検定工程で、解が得られないときに於て行
う工程であって、運動始点（Ｘ０％　’に’ｏ、Ｚｏ）
＝１７− と、運動始点（Ｘｏ、、Ｙｏ、　Ｚｏ）からに番目の通
過点（Ｘｋ、、Ｙｋ、　Ｚｋ）　　（但し、ｋハ予メ定
メタ最１＼限度値ｋ　ｍｉｎより大であるとする。〕と
、上記二点間に存在する任意の一通過点（Ｘｓ、　Ｙｓ
、　Ｚｓ）とにより定められる円弧であって、上記二点
間に存在する他の通過点（×１、Ｙｌ、Ｚｌ）との最短
距ＭＤｋｌのすべてが許容誤差Ｅを越えず、かつ、その
ｊの価が最大である円弧を求める円弧検定工程。

ｅ）前項円弧検定工程で、解Ｊ＝ｍが得られたときに於
て、始点（Ｘｏ、　Ｙｏ、、Ｚｏ）と、通過点（Ｘｓ。

Ｙｓ、、Ｚｓ）及び（Ｘｍ、　Ｙｍ、　Ｚｍ）とを結ぶ
円弧を円弧区間とて設定し、必要に応じて上記円弧の諸
元を記録する円弧区間設定工程。

ｆ）ｅ項記載の直線区間設定工程又は前項記載の円弧区
間設定工程により得られた区間終点（Ｘｎ、Ｖｎ、、Ｚ
ｎ）又は（χｍ、　Ｙｍ、　Ｚｍ）を新たな始点として
５項記載の直線検定工程と同様な演算を行い、以下同様
にして最終運動終点＜’Ｘｚ、　Ｙｚ、’　Ｚｚ）に至
る迄上記す項乃至ｅ項記載の工程を順次繰り返し、全区
間にわたる連続した移動径路を設定する反復１８− 演算工程。

上記の諸工程により、三次元的に滑らかに連続した移動
径路が得られるから、爾後は公知の補間ｉ！１算により
最適のロボット制御を行い得るものである。

なお、上記では、座標をデカルト座標系の如く説明した
が、これは説明の便宜のためそのように表現したもので
あって、極座標系、円筒座標系その他、これらと変換可
能なすべての座標系を含むものであること勿論である。

また、上記では、単一の特定点の位置のみを制御する様
説明したが、実際には溶接棒繰出装置２８等の姿勢を制
御する必要があるから、少なくとも二つの特定点を設け
、それらの位置を同時に制御することとなる。その場合
、それぞれの特定点ごとに公差を定め、両特定点間の拘
束条件を満たしつつ制御を行うものである。

また、本発明は上記溶接ロボ１ットの他、あらゆる種類
のロボット装置の制御に応用できるものであり、さらに
、上記の直線区間及び円弧区間の設定計算方法に加えて
最小自乗法その他の公知の統６１学的データ処理方法や
ロボットの使用目的に応じた修正計算等を導入し、より
高次の区間設定を行うことも容易に考案し得るものであ
って、本発明はそれらのすべてを包摂するものである本
発明は叙上の如く構成されるから、本発明によるときは
、学習機能を備えた高次のロボット装置を、さほど大容
量、高速でない制御装置で、円滑、確実に制御し得るも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接ロボット装置の制御に本発明方法を適用し
た一実施例を示す斜視図、第２図は手動で設定された特
定点の軌跡と本発明方法により設定される移動径路との
関係を示す説明図、第３図は本発明方法を実施する際の
具体的手順を示す説明図である。 ■・・・・・・・ロボット ２・・・・・・・溶接ヘッド ３・・・・・・・溶接棒 ３′　・　・　・　・　・　・ダミー ４．５・・・・・シェル ６・・・・・・・溶接線 ７・・・・・・・点Ｂの軌跡 ８．９．１０．１１・円 特許出願人　株式会社井上ジャツマ・ノクス研究所代理
人（−７５２４）最上正太部 −２１＝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１学習機能を有し、一旦他力で動かされたときは、
   その運動径路を記憶して、爾後同一運動を反復し得るロ
   ボット装置の制御方法に於て、ロボットの特定点の運動
   径路を求め、これを適宜に多数の区間に分割すると共に
   、各区間毎に与えられた運動径路をそれと近似する直線
   又は円弧で置換し、この置換された径路に沿、〕°（上
   記特定点を移動せしめることを特徴とする」ユ記のロボ
   ット装置の制御方法。 （２）特定点の運動径路を適宜に多数の区間に分割する
   と共に、各区間毎に与えられた運動径路をそれと近似す
   る直線又は円弧で置換する工程が、下記ａ項乃至ｆ項記
   載の工程から成る特許請求の範囲第１項記載のロボット
   装置の制御方法。 ａ）ロボットの運動を規定するため順次経時的に記録さ
   れるロボットの状態記録のそれぞれに対応し、上記特定
   点の位置（以下通過点と云う。）を箕出し、一時記録す
   る工程。 ｂ）連動始点（ｘｏ、、Ｙｏ、、ｚＯ）と、浮動始点（
   Ｘｏ、Ｙｏ、７ｏ）から終点（ＸｚＳｖｚ、Ｚｚ）番５
   ：至る移動径路上に順次整列する３Ｉ過点の内閉１番目
   の通過力（×１、ｖ；ＸＺｉ）　　Ｃ但し、ｉは予め定
   めた最小限度値ｉ　ｍｉｎより大であ、己とする。〕と
   を結ぶ線分であって１、上記二点間に存在する各泊過点
   （Ｘｊ、、ＹＪ、７、ｊ）　　　　ｒ　（ｌＩ　Ｌ、　
   、　　ｊ＝１　　、　２、−−−−−　　　（１−１）
   である。〕との距！Ｌｉｊのすべてが許容熊差Ｅを越え
   ず、かつ、そのｉの価が最大のものを求める直線検定工
   程。 ｃ　）前項直線検定工程で、解ｉ＝ｎが得られたときく
   一゛於て行う工程であ、て、始点（Ｘｏ、　Ｙｏ、、Ｚ
   ｏ）と点くにｎ、、　’ｌ’ｎ、、７ｎ）　−！：を結
   ぶ線分を直線区間として設定シ２、必要に応じてその線
   分の諸元を記録する直線区間設定工程。 ｄ）ｂ項直線検定工程で、解が得られないときに於て行
   う工程であって、運動始点（Ｘｏ、ＹＯｌＺｏ）と、運
   動始点（Ｘｏ、、Ｙｏ、　Ｚｏ）からに番目の通過点（
   Ｘｋ、　Ｙｋ、、ＺｌＯ（但し、ｋハ予メ定メタＪｉ　
   小限度値ｋ　ｍｉｎより大であるとする。〕と、上記二
   点間に存在する任意の一通過点く×ｓ１’ｉ’ｓ、、Ｚ
   ｓ）とにより定められる円弧であって１、上記−二点間
   に存在する他の通過点（ＸＩ、　Ｙｌ、Ｚｌ）との最短
   距離Ｄｉａｌの１べてがｖ１容娯差Ｅを越えず、かつ、
   そのｊの価が浸入であるＰＪ／Ｉｔを求めるト］弧検定
   工程。 ｅ）前項円弧検定工程で、解ｊ　＝ｍが得られたときに
   Ｊ１？て、４６点（局、ＹＯ，Ｚ（１）と、通過点（に
   ５１Ｙｓ、　Ｚｓ）及び（ｘ＊：、＼’ＩＩＩ、Ｚ、ｉ
   ）とを結ぶ円弧を円弧１１間とて設定し、必要に応じ”
   ζ上記円弧の諸元を記録−４る円弧１：Ｋ　１＋１１設
   定］Ｌ程。 ｆ）ｃ項記載の直線区間設定工程又は前項記載の円弧［
   ８間設定工程により得られた区間終点（χｎ、Ｙｎ、、
   　Ｚｎ）又は（Ｘｉ＋、〜′１１１、Ｚｌｌ）をネｉｒ
   たな始点としてｂ項記載の直線検定工程と同様な演豚を
   行い、以下同様にし、（鯖４！こＨ勤柊市（×ｚＸｖｘ
   −，Ｚｚ）に至る迄上記す項乃至１１項記載の工程を順
   次繰り返し、全Ｖ間にわｙ、　ｊ、連続した移動径路を
   設定Ｊる反復演算工程。 （３）特定点が複数段けられ、すべての演算及び作動が
   、上記特定点間の拘束条件を満たしつつ、上記すべての
   特定点について行われる特許請求の範囲第２項記載のロ
   ボット装置の制御方法。