JPS5858610A - 教示・再生型ロボツトの制御方法 - 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】 この発明は産業用ロボットの制御方法に関し、詳しくは
、座標変換を伴なう教示・再生型ロボットにおける位置
決め制御を精度よく行なう方法に関する。

産業用ロボットに要求される機能は次第に高度化してお
り、とくに熟練作業者と同等の作業ができる産業用ロボ
ットに対する期待が大きい。この場合、熟練作業者が自
らの感覚に頼って実行する作業を代行するために、制御
装置に要求される機能の一つに、複雑な軌跡を滑かにト
レースする機能があげられる。これは、計算機の特質を
生かすことによって対処でき、最近ではマイクロコンピ
ュータ利用のものも提案されつつある。そして７、マイ
クロコンピュータの普及につれコストメリットは大きい
ものの、処理速度の観点から別の問題が生じている。す
なわち、産業用ロボットの制御−の中で最も高速性を要
求されるのは位置決めであり、油圧サーボの場合、所定
時間以上のサンプリング周期で処理しないと安定な動作
が期待できない。一般に産業用ロボットは数軸の自由度
を持っているため、これを同時処理することはマイクロ
コンピュータにとって負荷が大き過ぎる。とくにコスト
ダウンの要請から低価格のマイクロコンピユータを採用
しようとする場合はなおさらである。

一例を掲ければ、多関節型構造をした教示・再生（ティ
ーチング・プレイバック）ロボットのうちで経路上の重
要なポイントのみを教示し、再生時はポイント間を等速
でかつ直線又は円弧で動作させるマイクロコンピュータ
制御ＦＴＰ教示／ＣＰ再生方式のものがあるが、この場
合、ロボット先端にとりつけたガンの位置から座標計算
を行ない、各関節の角度を求め、油圧サーボシリンダ又
はＤＣサーボモータ等のアクチュエータを制御する。

このとき、ロボット先端の位置決め精度をよくするため
には、短かい周期で座標計算を行なう必要がある。しか
し、相対的に低価格のマイ、クロコンピユータでは、サ
ーボ周期（一定の位置決め精度を得るのに必要とされる
短かい制御周期）内で演算処理等が完了できず、どうし
ても位置決め精度を粗くせざるを得ない。

つまり、従来例では、座標変換周期に合わせてサーボ制
御を行っており、このため再生時になめらかな動き、精
度および動作速度の点で問題があった。また、この問題
を解決するべく、例えば再生時ポイント間動作に入るま
えに、途中経路を予め計算して求めておく方法も提案さ
れたが、この方法では途中経路のデータをすべて記憶し
ておく必要があり、メインメモリの容量が大きくなりコ
ストダウンの要請に反する結果となる。

そこで、この発明の主たる目的は、処理速度の比較的低
い低価格のマイクロコンピュータを制御・演算手段に含
む産業用ロボットでも所望の位置決め精度を得かっなめ
らかな動作をさせうる教示・再生型ロボットの制御方法
を新規に提供することにある。

この目的を達成するため、この発明の要旨とするところ
は、教示および再生時に座標変換処理を伴う教示・再生
型ロボットを制御する方法におい規定される座標変換等
の処理時間よりも短い所定時間毎に行う−、方、サーボ
制御動作と座標変換等の処理動作とが競合するときは前
記タイマ手段出力番こ基づいて座標変換等の処理動作を
中断させ、当該サーボ制御動作の終了とともに前記中断
させた処理動作を再び開始させるようにしてサーボ制御
周期を優先させるようにしたことを特徴とする。

以下、この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図は一実施例を適用する多関節型の溶接ロボットの
概略図であり、このロボットは教示時に遠隔操作（教示
）盤を使用してＦＴＰ教示を行い、再生時は補間演算に
よりｃｐ制御する方式である。

ロボット１は、第１図に示すように、アクチュエータの
駆動手段を含む基台上に設けた旋回自在なターンテーブ
ル２と、ターンテーブル２からトへ延びる第１アーム３
と、第１アーム３と連結された第２アーム４と、第２ア
ーム４の先端部に連結された手首５と２手首５の先端部
に取り付けられた溶接トーチ６とを備える周知の溶接ロ
ボットである。座標系は、第１図（ｂ）の平面図に示す
ように、ターンテーブル２の中心を原点として、溶接対
象に垂直に向かう方向をＸ軸、平面内でこのＸ軸と直交
する方向がＸ軸、モしてｘｙ平面と垂直方向（鉛直方向
）が２軸である。ロボット１の位置を規定するのは角度
（θ□、θ２．θ３．θ４、θ　）の５つのパラ°メー
タである。角度θ１は）軸と第１アーム３とがなす角、
θ２はＸ軸と第１アーム３とがなす角、θ３は第１アー
ム３と第２アーム４とがなす角、θ４は第２アーム４の
長手方向と垂直な方向に対して手首５が上下になす角、
θ　はθ４と同様で手首５が左右・になす角である。こ
のように規定されるロボットの溶接トーチ６は、第２図
で示すように教示ポインｌ−Ａ、Ｂ間を適当な補間間隔
△Ｌ（たとえば０．１６１１ｕｎ〜１゜６＋ｎｍ）をも
って移動速度Ｖ（たとえば０．１　ｔｎ　／分〜１．Ｑ
ｒｒＬ／分）により等速制御される。なお、Ｘ印は補間
点、Ｌは教示ポイント間距離で１〜２ｍ−Ｃあり、これ
は−例を示す。

このようなロボット１に対し、教示工゛程は、第３図、
第７図に示すように、 ■　まず、搬送手段としてのコンベア１０に乗ってくる
溶接対象としてのたとえば自動車フレーム１１をコンベ
ア１０を停止してロボット可動範囲内の固定した位置に
セットする。

■　オペレータは、遠隔操作盤２０（詳細図はの移動指
示釦２２を操作する。この指令信号は制御装置に入力さ
れる。他方、制御装置はロボット１の現在の姿勢位置を
知るために内界計測機能としての位置検出器１２で検出
されたロボット各軸の関節角度（θ１〜θ５）を取り込
む。この位置検出器１２は当業者に周知のもので、たと
えばレゾルバ、ポテンショメータ、フォトエンコータ等
テ標変換器１３によってアーム先端７（第２アーム４と
手首５との取付部）の直交座標（”＋Ｙｅｚ）および手
首５の方向余弦（／　、　ｍ　、　ｎ　）を計算する。

そして、このアーム先端７の直交座標（ｘ。

）、ｌ）と手首５の方向余弦（ｌ　、　ｉｎ　、　ｎ　
）から手首先端すなわち溶接トーチ先端８の直交座標（
ｘ／、γ′、ｌ′）を求める。

■　■と同時的に、遠隔操作盤２０から入力した指令信
号を処理して、移動量演γノ器１４によりＩＣ秒間の移
動量を求める。そし１、加算器１５により手首先端座標
（ｚ’　、　ｙ　／　、　ｚ　′）に移動量（△ｘ／、
△γ′、△２′つ　を加え゛ｒｃ秒彷の手首先端座標（
ｘ″、ｙ″、ｚ″）と手首方向余弦（１＋　”　ｓ口）
を求める。なお、Ｔｃ　　は教示時における周期である
。

■　求めた移動先の手首先端座標（Ｘ″、ｙ″。

ｌ″）と手首方向余弦（１、ｍ　、　ｎ　）からアーム
先端の直交座標（ｘ／／／　、　ｙＩＩ　、　ｚＩ″）
を求める。そしてこの座ｓ（ｘ“ｌ　、　ｙ１′１　、
　ｚ／＃　）　および手首方向余Ｑ’　（１、ｒｎ　、
　ｎ）から逆座標変換器１６により、ロボット各軸の関
節角度（θ□′〜θ５′）を求める。このとき、Ｎ点分
（Ｎ＝Ｔｃ／Ｔｓて、なおＴｓは再生時の周期である。

）の目標位置を一次補間してバッファメモリ１７へ記憶
する。バッファメモリ１７は領域Ａと領域Ｂの２つに区
分されてデュアル構成としており、どちらか一方に記憶
する。

■　移動先の関節角度（θ□′〜０５′）をサーボ系の
目標値として、現姿勢での各軸の関節角度（０１〜θ５
）との差（△θ□〜△１５）が零となるように制御演算
器１８を作動させサーボ制御を行なう。

■　上記■から■の小工程を繰返すことにより、ロボッ
ト１を溶接経路上の重要なポイントへ位置決めする。

■　位置決めした後、遠隔操作盤２０のポイント記録釦
２３を押し、手首先端座標（ｘ″’　＋　Ｙ”　　＋２
“）と手首の方向余弦（／　、　ｍ　、　ｎ　）をメモ
リ３０へ記憶す°る。これと同時にファンクションおよ
び溶接経路上の１つ前のポイント間における溶接トーチ
の移動速度ならびに直線補間か曲線（−の 一群の情報のデータ形式を模式的に第６図に示す。

史＞　　以りの■から■の小工程を反復して溶接すべき
全経路−Ｆの重要ポイントおよび移動速度等の情報を次
々にメモリ３０に記憶してゆく。第６図で示した情報は
１つのプログラムの１ステツプに相当する。ステップの
番号は遠隔操作盤２０のステップ番号設定部２４によっ
て定義される。また、ステップ群からなる１つのプログ
ラムはプログラム番号設定器２５によりプログラム番号
が定義される。

再生工程では、まず溶接対象１１を教示したときの位置
ヘセットする。そして、第４図、第８図で示す一連の処
理プロセスを経てプレイバック動作が行なわれる。すな
わち、 ■　メモリ３０から記憶している２点のポイントデータ
Ｐｉ−１，Ｐｉを読みだす。ファンクションデータ等も
同時に読み出される。

■　とり出したポイントデータ、すなわち手首先端座標
（ｘｉ−１，ｙｉ−１，ｚｉ−１）、手首の方向余弦（
ｌ！ｉ　−１、ｍｉ　−１、ｎｌ−１）と（Ｘｉ、ｙｉ
、、ｚｉ　）　　及び（Ｉ！ｉ　、ｍｉ　、　ｎｉ　）
とポインド間移動速度ＶＰから、次に示すように前ポイ
ン１−Ｐｉ−１から【秒の手首先端座標（Ｘ’。

ｙ　／　、　ｚ　／　）および手首の方向余弦（／、’
　、　ｍ’　、　ｎ’）が求められる。

ｘ’　−ｘｉ−１＋ｔ−ＶＰｘ ｙ′＝ｙｉ−１＋を電ＶＰｙ ｚ’−Ｚｌ　−１＋　ｔ　・Ｖｐｚ ただし、ｖＰ）’　ｌ　ＶＰＹ　、　Ｖｐｚはそれぞれ
ＶｐのＸ。

Ｖｔｚ方向の分速度であり、たとえばｖ、ｘ　では、と
して与えられるものである゛。また、（／’、ｍ’。

ｎ／　）も同様にして求めることができる。これらの処
理は補間演算器３２が処理する。

ここで、マイクロコンピュータを使用したサンプリング
制御ではより単純化した処理ですむ。たとえば、第９図
を参照して、Ｘ成分について式をもって示せば、 ｘ’　＝　Ｘｉ　−１＋ｎ−△ｔ−ＶＰＸ−ｘｉ−１＋
ｎ・△【・獲とｘ　を二ｌ　）　、　ｖＰ（ただし、／
＝％石＝乙ア石７；弱（匣ゴ冨７）（ｘｉ−ｘｉ−１） ＝ｘｉ−１＋ｎｅ△【１□ （ただし、Ｔ：ポイント間の移動時間）ただし、Ｋ：ポ
イント間の分割数 ｎ；１，２．・・・・・・、に である。

■Ｉこのようにして得た座標（ｘ／　、　ｙ／　、　ｚ
／）１６により座標変換してロボット各軸の関節角度（
０１′〜０５′）を求める。そして、前周期での関節角
度と、−次補間したＮ点分の目標位置とをバッファメモ
リ１７へ記憶スル。

■　バッファメモリ１７からＴｓ（秒）ごとに目標位置
を取り出して、位置検出器１２から得ている位置情報、
との偏差（△θ□〜△θ５）　゛が零となるよう制御演
算器１８を動作させてサーボ制御する。こうして、教示
したポイント間経路を直線（又は円弧）をもって再生し
てゆく。

次に、ロボットの制御を周期を中心として説明する。こ
のロボットは座標変換する周期Ｔｃとサーボ制御する周
期Ｔｃとを分離（時分割）することによって制御してい
る。つまり、座標変換の計算時間より長い時間の周期Ｔ
ｃ毎に、（θ□、・・・・・・、θ５）→（Ｘ、ｙ、ｚ
、ｌ！２ｍ、ｎ）→（０１′。

・・・・・・、０５′）の変換を行ない、直線又は曲線
の位置を求める。この求められた（θ□′、・・・・・
・、０５′）をＮ分割（Ｎ　＝　Ｔｃ　／Ｔｓ　）　ｌ
、てサーボ制御に必要な目標位置を計算する。そして、
Ｎ分割されたロボット各軸の角度を目標位置として周期
Ｔｓ毎にサーボ制御をする。サーボ制御はマイクロコン
ピュータ系の制御系とは独立した外部タイマによって起
動始点が決められている。また、マイクロコンピュータ
に内蔵したタイマを使う方法もある。

すなわち、第１０図に示すように、アクチュエータ４０
に制御指令を出力するマイクロコンピュータＭＣ又はＣ
ＰＵには外部からインタバルタイマＴＭによってＴｓ秒
毎に割り込み信号が入力される。ＣＰＵはこの割り込み
信号を受けとると現在行なっている処理があればそれを
中断しくもちろん退避処理等は内部オペレーティングシ
ステムが実行する）、中断解除指令が入力されるまで待
機する。ＣＰＵが何ら処理動作を行なっていないときは
、ただちに割り込み信号に基づく処理（＝サーボ制御）
を行う。

第７図と第１１図（ａ）　、　（Ｃ）を参照して、ＦＴ
Ｐ教示の場合の周期処理について説明する。

Ｔｃ周期での処理は、まずレゾルバ、ポテンショメータ
又はフォトエンコーダ等の位置検出器１２より各軸の関
節角度を得る。順座裸変換器１３により座標変換して手
首先端座標（ｘ＊Ｖ＊ｚ）及　　、び手首の方向余弦（
ｌ、　ｍ　、　ｎ　）を求める、これと同時に遠隔盤２
０よりの指令を入力して、Ｔｃ秒間の移動量を移動量演
算器１４により求める。

加算器１５により手首先端座標（ｘ、ｙ、ｚ）に移動量
を加え、Ｔｃ秒後の手首先端座標（ｘ’　、ｙ’。

ｌ′）及び方向余弦（１’　、ｍ’　、　ｎ’　）を求
める。逆座標変換器１６により逆座標変換して各軸の関
節角度を求める。先に入力した関節角度（位置検出器１
２で得たデータ）とＴ秒後の関節角度をＮ等分してバッ
ファメモリ１７の領域Ａ又はＢに記憶する。

Ｔｃ周期での処理は、第１０図で示したインタバルタイ
マＴＭにより計算が開始される。第１１図（Ｃ）で示す
ように、座標変換中にインタバルタイマがタイムアツプ
すると、座標変換は中止され次の処理を行ない、処理が
終了すると再び座標変。

換が続けられる。

■バッファメモリ１７の領域Ａ又はＢより各軸の関節角
度をとり出す。

■位置検出器１２より現在の関節角度を求める。

■前記■、■に基づき偏差がゼロとなるように制御演算
器１８で演算処理してサーボ出力し、アクチュエータ４
０を駆動する。

■バッファメモリ１７の領域Ａ又はＢより、Ｎ回（Ｎ＝
Ｔｃ／Ｔｓ）データを取り出したら、座標変換を開始す
る。

なお、このサーボ制御のとき、バッファメモリＡ領域よ
りデータをとり出しているときは座標変換で求めたＮ点
分の目標位置（ネバツファメモリのＢ領域へ記憶する。

逆に、サーボ制御でＢ領域からデータをとり出している
ときは、座標変換で求めたＮ点分の目標位置は領域Ａへ
記憶するようにしている。また、電源投入時など初期時
においては、その時点でのロボットの各関節角度を入力
し、領域Ａ及びＢに記憶するように制御される。

ＣＰ再生の場合について、第８図と第１１図（ａ）、（
ｂ）を参照して同期処理は、教示の場合と同様へ Ｔｃ周期処理とＴｃ周期での処理がある。

Ｔｃ周期での処理は、教示時記憶したメモリ（メインメ
モリ）３０からポイントのデータ（手首先端座標および
手首部分の方向余弦）を取り出し、直線又は円弧補間器
１９により直線補間又は円弧補間を行ない、成る周期で
の手首先端座標及び手首の方向余弦を求める。次に、逆
座標変換器１６により逆座標゛変換して、各軸の関節角
度を求める。前周期での最終関節角度と、今周期での関
節角度をＮ等分してバッファメモリ１７の領域Ａ又はＢ
に記憶する。なお、バッファメモリは高速動作するレジ
スタ群よりなり、各領域はＮ×自由度（又は余裕をみて
この値よりわずかに大きい）分の記憶容量を備えるもの
である。

Ｔｃ周期での処理は、教示時のＴｃ周期処理と同様であ
り、外部からインタバルタイマＴＭによりＣＰＵに割り
込み指令を与えてサーボ制御を優先させる場合がある。

第１１図（ａ）　、　（ｂ）に示すように、割り込み指
令が入力されたＣＰＵは再生時における座標変換及びそ
の他の処理（ファンクして、サーボ制御が終了するまで
待機し、終了すればサーボ制御完了信号（バッファメモ
リよりＮこのデータを取り出したことに基づく信号）に
よって中断していた処理を再開する。もつとも、再生時
において、座標変換その他の処理とサーボ制御処理とが
重複しない場合はただちにサーボ制御が実行されること
はＣうま゛でもない。そして、Ｔｃ周期のサーボ制御が
所定回数行なわれた後、再び次のポイントデータが取り
込まれて座標変換等の処理が進められる。

なお、上記実施例において第１０図に示したマイクロコ
ンピュータ又はＣＰＵは、例えば第７図では、順座標変
換器１３、移動量演算器１４．・・・・・・、制御演算
器１８を包含するもので、―・・器として示したものは
制御・演算手段としてのＣＰＵのある瞬間の機能をいう
ものであり、・・・・器が独立して存在する意味でない
ことに留意すべきである。

また、一実施例は多関節型の溶接ロボットについて述べ
たが、マイクロコンピュータ又はマイクロプロセサを制
御演算手段に含み座標変換処理を伴う円筒座標ロボット
もしくは極座標ロボットにもこの技術思想は適用可能で
ある。さらに、溶接用ロボットに限らず、塗装用ロボッ
トにも同様に適用できる。

以上のように、この発明によれば、所定の精度を得るの
に必要なサーボ制御周期よりも座標変換等の処理に長時
間を要するロボットにおいても。

タイマ手段により制御−・演算手段に外から割り込み指
令をかけ、サーボ制御を座標変換等の処理よりも優先し
て制御するようにしたので、たとえ制御・演算手段に処
理速度の遅い低価格マイクロコンピュータを含んだとし
ても所望の位置決め精度を得かつなめらかな動作をきせ
ることかできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は多関節型のロボットの概略図で（ａ）は側面図
、（ｂ）は平面図である。第２図はロボットの動作の説
明図、第３図は教示工程の説明図、第４図は再生工程の
説明図、第５図は遠隔操作盤の詳細図、第６図はデータ
形式の模式図、第７図は一実施例のフロー図で教示時の
もの、第８図は一実施例のフロー図で再生時のものをボ
し、第９図は直線補間の説明図、第１０図は実施例の概
念を示すブロック図、第１１図は教示時及び再生時のタ
イムチャートである。 １３・・・順座標変換器、１６・・・逆座標変換器、１
７・・・バッツァメモリ、１８・・・制御演算器、ＴＭ
・・・インタバルタイマ、ＭＣ・・・マイクロコンピュ
ータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. は）教示および再生時に座標変換処理を伴う教示・再生
   型ロボットを制御する方法において、サーボ制御動作は
   、マイクロコンピュータを含む制御・演算手段とは独立
   したタイマ手段又は、マイクロコンピュータに内蔵した
   タイマ手段により規定される座標変換等の処理時間より
   も短い所定時間毎に行う一方、サーボ制御動作と座標変
   換等の処理動作とが競合するときは、前記タイマ手段出
   力に基づいて座標変換等の処理動作を中断させ、当該サ
   ーボ制御動作の終了とともに前記中断させた処理動作を
   再び開始させるようにしたことを特徴とする教示・再生
   型ロボットの制御方法。