JPS61177509A - ロボツト手先の位置姿勢制御方式 - 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】 〔発明の利用分野〕　　　” 本発明は、加工用工具を一定位置に固定してワークを動
かす加工方式に係り、特にワークを多関節ロボットに把
持させる場合に好適な、ロボット手先の位置姿勢制御方
式に関する。

〔発明の背涜〕

加工は、一般に、工具とワークのうちの一方を固定し、
他方を移動させることが多い、従って、加工方式を次の
ように分類することができる。

（ａ）工具移動・ワーク固定方式 （ｂ）工具固定・ワーク移動方式 ロボットを加工作業に用いるとき、従来は、ロボットに
工具を取付けて動かす（ａ）の方式が多かった。工具を
取付けたロボットに加工動作を教示する方法としては、
ティーチング・プレイバックによる方法や、ワークの形
状からロボット動作を計算により自動的に求める方法等
がある。後者の方式として、例えば特開昭５９−５２３
０４号公報が知られている。

しかし、レーザ光線を固定しワークを動かす場合のよう
に、（ｂ）の方式を取る場合には、上記公開特許の方法
を直接利用することはできない。このため、人間がワー
クの位置と姿勢を見ながらティーチングする必要があっ
た。しかし、このティーチング・プレイバック方式は多
大の教示時間を要するという欠点があり、ロボット動作
データを自動作成することが望まれていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ワークを把持したロボット手先の位置
姿勢を、ワークの形状およびワーク上の加工位置データ
から自動的に決定する方式を提供することにある。

・　〔発明の概要〕 上記目的を達成するため本発明では、ワーク上の加工点
における法線方向と、工具の方向とを一致させるように
、ロボット手先の位置姿勢を決めることを基本的考え方
とする。

〔発明の実施例〕

まず１本発明の原理を第１図により説明する。

今、任意の位置の加工点Ｐを考え、その点における法線
ベクトルをＮワーク方向を向いた加工用工具のベクトル
をＬとし、また、ロボットの手先の位置と姿勢を表わす
座標系を０７とする。これらの記号を用いて、加工方式
（ａ）を示すと第１図（ａ）のように、ワーク１０上の
加工点Ｐにおける法線ベクトルＮから、座標系Ｃ？の位
置と姿勢が求まる。すなわち、法線ベクトルＮと１８０
＠を成すように加工用工具ベクトルＬが決まる。ここで
、ロボットの手先に工具を取付けであるので、加工用工
具ベクトルＬとロボット手先座標系Ｃ７のうちの１軸は
一致する。従って、法線ベクトルＮを求めれば、座標系
Ｃ？の１軸は決まる。座標系Ｃ？のうちの他の１軸は任
意に決められるが、例えば、加工点における加工線の接
続方向に決めればよい、残りの１軸は、既に決めた２軸
に直交することから、一意的に決まる。結局、法線ベク
トルＮを求めれば、ロボットの手先の位置と姿勢は決ま
る。

一方、加工方式（ｂ）の場合には、法線ベクトルＮを求
めるだけでは、ロボットの手先の位置姿勢は決まらない
、すなわち、第１図（ｂ）に示すように、工具ベクトル
Ｌと法線ベクトルＮの方向を一致させるためには１手先
座標系Ｃアに平行移動および回転操作を加えねばならな
い、それらの操作量を求める基本的考え方を次に述べる
。

（１）Ｎを操作してＬと方向を一致させる６Ｌ、Ｎ、Ｃ
，の３つを同時には考えにくいので、まず、Ｎを操作し
て、ＬとＮの方向を一致させることを考える。一致のた
めの操作としては、Ｎに平行移動と回転を加えればよい
６そのときの平行移動量をバク１−ルＭで表わし、回転
軸を表おすベクトルをＲ１回転角をＯとする。

（２）上記（１）で求めた操作量をＣＴに与える。

手先座標系Ｃ７の原点ＯをベクトルＭだけ平行移動した
後に、原点０を通りＲに平行なベクトルＲ′のまわりに
θだけ回転する。この結果、ＮとＬは平行にはなるが方
向は一致しない、その原因は回転＃ＲとＲ′の位置がＰ
Ｏだけ離れていることによる。この回転軸の位置の違い
を次のように補正する。

（３）ｃｔの操作量を補正する。

手先座標系Ｃ７をＭ′だけ平行移動すれば、ＮとＬは一
致する。ここで、Ｍ′は補正量を表わすベクトルで、上
記（１）から求めることができる。

ｔ　ナワチ、　（１）でＭだけ平行移動を行ったときの
座標系Ｃアの原点の位置をＯＮとし、加工点Ｐを通るベ
クトルＲのまわりにθだけ回転したときの座標系Ｃ？の
原点の位置をＯ，とすると、０１１ＯＲが求めるベクト
ルＭ′となる。

結局、上記（１）（２）（３）より、座標系ＣＴには次
の操作を加えればよいことが分る。

（ｉ）Ｍだけ平行移動 （ｉｔ）　Ｒ’のまわりにθだけ回転 （伍）Ｍ′だけ平行移動 なお、これらの操作順序は任意に組合せることができ１
例えば、（ｉ　）（ｉｉｉ）（ｉｉ）の順のように先に
平行移動を行なうこともできる。なお、（ｉ）と（ｉｉ
ｉ）の回行移動を２回行うのではなく、Ｍ　＋　Ｍ　’
の平行移動を１回行うことも可能であることはいうまで
もない。

以下、本発明の一実施例を＠２図により説明する０本実
施例は１次の７要素、すなわち、レーザ発振器１、レー
ザ光線゛を反射により方向変換するビームベンダ２．ワ
ーク３、多関節ロボット４、ロボットコントローラ５、
計算機６、およびワーり形状データと加工位置データを
格納している磁気ドラム７、とから成る。このようなハ
ードウェア構成で、切断、溶接、穴あけ等の３次元レー
ザ加工を行う場合には、計算機６でロボット動作データ
を作成し、ロボットコントローラ５に該データを伝送す
ればよい、従って、以下、計算機６におけるロボット動
作データの生成手順を第３図のフローチャートに従って
説明する。

ステップ３０１：各加工点Ｐ＋　　（ｉ＝１＊　−ｒ　
ｎ）における法線ベクトルＮ、を求 める。これらは、磁気ドラム７ に格納されている、ワーク形状 データと加工位置データとから、 容易に求めることができる。た だし、ここで求めたベクトル Ｎ、は、ワークに設定した座標 系Ｃｗにおいて記述したもので ある。

ステップ３０２：今加工しようとしている点Ｐ。

における法線ベクトルＮ、をレ ーザ光線ベクトルＬに一致させ るための準備として、法線ベク トルＮ、　をロボット本体に固定 した座標系Ｃ９における記述に 変換する。座標系間の変換は、 ホモジニアス変換行列を用いれ ばよいことは良く知られており （例えば、Ｒ，Ｐ、Ｐａｕｌ、　　ＲｏｂｏｔＭａｎｉ
ｐｕｌａｔｏｒｓ”ＭＩＴ　Ｐｒｅｓｓ、１９８１＋第
１章、あるいは若松値「知能 ロボット読本」２日刊工業新聞 社、　１９８３年、第５章）、ロボッ ト座標系ＣＩＩ　とワーク座標系 Ｃｗのホモジニアス変換行列 Ｔ、１ｗは次のように求まる。

Ｔ、ｌ、＝ＴＲ，・ＴＴｗ ここで、Ｔｌ１７はロボット座標 系ＣＲとロボット手先座標系 ０７間のホモジＥアス変換行列 であり、加工点Ｐｉ−１を１時刻 前に加工したときのロボット手 先の位置姿勢からＴＩＩＴを容易に 求めることができる。なお、最 初に加工する点Ｐ１の１時刻前 のロボット手先の位置姿勢は、 ロボットの初期位置姿勢とする。

Ｔ７Ｗはロボット手先座標系Ｃ７ とワーク座標系ＣＷ間のホモジ ニアス変換行列であり、ロボッ トがワークを把持するワーク上 の位置は変わらないので、Ｔ□ は時刻に関係せずに固定的に求 まる。

結局、ワーク座標系Ｃｗで表 わした法線ベクトルＮ、＝　［ｎＬ。

ｎ　２　を負、〕７をロボット座標系 Ｃ７で記述する式は１次のよう になる。

Ｎ、＝ＴＩＩ、［ｎｌ、ｎ、、ｎ３］’ステップ３０３
：ロボット座標系で表わした法線ベクトルＮ、とレーザ
光線ベク トルＬが１８０°を成し、かつ、 Ｐ、とレーザ光線ベクトルの先 端位置Ｐ０　を一致させるために。

Ｎ、の移動量と回転量を求める。

すなわち、第４図に示すように、 求まる。また、点Ｐ、を通り Ｎ、に平行なベクトルを　Ｎ１′ とし、Ｌと逆向きのベクトルを Ｌ′とすると、回転量はＮｌ’ とＬ′の成す角θとして求まる。

なお、Ｎ′とＬ′の外積から決 まるベクトルＲを回転ベクトル と呼ぶことにする。

ステップ３０４：ロボット手先座標系Ｃ？の現在位置と
姿勢から、新しい位置と 姿勢を求めるためには、次のよ うにする（第５図参照）。

（１）ＣＴの原点を、移動ベクト ルＭだけ、移動する。

（２）移動後の原点を通り１回転 ベクトルＲに平行なベクトル をＲ′とする。Ｒ′のまわり にθだけ回転して、新しい姿 勢をつくる。

（３）　Ｎ、とｒ、の方向のずれを補 正するために、Ｃ？の原点を Ｍ′だけ平行移動する。ここ で１Ｍ′は、〔手順３〕から 求まるペクト・ルである。すな わち、第４図（ａ）に示した平 行移動操作をＮに加えたとき のＣ？の原点位置を０．とし。

同図（ｂ）に示した回転操作を Ｎに加えたときのＣ？の原点 位置を０．とすると１Ｍ′二 〇〇〇〇となる。

以上のように（１）〜（３）によ り、ロボット手先座標系の新し い位置と姿勢を求めることがで きる。なお、（２）で用いる、座 標系を任意のベクトルまわりに 回転する方法は、前述のＰｉｕｌの 文献の１章］２節（ｐｐ２５− ２９）に詳しく載っているので、 ここでは説明を省くことにする。

ステップ３０５：ロボット手先座標系の位置を姿勢が決
まれば、そのときの各間 筋向を求めることは容易にでき る。その方法は、例えば、前述 のＰａｕｌの文献の第３章を参照類 いたい。従って、このようにし て求めた各関節角を、ロボット コントローラの受付けるフォー マットに変換しく例えば関節駆 動モータのパルス数）、送信す ればよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ワークを把持したロボットの位置姿勢
を、ワークの形状データおよび加工点の位置データから
自動的に決めることができるので。

従来のティーチング・プレイバック方式に比べて、教示
時間を１／１０程度に短縮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明図、第２図は本発明の一実
施例のハードウェア構成図、第３図はロボット手先の位
置姿勢データの自動生成手順を示すフローチャート図、
第４図は法線ベクトルと工具ベクトルを一致させるため
の移動量の説明図、第５図はロボット手先座標系の移動
を説明する図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 加工用ワークを把持するロボットと、該ロボットを制御
   するコントローラと、該コントローラとオンライン接続
   されている処理装置と、該処理装置によりアクセスでき
   るワーク形状データを格納しているデータファイルより
   成るロボット教示システムにおいて、固定位置にある工
   具先端点とワーク上の加工点の距離と、工具の加工方向
   と加工点の法線方向の成す角度とから、ワークを把持す
   るロボット手先の空間上の位置姿勢データを作成するこ
   とを特徴とするロボット手先の位置姿勢制御方式。