JPS6125210A - 工業用関節ロボツト - 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〕 本発明は工業用関節ロボットに係Ｊ１特に溶接。

塗装用として使用するのに好適なものに関する。

〔発明の背景〕

従来のこの種のロボットは、第１０図に例示するように
、支柱１に上腕軸すを介↓て上腕Ｃを回動可能に取付け
、その上腕Ｃの他端に前腕軸ｄを介して前腕ｅを回動可
能に連結している。該前腕ｅの先端には溶接トーチｆを
備えた手貫機構ｇを有している。このロボットは、図示
しない制御部か・ら作業命令を与えられたとき、前記前
腕・が上腕Ｃに対して回動されることにより、溶接トー
チｆを所望位置に位置決めすることができるように構成
されている。

ところで、一般の関節ロボットは、これを動作させる為
、各々の回転軸に回、転角度を指、令する関節座標系に
よって行なっている−０しかし、従来の関節ロボットは
、溶接ロボットとして利用しているので、溶接作業をす
る際、次に述べることが要請される。即ち、１）作業点
間を直線あるいは円弧で補間することによって工具（溶
接トーチ）を動かすこと、２）工具を一定速度で動かす
こと、３）工具の姿勢を一定に保つことが夢精される。

そしてこれら３つの条件を満足するため、ロボットの動
作を直交座標や円筒座標の如き関数座標系で演算する必
要がある。

そのため、関数座標系でロボツートを作業させる場合、
次に述べる問題が生じる。

即ち、その１つは、溶接トーチｆを第１１図に示すよう
に位置りまで移動するよう指令すると、ロボット自体が
前腕ｅと上腕Ｃからなる腕機構を姿勢Ａにするのか、姿
勢Ｂにするのか指示しないので、実際に動かして見なけ
れば、腕機構がどの姿勢人、Ｂをとるのかわからず、そ
のため、前記腕機構のとるべき姿勢に２個の解が並立す
る問題がある。従って、仮シに物体ｌがあるとき、腕機
構が姿勢Ａをとると、物体１に干渉してしまう不具合が
ある。しかも、位置りまでロボットが近づく間、腕機構
が、ある時点では姿勢Ａをとシ、次の時点では姿勢Ｂを
とるので、腕機構に不安定な現象が生じる。

もう１つは、第１２図に示すように、上腕Ｃと前腕ｅ２
のなす角度が１８０°ａづく時、即ち、上腕と前腕ｅと
からなる腕機構が略真直になる時に、方向Ｃに動作速度
を出そうとすると、上腕軸及び前腕軸の回転速度が無限
大になって、１腕軸と前腕軸とを駆動する為の七−夕に
無限大の出力が要求されるので、モータが駆動しなくな
シ、そのため、その方向Ｃに動作させることができない
問題がある。従って、ロボットで溶接や塗装等の作業を
する場合、ロボットをあらゆる方向に動作させる必要が
あるので、作業が出来なくなる不具合がある。

〔発明の目的〕

本発明は、上記事情に鑑み、関数座標系で作業させると
き、腕機構のとるべき姿勢を何れか一方に制限して、腕
機構がワークに干渉するおそれをなくすることができ、
また実際に出すこと凶年可能な速度を指令することがな
いようにすると共に、あらゆる方向に動作させることが
できる工業用関節ロボットを提供せんとする。

〔発明の概要〕

本発明は、支柱と、この支柱に一端部が取付けられた上
腕と、上腕の他端に一端が回動可能に連結され、かつ先
端に手首を有する前′腕とを備え、該前腕は、前記上腕
に対し１８０度となるべき位置を中心とする両側に１第
１の所定角度より内側の範囲内を死角領域として夫々設
定すると共に、第１の所定角度より外側で、かつ第２の
所定角度より内側の範囲内を使用領域−とじて夫々設定
し、−芳の使用領域から他方の使用領域へ回動する指令
を受けた場合、前記美々の死角領域を解除することによ
って回動し、該指令がない場合、何れか一方の使用領域
の範囲内で回動ず石ように制限されてなることを特徴と
し、これによって前記の目的を達成することができたも
のである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を第１図乃至第９図に従って説明する。第
１図乃至第９図は本発明による工業用関節ロボットを溶
接ロボットに適用した一実施例を示している。

実施例の溶接ロボットは、第１図及び第２図に示すよう
に、ベースＩＩＣ旋回軸１１を介して支柱２の一端部が
取付けられ、その支柱２の他端刈わに上腕軸１２を介し
て上腕３の一端が取付けられ、その上腕３の他端に前腕
軸１３を介して前腕４が連結されている＝該前腕４は、
上腕３に対して回動できるようにする為、その一端が前
腕軸１３を介して上腕３の他端に連結されている。

また前腕４の他端には晶げ軸１４を介して手首５を有し
ている。該手首５は、前腕４に対し前腕軸１４の周方向
に回動できるように取付けられ、かつ先端にひねシ軸１
５を介し、溶接トーチ７が支持されたひねシ部６を有し
ている。前記溶接トニチ７にｉ溶接棒等を包囲したコン
ジットケーブル８が連結されている。なお、前記ベース
１は実施例では固定されているが、移動可能に構成する
こともできる。

しかして、前記前腕４は、ロボットの動作モードを関数
座標系に切換えた場合、上腕３に対し１８０度となるべ
き位置Ｘを中心とする両側に、夫々死角領域り、Ｄ’を
介して使用領域Ｅ　、　Ｅ’を設けている。

前′記死角領域Ｄ’　、　Ｄ’とは、第３図に示すよう
に、前腕４と上腕３とが直線となるべき位置Ｘの両側に
おいて、前腕４が上腕３に対し適度の角度（例えば＋Ｉ
度、−関度）をもつように第１の所定角度が設定されて
、該第１の所定角度より内側の範囲内としている。そし
て死角領域Ｄ　、　Ｄ’は、その範囲内に前腕４が位置
したとき、前腕４が回動しないようになっている。なお
、前記位置Ｘを中心とする両側とは、垂直方向に対応し
ている。

前記使用領域Ｅ　、　Ｅ’とは、前記位置Ｘを中心とす
る両側において、前腕４が上腕３に対し第１の所定角度
から適度の角度（＋３０〜１２０．−３０〜−１２０）
をもつように第２の所定角度が設定されて、該第、２０
所定角度より内側でかつ第１の所定角度より外側の範囲
内としている。そして使用領域Ｅ。

Ｅ′鉱、その範囲内に前腕４が位置したとき、その範囲
内で前腕４が回動するようになっている。即ち、前腕４
は、関数座標系で動作するとき、両便用領域Ｅ　、　Ｅ
’のうち、何れか一方の範囲内に位置すると、その範囲
内で回動するように制限され、他方の範囲内に一度位置
すると、その範囲内で回動するように制限される。

ここでは、便宜上、前腕４が使用領域Ｅの範囲内に位置
する姿勢を上向き姿勢Ａ１使用領域Ｅ′の範囲内に位置
する姿勢を下向き姿勢Ｂと夫々呼ぶことにする。

従って、前腕４が上向き姿勢Ａをとった場合の動作領域
は、支柱２に対する上腕３の回動角度αにより、第４図
にぎす斜線部と空間部Ａ′の如くなυ、また前腕４が下
向き姿勢Ｂ°をとった場合の動作領域は、支柱２に対す
る上腕３の回動角度αにより、第５図に示す斜線部と空
間部Ｂ′の如くなる。

その場合、前記両姿勢Ａ、Ｂの動作領域が、夫々の空間
部Ａ′、Ｂ′の一部分で互にオーバーラツプしているの
で、オーバーラツプしている領域では何れの姿勢をとっ
ても、目標点に前腕４を到達させることができるように
なっている。

なお、前記回動角度αは、支柱２に対し上腕３が垂直方
向に回動し得る範囲であって、実施例では、上腕３が水
平となる位置から、上方に６５度かつ下方に４５度の範
囲をもつように設定されている。

また図示実施例では、上腕３が支柱２に対し下方゛に回
動した場合、前腕４が使用領域Ｅ′の範囲内で回動する
と、第５図に示す破線の如くベース１に干渉するおそれ
があるので、それを防止できるように前腕４の使用領域
Ｅ′を考慮している０上記の如く構成された溶接ロボッ
トは、動作モードを関数座標系に切換えた場合−１動作
開始時に、上腕３と前腕４とのなす角度が位置検出器に
よって検出される。そして、前腕４が一度上向き姿勢Ａ
をなすと、使用領域Ｅの範囲内に制限されるので、そ゛
の後は動作領域中の座標の目標点を指令することにより
、上向き姿勢人だけしかとらないことが保障される。

一方、前腕４が一度下向き姿勢Ｂをなすと、使用領域Ｅ
′の範囲内に制限されるので、その後は動作領域中の座
標の目標点を指令することにより、下向き姿勢Ｂだけし
かとらないことが保障される。

また、動作開始時に、前腕４が死角領域Ｄ　、　Ｄ’に
位置していれば、関数座標系から関節座標系に切換える
ことにより、何れか一方を指令することにより、所望の
姿勢をとることができる。

その結果、前腕４が何れか一方の姿勢Ａ、Ｂに制限され
るので、溶接ロボットを目標点に移動させるように指令
した場合、従来に比較すると、腕機構のとるべき姿勢に
２個の解が並立するのを確実に防止することができる。

また、前腕４が死角領域Ｄ　、　Ｄ’では動作しない、
ので、上腕３に対し略直線状態に近づくことがなくなシ
、そのため、従来のようにモータに笑際に出すことが不
可能な速度を指令することがない。　　　　　゛また、
非使用領域Ｄ　、　Ｄ’を設けたことによってそれだけ
前腕４の使用領域Ｅ　、　Ｅ’の範囲が減少されるが、
その範囲が極めて狭いので、前腕４の作業姿勢には何等
の支障をきたすことがない。

次に、前腕４を一方の使用領域から他方の使用領域に移
動する場合、即ち、上向き姿勢Ａから下向き姿勢Ｂに、
或いは下向き姿勢Ｂから上向き姿勢ＡＫ変更する場合、
動作モードを関数座標系から関節座標系に切換えること
によって行われる。

これは関節座標系が夫々の回転軸１１〜１５に対して動
きを指令できるので、前腕４の動作に制限を設けなくと
も、何れの姿勢Ａ、Ｂをとることができるからである。

従って、関節座標系は・前腕４を死角領域Ｄ　、　Ｄ’
、使用領域Ｅ　、　Ｅ’の区別なく、所望の位置に位置
させることができるので、動作モードがこれに切換えら
れると、前腕４が一方の使用領域から死角領域Ｄ　、　
Ｄ’を通るように回動することにより他方の使用領域に
移動させることができる。

なお、その場合、動作モードを関節座標系から再び関数
座標系に切換えることＫより、前腕４は、移動された使
用領域Ｅ、Ｅ’Ｏ範囲内に動きを制限させることができ
る。

次に、溶接ロボットを用いてティーチング・プレイバッ
クの手順を第８図及び第９図のフローチャートに従って
説明する〇 まず、ティーチング・プレイバックの手順を説明する前
に、ティーチング及びプレイバックを簡単に述べる。即
ち、ティーチングとは、溶接ロボットの溶接トーチ１の
先端を、第７図（＆）に示すように、現在の位置から５
ＴＥＰＩ　、　５ＴＥＰ２・・・５ＴＥＰｎ。

５ＴＥＰｎ＋、・・・の経路通シに動作させる為、溶接
ロボットに対し夫々の５ＴＥＰ　ｌ〜ｎ＋１における必
要なデータをバブルメモリに記憶させることである。従
って、夫々の５ＴＥＰ　ｌ〜ｎ＋１の間においては、そ
の記憶データ量を少なくすると共に、ティーチング時の
手間を省く為、補間する必要がある。またプレイバック
とは、ティーチング時において与えられたデータに基づ
いて溶接ロボットを動作させることである。なお必要な
データを第７図（ｂ）に示している。同図において、位
置情報は各回転軸の回転角度の位置を、速度は溶接トー
チ７の移動速度を、補間タイプは補間を行う際の種類、
例えば関数（直線９円弧）補間か関節補間かの種類を゛
表わして〜いる。また腕モードは上向き姿勢Ａもしくは
下向き姿勢Ｂの区別で、例えば夫々がＯもしくは１とな
るようにコード化している。その他の情報拡、作業要素
に対する制御情報、例えは溶接トーチ７に対するアーク
オン、オフ等の情報である。

以下、溶接ロボットのティーチングの手順を詳細に述べ
る。

第８図（、）に示すように、ブロック１（以下、単に符
号だけを表示する）において、動作モードを直交座標系
に切換える等の処理を行う。そして、２でティーチング
ボ↓クスにより次に進むべき方向を直交座標系に従って
動かすことによ）動作方向を入力させ、３で初期設定値
の動作速度を入力し、４において２．３で得られたデー
タより変位量を計算する。

一方、５において、モータ回転位置検出器によって各回
転軸１１〜１５の現在位置が検出されることＫより関節
角が読出され、次いで６において、５で得られたデータ
が関節座標系のものである為、関節座標系から直交座標
系に変換すること（正変換）により、直交座標系での現
在位置を計算する。

この場合、前腕４がプレイバック時にとるべき姿勢の情
報を記憶させておく必要があるので、腕モー、ド、即ち
上向き姿勢人か下向き姿勢Ｂかを選定する。

そして７において、４及び６で、得られたデータを加算
することにより目標となるべき点を計算し、次いで８に
おいて逆変換（直交座標系から関節座標系に変換）する
。逆変換に上って得られたデータ０１〜０５′はそれぞ
れ旋回軸１１、上腕軸１２、前腕軸１３、曲げ軸１４、
ひねシ軸１５に対応する回転角をあられすものであって
、以上の各軸を動かす各アクチュエータのサーボ部に対
する指令値となるべきものである。

その後、第８図（ｂ）に示すように、９において上腕３
に対する前腕４の角度が死角領域Ｄ　、　Ｄ’に位置し
ているか否かが検出される。該検出結果、前腕４が死角
領域Ｄ　、　Ｄ’に位置していない場合には、１０で各
回転軸１１〜１５のサーボ部に出力することにより、１
１でロボットが動作される。そして１２において、ロボ
ットの動作が静止したか否かが検出され、まだ静止して
いないと、再び２〜１２が繰シ返し処理されるが、静止
すると、後述する１３の処理が行われる。

即ち、１３においてティーチするか否かが選択され、テ
ィーチしないと、前述の２以降の処理が繰シ返し行われ
るが、ティーチすると、１４において、動作静止時点、
例えば５ＴＥＰｌにおける各回転軸１１〜１５の位置情
報、速度、腕モード等のデータがバブルメモリに記憶さ
れる。以下、同様に２〜１４が繰シ返し処理されること
によυ、ｓ’ｒＥｐｌ〜ｓ’ｒｇｐｎ＋ｉ・・・の必要
なデータが格納される〇 一方、９において前腕４が死角領域Ｄ　、　Ｄ’に位置
していると、前腕４が回動しないので、１５において関
節座標系モードでのスタート待ちとなシ、以下■の処理
が行われる。即ち、１６において動作モードを関節座標
系に切換え、１７において各回転軸１１〜１５を駆動す
ることにより関節角の回転方向を入力すると共に、１８
において手動速度を入力する。セして１９において、１
７及び１８で得られたデータを加算することにより目標
となるべき点を計算し、以下同様に前述の１０〜１４が
処理されることにより、８ＴＫＰ　ｔのデータが記録さ
れる・従って、前腕４が死角領域６．Ｄ′に位置してい
る場・合には、動作モードを直交座標系から関節座標系
に切換えることによって、前腕４を回動させることがで
きる。

次に、溶接ロボットのブレ、イバツクの手順を、経路ｎ
　（５ＴＥＰｎから５ＴＥＰｎ＋１の経路）について述
べる。

まずｎにおいて、経路ｎの始点と終点の位置情報、即ち
、５ＴＥＰｎと５ＴＢＰｎ＋１の位置情報をバブルメモ
リから読出して、ワークエリア（ＲＡＭ）へ入力する。

次いで、塾において正変換（関節座標系・から直交座標
系に変換）シ、冴において経路ｎの補間タイプ、即ち、
直交座標系で補間する旨をワークエリアに入力する。

そしてδにおいて、補間係数、即ち、経路ｎ。

長さや各座標ごとの変位量を計算し、加で速度ｉＨをワ
ークエリアに入力し、かつ釘で次のサンプリング点を計
算する。ここで、サンプリング点とは、経路ｎにおいて
８ＴＥＰｎとｓ’ｒｒ：ＰＨ＋ｔとの間をロボットが動
作するとき、制御部が４０ｍ５毎に各回転軸１１〜１５
のサーボ部に出力されるととＫより、ロボットの動作を
軌道修正する為の位置であって、当然の事乍ら、支持さ
れた速度に応じて変化する距離をなしている。

その後、路において腕モード即ち上向き姿勢か下向き姿
勢かをワークエリアに入力し、四において逆変換（直交
座標系から関節座標系に変換）する。

そして３０において、上腕３に対する前腕４０角度が死
角領域Ｄ　、　Ｄ’に位置しているか否かが検出される
。該検出結果、前腕４が死角領域り、Ｄ’に位置してい
ない場合には、３１で各回転軸１１〜１５を駆動するこ
とＫより、諺でロボットが動作される。

その後、おにおいて終点（８ＴＥＰＨ＋ｔ　）に到達し
たか否かが検出される。該検出結果、到達していないと
、到達するまでτ以降の処理が繰シ返し行われ、到達す
ると、次の経路ｎ＋１のプレイバックが以下同様に行な
われる。

従って、動作モードが直交座標系によるプレイバックの
際、前腕４が死角領域Ｄ　、　Ｄ’に位置していない場
合は、ティーチング時に記憶された姿勢Ａ、Ｈのままで
動作するので、２個の解が生じるのを確実に防止するこ
とができる。

ｉ方、（資）において前腕４が死角領域Ｄ　、　Ｄ’に
位置している場合には、あにおいてプレイバックモード
のままで動作を停止させ、次いで、あにおいて関節座標
系のモードに切換えて手動によって動作させる。そして
、３７において前腕４が死角領域Ｄ　、　Ｄ’　Ｋ位置
しているか否かが検出さｉる。死角領域Ｄ　、　Ｄ’に
位置していると、死角領域Ｄ　、　Ｄ’に位置しないよ
うになるまでＩ及び３７の処理が繰シ、返し行なわれ、
死角領域Ｄ　、　Ｄ’に位置していないと、あでプレイ
バックモードを再び動作させ、鵠で経路ｎの始点を現在
値に、かつ経路ｎの終点をＢＴＢＰｎ＋ｘ　Ｋ設定し、
る以降の処理が繰）返し行なわれる。

従って、プレイバックの場合でも、前腕４が死角領域Ｄ
　、　Ｄ’に位置しているとき、前腕４が回動しないの
で直交座標系から関節座標系に切換えることによって前
腕４を回動させるよう処している。

これＫよって、前腕４と上腕３とが略直線状となつても
、直交座標系の動作モードではモータに実際に出すこと
が不可能な速度を指令することが全くない。

なお図示実施例では、溶接ロボットに適用しているので
、第６図に示すように、上向き姿勢Ａは溶−接トーチ７
が上向き溶接をするのに、かつ下向き姿勢Ｂは溶接トー
チ７が下向き溶接をするのに、有利であシ、その為、溶
接作業を円滑に行うことができる。また、下向き姿勢Ｂ
の場合、コンジットケーブルとの関係上、溶接トーチ７
を変化させることがあまシ出来ないが（第２図参照）、
上向き姿勢Ａの場合、第１図に示すように溶接（−チア
を上向き溶接姿勢に保持するとき、前腕４に対する手首
５０角度が、下向き姿勢Ｂにおける手首５０角度に比し
て、楽な姿勢をとることができる。

このため、手首５の姿勢をさらに変化させることができ
るので、上向き姿勢Ａの場合、溶接トーチ７の姿勢を変
えることができる。またさらに、コンジットケーブル８
は、下向き姿勢Ｂの場合、曲率半径が比較的小さい状態
まで曲げることができるが、上向き姿勢Ａの場合、曲率
半径が比較的大きい状態でしか曲げることができないの
で、手首５に対する反力を小さくすることができ、その
ため、手首５の回転軸１４を駆動させるモータに対する
負荷を軽減させることができるので、モータの出力を小
さくすることができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は、前腕が一方の使用領域か
ら他方の使用領域に移動する指令を受けた場合を除き、
何れか一方の使用領域の範囲内ス回動するように制限さ
れたので、腕機構の取るべき姿勢に２個の解が並立する
のを確実に防止することができる。従って、本発明によ
れば、目標点まで移動する時に腕機構に不安定な現象が
生じるのを防止することができると共に１腕機構がワー
クに干渉するのを確実に防ぐことができる。また、死角
領域を設けることによって実際に出すことが不可能な速
度を指令してしまうおそれがないので、ロボットをあら
ゆる方向に動作させることもできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

爾１図乃至第２図は本発明による工業用関節ロボットを
溶接ロボッ）Ｋ適用した一実施例を示し、第１図は溶接
ロボットの上向き姿勢を示す全体側−図、第２図は溶接
ロボットの下向き姿勢を示す全体側面図、第３図は腕機
構の要部番示す説明用概略図、第４図は腕機構の上向き
姿勢を示す説明用拡大図、第５図は腕機構の下向き姿勢
を示す説明用拡大図、第６図に鉤形ワークに対する作業
姿勢を示す説明図、第７図゛（ａ）はティーチング・プ
レイバックにおける経路を示す説明図、同じ＜（ｂ）は
経路における夫々の５ＴＥＰのデータを示す説明図、第
８図（、）及び伽）はティーチングの手順を示すフロー
チャート、第９図（、）　、　（ｂ）はプレイバック゛
の手順を示すフローチャートである。第１０図は従来の
工業用関節ロボットを示す概略図、第１１図はワークに
対する腕機構の姿勢を示す説明用側面図、第１２−図は
腕機構を略直線状態にしたときの説明用側面図である。 １・・・ベース、２・・・支柱、３・・・上腕、４・・
・前腕、５・・・手首、６・・・ひね）部、１１〜１５
・・・回転軸、Ｄ。 Ｄ′・・・死角領域、Ｅ、Ｅ’・・・使用領域、Ｘ・・
・前腕４が上腕３に対して１８０度となるべき位置。 代理人　弁理士　　秋　　本　　正　　実第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 Ｂ′ 第６図 第９図 （ｂ） 第１０図 第１Ｉ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ベースに取付けられた支柱と、該支柱に一端部が取付け
   られた上腕と、該上腕の他端に一端が回動可能に連結さ
   れ、かつ先端に手首を有する前腕とを備え、該前腕は、
   前記上腕に対し１８０度となるべき位置を中心とする両
   側に、第１の所定角度より内側の範囲内を非使用領域と
   して夫々設定し、該夫々の第１の所定角度より外側で、
   かつ第２の所定角度より内側の範囲内を使用領域として
   夫々設定し、当該関節ロボットに個有の関節座標系で動
   作する指令を受けた場合、前記夫々の非使用領域が解除
   されて一方の使用領域と他方の使用領域との間を任意に
   回動し、動作の指令を前記関節座標系によらずに直交座
   標系等の関数座標系で受けた場合何れか一方の使用領域
   内で回動するように制限されてなることを特徴とする工
   業用関節ロボット。