JPS6243711A - ロボツトにおける制御対象点の計測方法 - 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】 〔発明の利用分封〕 本発明はロボット手首に取付けられる制御対象物に固有
な制御対象点の位置を計測するためのものである。

〔発明の背景〕

従来、ロボット手首についている制御対象物たとえば溶
接トーチをぶつけた）、これを交換した場合、トーチ先
端の制御対象点の位置が変わってし筐うため、正確な位
置制御を行なうことができなかった。近年、ロボットの
応用範囲が広がシ、ロボット手首につくトーチ等も可変
にできることが要望されている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前述のようにロボット手首についてい
るトーチ等を交換した場合に、その制御対象点を改め求
め、その制御対象点において正確に制御できるようにす
るためのものである。

〔発明の概要〕

ロボット手首についているトーチ等の先端（ロボットの
制御対象点となるべき点］を空間上の任意の定位置づけ
した状態で複数個の姿勢をとるようにし、複数個の姿勢
に位置づけられた時のロボット各駆動部のデータを基に
、ロボット手首上の基準点から制御対象点までのベクト
ルを計算し、ロボットを正確に制御できるようにする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明するＣ 第１図は本実施例に用いたロボットの概略図である。１
〜６はロボットの関節部（駆動部）、７はロボット手首
、５Ｆｉロボット手首７に取付けられた制御対象物たと
えば溶接トーチ、Ｐはその先端でここが制御対象点とな
る。８は各関節部の回転角度（ロボット各駆動部の駆動
データ）を記憶する記憶部、９はロボット手首７の基準
点（Ｐ）′から制御対象点Ｐ１での手先ベクトル÷を計
算する手先ベクトル決定部である。第２図は、第１図の
ロボットを模式的に書いたものである。

上記ロボットは６個の関節部をもった６自由度の関節形
ロボットである。制御対象物５を取付ける７ランジ々い
しはそれと一体に動く部分がロボット手首７である。制
御対象物５の作業点（たとえば溶接作業点あるいはハン
ドによるつかみ中心点等々〕の位置が計測されれば、そ
の点を制御対象点とするロボット動作の実行が可能と々
る。しかして、計測の前後で図示上は同一の点Ｐを区別
するのは煩しいので、ここでは計測前であっても統一し
て制御対象点と云う。

ロボットの関節部（駆動部）　　１．　２．　３．　４
゜５．６の回転角度（駆動データ）をそれぞれＯ８゜ｏ
、、ｏ、、Ｏ４，ｏ、、Ｏ６であられし、Ｘ軸。

ｙ軸、ｚ＠まわシの回転行列をＲｘ　　（Ｏｌ）　、Ｒ
７（０，）、ＲＺ　　（Ｏｌ）であられせば、制御対象
点Ｐの位置ベクトル÷は、各関節部の回転角０１（１＝
１〜６ンを用いて次のようにあられすことができる。

￥−Ｒｚ　（０，）ｔ’Ｒｙ　（０，）ｓＬ２＊ｌ：Ｉ
ｚ＋Ｒｙ　（０，）ａＬ３ｍ’Ｑｘ＋Ｒｙ　（０４）番
ＩＬ４ａ６ｘ＋Ｒｘ　［０，）ｅＲｚ（０，）ｅ※）Ｉ
　　　　　　　　　・・・・・・・（１）ただし く１）式、（２）式においてＯｌ　　（１＝１〜６）が
既知であるとすれば、位置ベクトル÷は、ロボット手首
７上の基準点４　（ロボット手首７との相対位置が不変
な計算上の点）から制御対象点Ｐ箇でのベクトル※の関
数として、次のようにあられすことかできる。

Ｐ＝に＋　　　（Ｌ　　　Ｍ　　　Ｎ）　　　−Ｖ　　
　　　　　　　　　　・・・・＝　・　（３）ここで、 Ｚ＝Ｒｚ（０，）（Ｒｙ（０，）　拳Ｌ２書６ｚ＋Ｒｙ
（０，）　＊Ｌ３ｍ６ｘ＋Ｒ７（０４）−Ｌ４争６ｘ）
　　　　　　　　　　　　　−−−・−・−・（４ｔ（
Ｌ　’；ｌ　ＩＧ）＝Ｒｚ　（０、）　＠Ｒ７（０４）
　争ＲＸ　（ＯＢ）　拳Ｒｚ　（ＯＪ・・・・・・・・
・（５） 以上の考え方を基にして、（３）式のベクトル※を決定
する方法を第３図のブロック図を用いて説明する。これ
は手先ベクトル決定部９を展開したものである。

第４図のように、制御対象点Ｐを１点（空間上の任意の
定点〕に位置づけして、制御対象物５が３個の姿勢を成
すようにする。これにともなう各駆動部１〜６における
駆動データは第５図に示すとうシとなシ、これらは記憶
部８に記憶される。

データ読取列部３０では記憶部８に記憶された駆動デー
タを読みとる。データ変換部３１では、データ読み取υ
部３０で読み取られた駆動データを基にして、（３）式
に用いられてい、６．Ｌ、ｉ、　　Ｑ。

負を作成する。Ｌ、ｉ、　　Ｍ、　　Ｑは（４）式およ
び（５）式を用いて計算される。第１の姿勢、第２の姿
勢。

第３の姿勢から得られるそれぞれの、Ｂ、　　ｉｌ　　
☆。

負には添字１．　２．　３をつけてあられすとＰ、＝に
、＋（Ｌ、　Ｍ、　　Ｎ、）＠　Ｖ　　　　　・＝・・
−（６］Ｐｓ＝に２”（Ｌｘ　Ｍｔ　Ｎｔ）・Ｖ　　　
　　−−−（７１Ｐｓ＝Ｋｓ”（ｆ＋ｎ　　Ｍｍ　　ｘ
、ン−ｖ　　　　　　　　・＝・＝・・（ｓ）ここで、
点シは１点に位置付けされているのでベクトルＤｌｅ　
　ｐ、、Ｄ、Ｖｉすべて等しいということから、次式が
成シ立つ。

Ｋ、＋（ｉ、　Ｌ、　Ｍ　）※＝ら＋Ｚｌ、２．．．．
）※　（９）Ｋｇ”（Ｌｘ　Ｍｔ　Ｎｔ）ｖ＝Ｋｓ”（
Ｌｘ　Ｍｓ　Ｎｍ）Ｖ　（１０）（９）式、　　（１０
）式よシ次式が導かれる。

左辺のマトリクスをＡ、右辺のマトリクスをＢとして とおき、各マトリクスの要素Ａｉｊ　　（１＝１〜３゜
ｊ＝１〜６）およびＢｋ　（ｋ＝１〜６）を決足するの
が、マトリクス要素決定部３２である。

（１１）式および（１２）式から Ａ＠Ｖ＝Ｂ　　　　　　　　　　　　　　（１３）ここ
で、マトリクスＡは正方行列ではないので、一般的に（
１３）式を解くことができない。そこで、一般逆行列の
手法を用いて（１３）式の解である÷を求める手法を考
える。

Ａ′をＡの転置行列、Ａ″をＡの一般逆行列、Ｄ”（Ｄ
は正方行列）をＤの逆行列と定義すると、次式の展開が
可能である。

ちなみに、Ｅを単位行列とすると Ａ″・Ａ＝Ｅ 込′）″・瓢′）＝Ｅ Ａ″＝Ａ″・（Ａ’）”拳（Ａ′） ＝　　（Ａ′　・Ａン″　・　（Ａ′）Ａ’ｌＡは正方
行列であるから逆行列が求１す Ａ″＝　（Ａ′・Ａ）”　　＊（Ａ’　　）となる。

逆行列決定部３３において、　（１６ン式、（１７）式
、　（１８）式および（１９）式を順次計算して逆行列
Ａ”を決定する。逆行列決定部３３によって得られる逆
行列Ａ”を用いると÷は次のように決足される。

台 ベクトル決定部３４は、　（２１〕式を用いてロボット
手首７上の基準点Ｐ′から制御対象点Ｐ１での手先ベク
トル÷を決定する。

ベクトル決定部３４によって決定された手先ベクトル÷
を用いてロボット駆動制御部１００によりロボット各駆
動部１〜６を制御し、文字通りの制御対象点Ｐを対壕と
する制御を実現する。

以上のように、複数の姿勢におけるロボット各駆動部に
おける駆動テークから、ロボットの先端の関節部から制
御点１での手先ベクトル※を計算することが可能である
。

ところで、（１）〜（５）式は第１図、第２図における
ロボットの軸構成によシ決定されたものであるか、これ
を一般的なロボットで表現すれば次のようになる。

Ｐ　”　Ｘ　（０１＋　Ｏ！　Ｉ　Ｏ＠　＊・・・・・
、０１．÷）　（１）９０、〜０１が既知であるとする
と、（１）°式は次のように変形することができる〇 ÷−ト４南　　　　　　　　　　　　（３）。

したがって、（３）式のかわυに（３）９式を用いて、
以後の計算を行々えば、どんな軸構成のロボットにも、
前述の考えが適応できる。

一方、前記実施例では６自由度のロボットを対象とした
が、前述の（３）９式を用いることによって任意の自由
度のロボットに適用できる。

また、第１姿勢、第２姿勢および第３姿勢における駆動
データとして、第５図に示したとうり。

いわゆる関節座標系データを使い、それを記憶している
が、これは、一般座標系のテーク　にのテークは関節座
標系に変換できるそれと等価なもの）でもよい。

また、本実施例では３つの姿勢にともなう駆動データを
用いているが、手先ベクトル÷ｉられす３つの要素すな
わち（２１）式のＶ、　　Ｖ。

■、のうち、変化するものが１つだけでおる場合には、
２つの姿勢にともなうテークで変化した成分の値を求め
ることができる。すなわち、手先ベクトル※をあられす
要素が２つの場合（たとえは、第７図に示すように）に
は、第１姿勢および第２姿勢の２つの駆動データから手
先ベクトル÷を求めることができる。

さらに、いくつかの点について補足して説明する。

制御対象点Ｐを空間上の任意の定点に位置づけるが、こ
の定点は第１姿勢、第２姿勢・・・・・・・を通して同
一点で々ければ々らない。このため、図外のワーク上の
頂点（広義には特徴点）を定点として選び、共通な定点
に確かに位負づけられたかどうかを目視できるようにす
るのがよい。

制御対象点Ｐを各姿勢にわた択共通な定点に位置づける
。このため、制御対象物５を目視しながらその位置、姿
勢を自由に変える必要がある力（これはロボットとして
の基本的な機能であって、たとえばロボット駆動制御部
１００にマニアル操作ＭＯを施して実行する。しかして
、手先ベクトル÷が未知の状況下では制御対象点Ｐを動
かさずにその回わシの姿勢だけを変えることはできない
。

制御対象点Ｐを各姿勢にわたり、共通な定点に位置づけ
る。姿勢の最底個数は前記のととく２である。したがっ
て、これにともなうステップを第一工程。第二工程とす
ると、次のようになる０第一工程では制御対象点Ｐを空
間（ロボット動作空間〕上の任意の足点に位置づけし、
かつそのときのロボット各駆動部１〜６の駆動テークを
記憶する。この工程は教示時のそれと類似する。第二工
程では制御対象物５の姿勢を変えてその制御対象点Ｐを
前記定点に位置づけし、かつそのときのロボット駆動部
１〜６の駆動データを記憶する。このようにして各駆動
データが記憶手段８に記憶された後の第三工程でブロッ
ク９による手先ベクトル※の演算が実行される。

制御対象点Ｐが定点に位置づけられ、ロボット各駆動部
が静止している状況のもとでは、ロボット各駆動部に与
えられる制御指令値と、そこからフィードバックされる
検出値は一致する。記憶の対象となる駆動テークはその
いずれでもよい０（２１）式における手先ベクトル※は
定数であυ、これがその後のロボット制御に参照される
。

しかして、制御対象物５をぶつけたシ、新品のものと変
換したような場合には、その後に以上の計測を改めて実
行し、新たな手先ベクトル÷をロボット駆動制御部１０
０へ伝達することが必要となる。駆動制御部１００では
新たな計算ずみの手先ベクトル※を含む（１）式あるい
は（１）′式に基いてロボットを制御する。しかして、
新たな手先ベクトル÷が求まるまでは古い手先ベクトル
を使い、定点に位置づけるための駆動制御を行う。

第６図は第１図のブロック８．９．Ｚｏｏをもう少し詳
しくあられしたものであって、手先ベクトル決足部９で
行う演算は駆動制御１００において使用するマイクロプ
ロセッサを転用して行う。

ここで、実際の第１姿勢、第２姿勢および第３姿勢の例
を示す。手先ベクトルの演算精度を考えた場合、それぞ
れの姿勢が大きく変わっていることが望ましい。そこで
、好ましい姿勢の代表例として次のようなものがあけら
れる。

※第１姿勢は０４だけを４５°変化させる。

※第２姿勢はＯｓだけを４５°変化させる０※第３姿勢
は０．だけを４５°変化させる。

また、次のケースも好ましい。

※第１姿勢は０４＋　　ＯＩＩ、０６を００ＶＣする。

※第２姿勢Ｖｉｏ４．Ｏ，，Ｏ０を４５°にする。

※第３姿勢けｏ、、ｏ、、ｏ、を−４５°にする。

ここで、設定する角度は厳密なものではなく、だいたい
その付近であればよい。また、本実施例では、０４，０
，１　０．という表現を用いているが、一般的に考えれ
ば、手首を構成する関節部がｎ個あるようなロボットに
対しては次のように例示できる。

※第１姿勢は一手首のｎ個の関節部の回転角をＯ′）に
する。

※第２姿勢は、手首のｎ個の関節部の回転角を４５°に
する。

※第３姿勢は、手首のｎ個の関節部の回転角を一４５°
にする。

〔発明の効果〕

本発明によれば、制御対象物に関係するロボットの先端
関節部から制手先ベクトルを容易に知ることができるの
で、ロボット手首に取シ付けられているトーチ等金伺ら
かの理由により＾換した場合でも、正確な駆動制御を行
なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１区ｉ−を本発明実施例にかかるロボットの構成図、
第２図はそのロボットの模式図、第３図は手先ベクトル
を決定するためのブロック図、第４図は本実施例が必要
とする関節部の回転角度を得るためのロボットの姿勢、
第５図は記憶部に記憶さｎる関節部の回転角度データ、
第６図は第１図の要部畦細図、嬉７図は説明用のロボッ
ト模式図でおる。 ８・・駆動データ記憶部９・・手先ベクトル決定＆　　
１００　・・・ロボット駆動制御部代理人　　弁理士　
小　　川　　膀　　男、、′’）・１，７′ ＼（−一・ 茅　４　　図 第　５　凹 第　６！２１ 新１こな千毛ベクトル◇ 第４頁の続き ０発　明　者　　安　　藤　　　　　武　　習志野市東
習志野ング株式会社内 ［株］・発　明　者　　橋　本　　　武　志　　習志野
市東習志野ング株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロボット手首に取付けられた制御対象物の位置と姿勢を
   制御するロボットにおいて、その制御対象物に固有な制
   御対象点を空間上の任意の定点に位置づけし、かつその
   ときのロボット各駆動部における駆動データを記憶する
   第一工程と、制御対象物の姿勢を変えてその制御対象点
   を前記定点に位置づけし、かつそのときのロボット各駆
   動部における駆動データを記憶する第二工程と、以上の
   各駆動データから、ロボット手首上の基準点と前記制御
   対象点との間の位置と方向を示す手先ベクトルを演算す
   る第三工程を含むロボットにおける制御対象点の計測方
   法。