JPS61240304A - 産業用ロボツトのエンド・エフエクタ取付け誤差演算装置 - 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、ロボットにエンド・エフェクタを取付ける際
に生じる誤差の補正法に係り、特にエンド・エフェクタ
が溶接用トーチあるいはスプレィ・ガンである時に好適
な、誤差演算装置に関する。

〔発明の背景〕

ロボットに溶接あるいは塗装の作業を教示する場合、現
在そのほとんどがティーチング・プレイバック方式に頼
ハる教示方式を採用している。しかし、作業内容の多様
化・複雑化が進むであろう将来、コンピュータを用いた
オフライン・ティーチングが前記方式にとって代わるこ
とが予想される。オフライン・ティーチングの大きな問
題点の一つは、オフライン時に想定した通シには必ずし
もロボットが動作しないことにある。これは、次の３つ
の誤差が原因であると考えられる。

ａ）　ワーク（作業対象物）の形状誤差オフライン時に
想定したワークのモデルと実際に製作したワークとの誤
差をいう。

（２）　ロボットの機構誤差 オフライン時に想定したロボットの機構モデルと実際の
ロボットとの誤差（例えば、アーム長などの設計諸元の
誤差）をいう。

０）　エンド・エフェクタ取付は誤差 トーチ（溶接用エンド・工７エクタンやスプレィ・ガン
（塗装用エンド−エフェクタ）は、作業内容の多様化に
対応できるように、ユーザが用途に合わせて独自に取付
ける。その取付けの際に生ずる誤差、即ち、オフ、フィ
ン時に想定したロボットの機構モデルによ）演算された
エンド・二７エクタの位置・姿勢と、実際に取付けられ
ているエンド・エフェクタの位置・姿勢との誤差をいう
。

これらの誤差に対して、上記α）については、まだ有効
な手段がないため、ワーク製作時に規格に合っているも
のだけを選別する方法で対処し、上記（２）については
、特開昭５９−５９３９４号公報などで対処が可能であ
る。上記（３）については、トーチ取付は作業がロボッ
トのユーザの経戚と勘によるものであるため、大きな誤
差となシやすい。しかし、現在それに対処する有効な方
法が提案されていないと思われる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、トーチあるいはスプレィ−ガン等のエ
ンド・エフェクタをロボットに取付ける際に生ずる誤差
を、ロボット据付は床面からエンド・エフェクタまでの
高さの実測値とロボットの設計諸元とから測定し、更に
、その測定結果を用いて、エンド・エフェクタ取付は誤
差を補正する装置を提供することにおる。

〔発明の概要〕

上記目的を達成する丸めに、本発明は、「一端を共有す
る２つのベクトルの空間的位置関係は極座標形式で表現
できる」ことに着目している。その理由は、トーチの取
付は用治具は、常に固定されているため、取付けたトー
チの位置には誤差が生じず、姿勢のみに誤差が生じるか
らである。

本発明は、モデル・トーチを２軸と一致させることによ
り、モデル・トーチ先端の床からの高さ、実トーチ先端
の床からの高さの、Ｚ軸方向のデータのみで、両者の幾
何学的位置関係からトーチ取付は誤差が測定できること
を特徴としている。また、その測定結果を用いて座標系
変換マトリックスを作成して、モデル・トーチの位置・
姿勢指令値の修正を行い、トーチ取付は誤差を補正する
機能も、本発明には含まれている。

〔発明の実施例〕

まず、本発明の原理について説明する。第１図（ａ）に
示すように、あるベクトルＡを、Ａと２軸とのなす角度
θと、ＡをＸ−Ｙ平面に投影した時のベクトルＡ′とＸ
軸とのなす角度φとを用いて極座標形式で表現する。前
述の層目点に従って、第１図（ｂ）に示すように、実際
にロボットに取付けられているトーチ（以下、これを実
トーチと呼ぶ）の位置ベクトル１０１と、ロボットの動
作データ生成装置内でロボットの位置・姿勢を定義した
機構モデルにより演算されたトーチ（以下、これをモデ
ルトーチと呼ぶ）の位置ベクトル１０２とにより、トー
チ取付は誤差を前述のθとφとで定義することができる
。このθとφを測定するには、実トーチの位置ベクトル
の各座標軸における成分、即ち、Ｘ−Ｙ−２成分の、３
つの値を実測しなければならない。しかし、実測の基準
となる、ロボットの関節軸の中心等に設定されている座
標系はモデル上のものでオシ、実際の実測の基準とする
ことは困癲である。このため、実測可能な新たな座標系
を設定する必要がある。更に、この新たな座標系のｘ、
ｙ、ｚ軸のそれぞれに、実トーチの位置ベクトルを投影
して、このベクトルの各座標軸における成分を実測しな
ければならない。以上のような、煩雑な手順がθとφの
測定には必要となり、また、その際、実測誤差の生ずる
可能性も非常に高い。

つぎに、トーチ取付は誤差を測定し、補正する装置につ
いて説明する。

（１）トーチ取付は誤差測定装置 本装置は、次の２つの機能によ多構成される。

（ａ）　　θ算出機能二次の手順により４ｇ１図に記し
たθを求める。即ち、（１）第２図のようにモデルトー
チ（位置Ｐ！にある）の姿勢が床面に対して垂直となる
時の高さｈをロボットの動作データとする、（ｉ＋）（
１）の動作データを用いて、実際にロボットを動かす、
（ｉｉｉ）その時の実トーチ（位置Ｐ！にある）の高さ
ｈ′を実測する。以上の・　手順により得られたり、　
　ｈ／を用いて、モデルトーチと実トーチとの幾何学的
位置関係からθを算出する。

（ｂ）　　φ算出機能：第１図に記したφを求めるため
に、８２図ｔ−Ｘ−Ｙ平面への投影図（第３図）具体的
には、次の３つの手順で実現する。

〔手順１〕 第３図において、Ｐｚの存在範囲３１（第１〜第４象限
）にたいし、φが、第１・第４２＃！限側、第２−第３
象限側どちら側に存在するかを、以下の方法で調べる。

まず、そデルトーチの姿勢を床面に対して垂直にした時
と、Ｚ−Ｘ平面上で床面に対して真横にした時との２ケ
ースに分け、各ケースにおける実トーチの高さを実測で
求める。そして、第４図（ａ）のようにｈｌがり、よシ
大きい場合には、第４図（ｂ）のように第１・第４象限
側にφが存在すると判定する。また、第５図（ａ）のよ
うに、ｈｉがり、よシ小さい場合には、第５図中）のよ
うに第２・第３象限側にφが存在すると判定する。

〔手順２〕 手順１のみでは、φの存在する象限を一つに絞シ切れな
いため、本手順ではモデル・トーチの姿勢ｔ−Ｚ−Ｙ平
面上で床面に対して真横にした時についても手順１と同
様な方法で調べ、φが存在している象限を厳科的に決定
する。

〔手順３〕 手順２で決定した象限のどこに実トーチの位置が存在し
ているかを角度φで求める。ところで、第３図における
実トーチの位置Ｐ３を第６図のように定義すれば、実ト
ーチのＸ軸上への投影位置Ｘｏはモデルトーチを真横に
対してＸ軸上に一致させた時の実トーチの高さに等しい
。この値は、手順１・２により既に得られている。また
、実トーチをＸ−Ｙ平面上へ投影したときのトーチ長γ
はθが与えられれば、容易に計算できる。これらの値と
φの存在している象限がわかれば、φは幾何学的な手法
により算出できる。

（２）トーチ取付は誤差補正装置 本装置は、上記α）で算出したθとφを用いて、第７図
のようにモデルトーチに設定した座標系Ｃから実トーチ
に設定した新たな座、＄系Ｃ／への変換マトリックスε
を作成して、モデルトーチの位置・姿勢指令値Ｔの修正
を行う機能を備えている。

ここで、Ｃｔ−Ｃ′に一致させるには、Ｚ軸回シにφ、
Ｙ軸回シにθ、それぞれ回転させれば良い。

この考え方に着目すれば、εは次式で求まる。

ε＝几、“１（２，φ）・几、ｔ　（ｙ、　　θ）更に
、トーチ取付は誤差を補正するためのモデルトーチの位
置・姿勢指令値Ｔ′は次式で求まる。

Ｔ’＝Ｔ−Ｅ なお、上記の２つの式に関しては、文献〔例えば、アー
ル・ピー・ボール（几・Ｐ　−Ｐａｕｌ）　。

１０ボツトマニピユレーター　、Ｍ　Ｉ　Ｔ　出版、１
９８１年（”　Ｒｏｂｏｔ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ
’ＭＩＴ　ｐｒｅｓ８＊１９８１）に詳しいので、ここ
では説明を省略する。

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。

本実施例で取上げたロボット教示システムのハードウェ
ア構成を第８図に示す。第８図の教示システムは、ロボ
ット８０１、溶接用トーチ８０２、溶接機器制御装置８
０２、ロボット・コントローラ８０４、ロボットの動作
データ生成装置８０５、入力装置８０６、トーチ取付は
誤差演算装置８０７トーチ取付は誤差測定装置８０８、
トーチ取付は誤差補正装置８０９、及び共通信号線８１
０からなる。トーチ取付誤差測定装置８０８内には、モ
デルトーチの高さデータ記憶装置８０８１、実トーチの
高さデータ記憶装置８０８２、）−チ取付は誤差測定演
算装置８０８３、演算結果記憶装置８０８４ｉ１’＄→
、トーチ取付誤差補正装置８０９内には、モデルトーチ
の位置・姿勢指令値記憶装置８０９１、トーチ取付は誤
差補正演算装置８０９２、演算結果記憶装置８０９３が
ある。このシステムを例にとり、本願発明にもとづくト
ーチ取付は誤差測定・補正、両面木について説明する。

（１）トーチ取付は誤差測定装置 本装置は、第８図に示すように４つの装置から構成され
ている。ここで、本装置における処理の流れを簡単に説
明する。まず、モデルトーチを第９図に示す３種類の姿
勢にし、それぞれの夾トーチの床からの高さＺｍ　、　
Ｚｘ　、　Ｚ’ｙを実測する。

なお、第９図における座標系のとシ方は、モデル・トー
チを床面に対して垂直にした時のモデル・トーチの方向
をＺｍ、床面に対して水平にした時のモデル・トーチの
方向をＸ軸、ＺｍとＸ軸の外積方向をＹ軸としている。

そして、前述の実測結果と、そデル・トーチの床からの
高さＺｓとを、装置８０６から入力し、前者は装置８０
８１に第１０図に示すフォーマットで、後者は装置８０
８２に第１図に示す７オーマツトで、それぞれ装置８０
５を介して記憶しておく。更に、これらの装置に記憶さ
れているデータを装置８０８３に入力して誤差を行い、
その結果を装置８０８４に第１２図に示すフォーマット
で記憶しておく。

次に本装置内で発明の対象となる装置８０８３について
、説明する。この装置は、（ａ）第２図におけるθを算
出する機能（以下、これをθ算出機能と呼ぶ）、（ｂ）
第６図におけるφを算出する機能（以下、これをφ算出
機能と呼ぶ）、より成る。以下、これらの機能について
詳ｉＫ説明する。

（ａ）０算出機能 トーチを第２図のような姿勢にした時のモデル・トーチ
の高さｈと実トーチの高さｈ′は、装置８０８１、装置
８０８２に記憶されティｂＺｘ　、　Ｚ　ｔとそれぞれ
同値であるため、既知である。従って、ｈとｈ′からθ
は幾何学的に解くことができ、次式で表わされる。

ａ−（ｈ’　−ｈ） θ＝＝　ｃｏｓ　”１□ （ｂ）　　φ算出機能 発明の概要で記述した手順に従い、φを算出する。まず
、装置８０８１　と装置８０８２に記憶されているＺｍ
、Ｚｘ、Ｚｌｙ、Ｚｌを用イテ、手順１・２・３を第１
３図で示す７０−チャートで表わす。第１３図において
、手順ｌはステップ１．２に、手順２はステップ３．４
に、手順３はステップ６に、それぞれ対応している。以
下、各ステップについて説明する。

〈ステップｌ〉 ＺＩ＜ＺｘかツＺ　ｔ　≧Ｚ　ｙ　構成９　立ツ時、２
丁＝ＩＰｚ、であればφは第１象限（第１３図１３０１
）内に存在し、Ｚｙ＝Ｚｔであればφは＋ｘ−１ｉｆｌ
ｌ上（第１３図１３０２）に存在すると判定する。

くステップ２２ ＺＩ＜Ｚｘかつｚ１≦Ｚｙが成り立つ時、ＺｘキＺ＋で
あればφは第４象限（第１３図１３０４＞内に存在し、
Ｚ！＝Ｚ１であればφは−ｙ軸上（第１３図１３０３）
に存在すると判定する。

くステップ３〉 ｚＩ≧ＺｘかつＺＩ＞ｚＹが成シ立つ時、Ｚｘ−ＩＰ　
Ｚ　ｉ　テｈればφはｇ２象！（５ｇｘ３図１３０６）
内に存在しＺｘ＝Ｚｔでおればφは＋ｙ輪軸上第１３図
１３０５）に存在すると判定する。

くス°テップ４〉 Ｚ　Ｉ＞　Ｚ　ｘかつｚＩ≦２！が成シ立つ時、Ｚｙ’
ＰＺ　ｌ　ｆ６．／”Ｌばφは第３象限（第１３図１３
０８　）内に存在し、Ｚ　ｒ　＝Ｚ　ｔであればφは−
ｘＩａ上（第１３図１３０７）に存在すると判定する。

くステップ５〉 ステップ１〜４の判定基準を満足しない場合、即ち、ト
ーチ取付は誤差がない場合の処理を本ステップ（第１３
図１３０９）で行う。

くステップ６〉 ステップ１〜４で決定した象限のどの位置に実トーチが
存在しているかを＋Ｘ鵬とのなす角度で求める（４１３
図１３１０）。具体的には、次の方法で行う。

第６図において次式が成シ立つ。

上式よシ、φは次式で求められる。

但し、−１８０’≦φ≦１８０’　　とするところが、
上式によればφは絶対値が同じで、符号のみが違う、２
つの解を持つことになる。そのため、次の判定法により
φを一意に決める。即ち、ステップ１〜ステツプ４で決
定したφの存在する象限が、第１＠第２象限であれば、
正のｐｓｆ：採用し、第３・第４Ｊ！限であれば負の解
を採用すれば良い。

以上のような機能を用いて、トーチ取付は誤差０・φを
測定する。

伐）　トーチ取付は誤差補正装置 本装置は、第８図に示すように３つの装置から構成され
ている。ここで、本装置における処理の流れを簡単に説
明する。まず、装置８０５で設定されたモデル・トーチ
の位置・姿勢指令値を、装置８０９１に第１４図に示す
フォーマットで記憶しておく。この装置に記憶されてい
る値と装置８０．８４に記憶されているθ・φとを装置
８ｏ９２に入力して誤差の補正を行い、その結果を装置
８０９３に第１５図に示す７オーマツトで記憶しておく
。

次に、本装置内で発明の対象となる装置８ｏ９２につい
て説明する。この装置は、発明の概要で述べたように、
座標系の変換マトリックスを作成して、モデル・トーチ
の位置の姿勢指令１直の修正を行う機能を１えている。

本実施例では、装置８ｏ８４に記憶しであるθ・φよシ
座標系変換マトリックスεを作成した後、装置８０９１
に記憶されている値で作成したモデル・トーチの位置姿
勢定義マトリックスＴを、εを用いて実トーチの位置・
姿勢定義マトリックスＴ′に変換する方法を示す。具体
的には、発明の概要で述べた考え方に基づき、次式でε
を求める。

Ｅ＝＆−１（Ｚ、　　φ）−ａ、＊（ｙ、　　θ）更に
、Ｔは装置８０９１に記憶されている値を用いれば、次
式で定義できる。

ＥとＴが与えられれば、実トーチの位置・姿勢定義マト
リックスＴ／は次式で求まる。　　　　′Ｔ′＝丁・ε
−１ 上式で求め九Ｔ′を用いて、装置８０５でロボットの動
作データを作シ直せば、トーチ取付は誤差が補正できる
。

以上、２つの装置をロボット教示システムに組込むこと
により、トーチ取付は誤差によるロボットの位置・姿勢
の誤差を抑えることができる。

次に、本発明の変形例について説明する。本発明の本文
では、φをθの関数として算出しているが、ここではθ
をφの関数として算出する方法を示す。

まず、第６図における実トーチの位置９ｓを第１６図の
ように定義すれば、φは次式で求められる。

ここで、”０＃）’（ｌは装置８０８１に記憶されてい
るＺｘ、Ｚｒと同値であるため、φは容易に計算できる
。ま九、φの存在する象限の判定法については、発明の
実施例で述べた方ｆＩｚを採用する。

次にθを求めるために、第１６図のｒを次式で計算する
。

ｒ＝　　ｘｅ”　＋Ｊｏ” または、 上式でｒは第１７図のｔと等しい。従って、θは次式で
計算できる。

以上の方法で算出したφとθを用いれば、前述のように
トーチ取付は誤差の補正ができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、次の効果がある。

α）物差２巻き尺等の安価で手軽な測定器を用いて、簡
単な測定を数回行うだけで、正確にエンド・エフェクタ
取付は誤差を測定することができる。

（２）本発明をロボット教示システムに組込むことによ
り、人間の意図した通シにロボットが正確に動作する。

そのため、精度のよい溶接ｅ塗装作業が実現できる。

（３）　　上記（１）■は、エンド・エフェクタ取付は
時に生ずる誤差に関するものであるが、例えば、周辺機
器とエンド・エフェクタとの衝突等のアクシデントで、
最初に設定しておいたエンド・エフェクタの姿勢に狂い
が生じた場合にも、本発明は適用可能でめシ、上記（１
）（２）と同様な効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は３次元中間における２つのベクトルの位置関係
を示す図、第２図は第１図の側面図、第３図は第１図の
上面図、第４図、第５図は実トーチの位置の存在してい
る象限を決める説明図、第６図は第３図に記号を付した
図、第７図は、座標系変換マトリックスの説明図、第８
図は実権例におけるハードウェア構成図、第９図は実ト
ーチの高さを測定する際にとらせるモデル・トーチの姿
勢を示す図、第１０図は実トーチの高さデータ記憶テー
ブル、第１１図はモデルφトーチの高さデータ記憶テー
ブル、第１２図はトーチ取付は誤差記憶テーブル、第１
３図はφ算出手順を示すフローチャート、第１４図はモ
デル・トーチの位置・姿勢指令値データ記憶テーブル、
第１５図はトーチ取付は誤差補正後のモデル・トーチの
位置・姿勢指令値データ記憶テーブル、第１６図はφ算
出法の説明図、第１７図はθ算出法の説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロボットの動作データ生成装置を備えたロボット教
   示システムにおいて、ロボットに取付けられているエン
   ド・エフェクタの位置と、該動作データ生成装置内で該
   ロボットの位置・姿勢を定義した機構モデルにより演算
   された該エンド・エフェクタの位置との、幾何学的位置
   関係から該エンド・エフェクタの取付け誤差を測定する
   装置を設けたことを特徴とする産業用ロボットのエンド
   ・エフェクタ取付け誤差演算装置。 ２、上記取付け誤差を測定する装置は、上記測定した結
   果を用いて上記エンド・エフェクタの位置・姿勢指令値
   を修正し、該エンド・エフェクタの誤差を補正する装置
   を含むことを特徴とする第１項の産業用ロボットのエン
   ド・エフェクタ取付け誤差演算装置。