JPS63291104A - 産業用ロボットの端部エフェクターの制御方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、所定の経路に沿って連続的に移動する産業用
ロボットの端部エフェクターを制御する技術に係る。と
りわけ、本発明は、端部エフェクターの移動する経路を
特定する技術に関係している。

（従来の技術） 産業用ロボットは、ロボットアームの端部に取「−一 り付けである作業具鋼−９吋乃至端部エフエタｊ〜 ターを連続的に動かすことにより、トラッキング１′動
作を行なうようになっている。地点から地点へと経路を
連続して設定し、この経路に沿ってロボット作業具の動
作を案内する制御技術が開発されてきている。地点から
地点へ移動する技術は、連続する地点の間で直線的に作
業具を動かす際には好ましい技術であると言える。これ
ら連続する地点は、ロボットの継ぎ手角度を補間して求
めた経路を描いている。作業具の運動を制御する連続経
路技術は、経路を形成する非常に多数の接近した地点の
座標位置をコンピュータ・メモリに記憶しておかなくて
はならない。経路を制御する別の技術では、作業空間内
の経路上に連続する地点を生成し、これら地点をロボッ
トを動かせる継ぎ手角度に変換することが行なわれてい
る。トラフ１ング動作をプログラムすることは困難であ
り、特定の経路を保存しておくことはほとんど不可能に
近い。

経路に沿ったロボット作業具の動作を制御する曲線経路
の補間処理には、作業空間内にあって連続する内々の地
点を多項式によって把握し、滑らかで能率的な軌道を形
成する必要がある。しかしながらそうした経路は、ロボ
ットがトラッキング機能を果たす上で未だ不充分なもの
である。ｉＥ確な経路は、ワークピースの幾何学形状に
沿って特定する以外に方法がないのが実情である。

数値υ制御機械の関連分野では、円形、格円形、放物線
形の曲線補間が頻繁に用いられているのが実情である。

しかしながら、ロボットのトラッキングに関する問題点
は数値制御技術の場合とは異なっている。プログラマ−
は、円弧の半径やその中心位置、あるいは楕円の長軸ま
たは短軸等の経路の解析要素を知らないのが誘過である
。

円と曲線を多用した本発明の補間法によれば、円弧の連
鎖セグメントを用いて平行座標空間内で非常に精度よく
トラッキング経路を特定できる。

この方法によれば、曲率の連続的に変化する曲線に段階
的に曲率の変化する曲線を近似させ、必要とする経路の
部分を簡単に円形または直線形の経路に一致させること
ができる。

（課題を解決するための手段） ロボットのオペレーターにより、経路上に沿って位置す
る地点が選択される。経路を特定すれば、端部エフェク
ターは経路に沿って自動的に移動することができる。選
択された地点の座標は記録され且つコード化され、これ
ら地点が中間地点であるかまたは端部地点であるか否か
についての判断がされる。選択地点乃至教示地点は、円
弧や直線の接点、あるいは急カーブと浅いカーブの合流
地点のように曲率が明らかに変化する転移地点に配置す
ることが好ましい。従って、教示地点の間隔は曲率が大
きくなるに伴って減少していく。

次いで、生成地点と称される一連の地点が新たに接近し
た状態で特定され、これら地点の形成する曲線が教示地
点を通り抜けるようになっている。

産業用ロボットの経路は一致することのない多数の部分
からできているため、経路を符合させる作業はすべての
データ地点ではなく特定の数の隣接し合う地点に沿って
行ない、箇々の地点に曲線を近似させるようにする必要
がある。大多数の連続経路制御装置は一定の時間間隔を
おいて位置コマンドを最新のものに入れ替える必要があ
る。経路を特定するアルゴリズムは、住成地貞の間の間
隔を変えて、作業具の速度を箇々の生成地点毎に一定の
聞囲に収めなければならない。

本発明の主要な利点は、ロボットの端部エフェクターの
たどる曲線経路の作成にあたって、経路の特定または経
路の調整に要する地点数を大幅に減らしたことにある。

多数の間隔を狭ばめたプログラム地点を用いれば、直線
補間手続きにより＾い精度の経路を特定することができ
る。しかしながら、本発明の方法は融通のきく合理的な
曲線近似用アルゴリズムを提供しており、比較的少数の
特定された地点で経路を形成することができる。

少数の地点で処理できるため、ユーザーはアルゴリズム
を調節して望ましい経路の具体的な幾何学上の特徴を考
慮に入れることができる。

数学的な補間により生成された経路は、特にプログラム
地点の間隔が広い場合には、溶接されるまたはシールさ
れるシームの実際の幾何学形状に正確に一致することが
ない。本発明の方法は、新たな地点を必要に応じて挿入
できるだけでなく、ユーザーによって新たな地点を挿入
する必要のある場所を選択してユーザーを手助けするこ
とができる。

経路を形成している際にコマンドを受けると、ａｉｌ制
御システムは、先に選択しである連続する地点のほぼ途
中で端部エフェクターを生成経路に沿って移動させる。

次いでユーザーは、望ましい経路に対する中間地点のオ
フセット量を求め、中間地点が望ましい経路に一致する
までこの地点を移動させることができる。この方法は、
アルゴリズムを利用して計算された曲線を変形させ、曲
線が調整された地点を通るように行なわれる。

以下、添付図面に沿って本発明の実施例を詳細に説明す
る。

（実施例） 第１図は、端部エフェクターまたは作業具を動かすため
の多関節機構を示している。これら端部エフェクターま
たは作業具は、主リンク装置１２を備えた産業用ロボッ
トのハンド１０により支持されている。前記主リンク装
置１２は、ロボットアーム１４とベース１８に取り付け
られたブーム１６から構成され、またベース１８は基礎
に固定されている。アーム１４は軸線ｙ３の胤りを回転
するように支持され、またプーム１６は軸線ｚ３の廻り
を回転し且つ軸線”１０の廻りを枢軸運動するように支
持されている。

主リンク装置は、これらの軸線の廻りで選択的に回転を
行ない端部エフェクターを大まかに運動させるが、リス
ト機構と呼ばれているｎ１リンク装置１８は所定の経路
に沿って移動しながら端部エフェクターをさらに正確に
位置決めしそして向き決めするようになっている。副リ
ンク装置すなわらリストは、ｔｕｉｉｘ、の廻りを回転
するように取り付けられた第１のジヨイント２０と、軸
線ｙ５の廻りで枢動可能な第２のジヨイントすなわち中
間ジヨイント２２と、軸線×６の廻りで枢動可能な第３
のジヨイント２４とを備えている。

端部エフェクターは、一定時間内に、当該端部エフ１ク
ターのたどる経路を形成した地点間を移動する。これら
地点の座標は、コンピュータまたはマイクロブ０セツサ
にアクセス可能なコンピュータ・メモリに記憶されてい
るアルゴリズムにより、出力信号に変換される。この出
力信号はマイクロプロセッサから号−ホモ−ター２８〜
３０に送られる。出力信号に応答して、モーターにより
軸線ｘ　、×６、ｙｏ、ｙ３、ｙ　およびＺ３の廻りで
回転が行なわれ、端部エフェクターは特定の経路に沿っ
て移動する。端部エフェクターの速度は経路に沿って変
化し、当該端部エフェクターが連続した地点の間を移動
する際、これら連続した地点の間の距離を一定時間で割
れば速度が求められる。

本発明の方法によれば、ユーザーは、生成地点の描く経
路に従って自動的に作業具のたどる道筋を特定すること
ができる。経路の形は、一連の教示地点の位置を三次元
空間内で特定すれば求められる。これら一連の教示地点
は、溶接されるシームや、シールされるジヨイント等に
沿ってワークピース上に点在している。作業具が運動す
る上で箇々の教示地点毎に入力しておく必要のある他の
要件には、作業具の速度、運動の停止位置と再開位置、
溶接電流や塗ｎ流体またはシーラント流体等を用いた作
業具の行なうワークピース上での作業位置も決めておく
ことが含まれている。本発明の方法は、経路の形状とそ
の位置、各地点の幾何学的なまたは時間的な間隔に影響
のある入力情報だけをアドレスするようになっている。

三次元空間内に多数の連続する教示地点を設定すれば、
この方法により教示地点を連結した経路を描く一群の地
点が生成される。オペレータは端部エフェクターの位置
を各教示地点まで順番に動かしていき、第３図に示すよ
うに、内々の地点が経路の端部地点１または６であるか
、あるいは中間地点３．４または５であるか否かについ
てそれぞれの地点を符号化する。教示地点は、円弧と直
線のつながった地点、または急カーブと浅いカーブの合
流地点のように曲率が明らかに変化する転移地点に配置
する必要がある。教示地点の間隔は曲率が大きくなれば
狭くされる。コンピュータ装ｄは教示地点とコードの座
標を２録し、また座標、コードおよび対応する教示地点
番号に関する教示地点ファイルを製作し、コンピュータ
２６の算術論理回路にアクセス可能なメモリにこのファ
イルを保存する。

端部エフェクターの運動のスロープすなわち瞬時方向は
、この方法によって生成地点の位置を経路に沿って特定
する上で重要な要素である。教示地点のスロープを決定
して経路を特定するために、作業ストロークと転移スト
ローク、および作業ストローク同志を連絡する滑らかな
転移ストロークについて検討が加えられる。第３図では
、直線作業ストローク１〜２が転移ストローク２〜３を
介して曲線作業ストローク３〜５に連結されている。

第４図に示されているような、３つのまたはそれ以上の
教示地点Ｐｉ　　、Ｐｉ、Ｐｉ＋１を連絡すＩ−１す るストロークを例に取ると、中間地点におけるスロープ
はこれら３つの地点を含む平面内に位置するベクトルｔ
、であり、このベクトルと隣接の指水魚を結ぶ線に対し
当該ベクトルは同じ角度をなしている。ベクトルの構造
を明らかにすると、ｄ、はＰｉ−１からＰｌに向いた大
きさｄ、のベク■ トルであり、ｄ、　はＰｉからＰｉ＋１に向いた大１＋
１　　　　１ きさｄ１＋１のベクトルであり、またｔｌはＰｉの位置
における任意の大きさのスロープベクトルである。従っ
て、次式が成り立つ。

作業ストロークの２つの指示地点の各々におけるスロー
プは、円弧に対する接線である。この円弧は、一方の地
点とスロープが方程式（１）から求められる他方の地点
とを連絡している。次に第５図を参照する。この例では
、開始指示地点がＰｉであり、端部地点がＰ。で表わさ
れている。正正、ｕｋ＋１、ｕｏ−１、−σ１−は、そ
れぞれの地点Ｐ５、Ｐｋ＋１、Ｐｏ−１、Ｐｏにおける
単位スロープベクトルである。正−と丁−は、それぞれ
１〕ｋからｄｋ　　　　ｄｎ Ｐｋ＋１に向いた単位方向ベク］・ルと、Ｐｎ−１から
Ｐｎに向いた単位方向ベクトルである。従って、次の関
係式が成り立つ。

「＝２（丁−−ｕ　　　）丁ａｈ　　ｕｋ＋１ｆ２１ｋ
　　　　　ｄｋ　　　ｋ＋１ 丁ｎ＝”（ｕｎ−１・丁６）丁−−Ｕｎ＋１　　　ｆａ
）転移ストロークの２つの端部地点のスロープは、隣接
する作業ストロークの端部地点におけるスロープに等し
い。作業ストロークが直線であれば、各地点におけるス
ロープはこれら地点を含む方向ベクトルである。

次に、一群の教示地点と箇々の教示地点Ｐ１、Ｐｉ＋１
におけるスロープまたは単位方向ベクトルから、一群の
中間地点Ｍｉの位置が求められる。

■ 各組の連続する指示地点をつないで円弧を構成すること
ができる。箇々の円弧はレポリュート接点を介して隣接
の円弧に連結されるもので、また第６図に示したように
０１、Ｃ２、Ｃ３の位置に中心が位置している。箇々の
中間地点の位置は、次の２つの条件を満たしている。！
ｉ）　Ｍ　１がＰｉとＰｉ＋１の中間にある平面内に位
置し、ＰｉからＭ・までの距離がＭ・からＰ・　までの
距離に等１　　　　　　　　　＋　　　　　＋＋１しく
、ｆｉｉｌ　Ｐ　、における接線が単位ベクトル可璽−
に一致しているようなＰ・とＭｌを通り扱けた第１の円
弧３２と、Ｐｌ、１における接線が単位ベクトル’　ｉ
＋１に一致しているようなＭｉとＰｉや１を通り扱けた
第２の円弧３４は、これら円弧がつながった地点Ｍ・の
位置に共通の接線ベクトル１錯を骨 備えている。

第７図のベクトル表示法において、中間地点を設定し、
中間スロープベクトルＵ、を表わすには以下の関係式が
用いられる。

ｄ　はＰｉからＰｉ　までの距離、スカラーで１　　　
＋　　　　＋＋１ ある。

また、■はＰｉからＰｉ、１への単位方向ベクトルであ
る。

Ｃ１＋　１＝「−一一一一　争　Ｉｊロ　　　　　　　
　Ｃ２＝　ｕ　ｉ＋２　　◆　Ｉコ「■ Ｃ３−Ｔｉ　　”　ｉ＋１　・ベクトル°ドツト積Ｓ１
−丁、−ｃ１ｕｓ丁−ｕｉ＋１　　　’２”これらの数
式で中間地点のスロープを表わせば次のようになる。

方向ベクトルとして表わされたＭｌの位置は次式％式％ ロボットの作業具がたどる全経路は、第８図にヰいて説
明した複数円弧法を用いれば、連結された一連の円弧と
して把握することができる。この方法によれば、もとの
教示地点および教示地点のスロープから一群の中間地点
Ｍｉと中間地点スロープ−σ）１が求められる。円弧は
中間地点では相互に接した状態にあり、箇々の接点の位
置でスロープに接しているため、円弧は第６図と第８図
に示すように滑らかな曲線を描いている。

この方法により生成された経路は連続した曲線ではなく
、むしろ円弧上に接近して配置された連続的に並ぶ箇々
の生成地点から成り立っている。

生成地点は、後で入力コマンドに変換される。これら入
力コマンドは一定の繰返し率すなわち一定した最新のサ
ーボ率で発せられ、ロボットのサーボ装置に送られる。

従って、経路上の内々の地点において、生成地点の間隔
はロボット作業具の望ましい可変速変に比例していなく
てはならない。

円弧に沿って各地点を生成するために、再帰的手法が用
いられる。この再帰的手法は、第９図に概略的に示すよ
うに、入力情報として、最初の地点Ｇ４、接線指示地点
Ｐｉ、接線スロープまたは単位方向ベクトル「、および
長さが地点Ｇ・にｌ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　Ｊおけるサーボ繰返し率と作業具速度に相
当するステップ距ｍｂが用いられる。アルゴリズムを用
いて後続の生成地点Ｇ　ｊ＋１が決定される。（ｉｌ　
Ｇ　ｊからＧ・　までの距離はｂであり、（ｉｉｌ　Ｇ
　９、Ｇ　ｊ＋１Ｊ啼１Ｊ およびＰｉを通り扱ける円弧３６に対する接線はＵ　で
表わされている。第９図のベクトル表示法において、変
数すと０１を求めるには以下の関係式が用いられる。

ｂは、長さがｂのＧｊからＧ　ｊ＋１のへベクトルであ
る。

ｎは、Ｇ、からＰｉへのベクトルである。

Ｉ Ｕニーは、Ｐｉの位置における円弧に対する単位接線ベ
クトルである。

ｍ−２ ｄ２＝（ｊ−ｄ＝ｌｄ　ｌ ｅ＝Ｍ・“σ−−１これはスカラー・ドツト積であす る。

これより以下の式が得られる。

Ｕ−ｋ　　’］−に２ｕ。

ここで ｋ　　＝（２８に２＋ｂ　　）ｄ 実際に取り扱われる範囲は、ｄ＞＝ｂである。

この条件とは異なる場合には、地点Ｇ、はＰｉの後方に
あり隣接する円弧上に位置していることになる。この条
件が満たされれば、ｋｌとに２は実数となる。

前述した手法により、経路の全体を特定するすべての生
成地点Ｇ、（ｊ−１，２、・・・ｎ）を計算することが
できる。この手法は、第１の生成地点Ｇを経路の開始地
点、すなわち第１の教示地点に位置決めし、また第１の
目標地点を第１の中間地点Ｍ１に配置することにより開
始される。この地点生成作業は、ベクトルｄの長さｄが
望ましい生成地点間隔すよりも小さくなるまで同じ中間
地点を用いて続けられる。その後、後続の生成地点が続
けて円弧上に設定される。従って、接線地点は前方に向
けて、移動方向に、第１から第２の指示地点Ｐ　にかけ
て、次いで後続の中間地点Ｍ２に向かって設定していか
なくてはならない。

地点の生成にあたって、円弧の曲率半径は考慮されない
。従って経路の部分が半径が無限大の直線である場合に
でも、詐出解には影響が及ばない。

本発明の好ましい実施例について説明してきたが、本発
明はこうした実施例によって限定されるものではなく、
特許請求の範囲から逸脱しなければ如何ようにも変更す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、主リンク装置と副リンク装置すなわちリスト
リンク装置とを概略的に示した斜視図にして、前記リン
ク装置はロボットアームをロボットハンドに連結し、ロ
ボットハンドが作業具またはエンドエフェクターを支持
した状態にある。 第２図は、エンドエフェクターの経路を特定し且つ経路
座標をロボットの継ぎ手座標に変換するための、本発明
に係る１ｌｉｌｌｔｌｌ装置のエレメントを概略的に示
した説明図にして、当該ｔ、ｔｉｌｌ装置のエレメント
はロボットアームを関節接合し、端部エフェクターを動
かすことができる。 第３図は、作業ストロークと転移ストロークを行なう端
部エフェクターとロボットの連結地点がたどる、経路の
一部分を示している。 第４図は、連続する教示地点におけるスロープベクトル
の相対位置を示す説明図にして、中間教示地点が停止地
点となっている。 第５図は、各地点のスロープベクトルを求めるに当たっ
て用いられる、教示地点を連結した円弧の構造を示す説
明図である。 第６図は、特定の地点でレポリュート接点により連結さ
れた連続する円弧を示している。 第７図は、中間地点の位置とスロープを求めるのに用い
られる。教示地点を連結する円弧を示した説明図である
。 第８図は、中間地点の位置とスロープを求めるのに用い
られる、教示地点を連結する円弧をさらに詳細に示した
説明図である。 第９図は、各生成地点における端部エフェクターの望ま
しい速度に合わせて教示地点間に生成地点を設けるのに
用いられる、教示地点を連結した円弧を示す説明図であ
る。 １０・・・端部エフェクターまたは作業具１２・・・主
要リンク装置 １４・・・ロボットアーム １６・・・ブーム １８・・・ベース ×４、ｘ６、ｙｏ、ｙ３、ｙ５、Ｚ３・・軸線２０・・
・副リンク装置の第１のジヨイント２２・・・中間ジヨ
イント（第２のジヨイント）２４・・・第３のジヨイン
ト ２６・・・マイクロプロセッサ ２８〜３０・・・サーボモーター。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 産業用ロボットの端部エフェクターがたどる、連結され
   た円弧上に位置する一連の地点を用いて平行座標空間内
   に経路を生成する方法にして、経路の曲率の変化を感知
   した位置で、移動経路上に位置した少数の教示地点の座
   標を記録する段階と、 箇々の教示地点の位置で連続する教示地点を連結するス
   トロークのスロープ＠ｕ＿ｉ＠を求める段階と、第１と
   第２の連続する教示地点Ｐ＿ｉとＰ＿ｉ＿＋＿１の途中
   にある平面内に各々が配置されている、一群の中間地点
   Ｍ＿ｉの位置を求める段階と、 第１の円弧が第１の教示地点および中間地点を通り抜け
   、また第１の教示地点では当該地点のスロープに一致し
   た接線を備えており、さらに第２の円弧が中間地点およ
   び第２の教示地点を通り抜け、また第２の教示地点では
   当該地点のスロープに一致した接線を備えているような
   ２つの円弧において、箇々の中間地点でこれら円弧に共
   通する接線を求める段階と、 生成地点における端部エフェクターの望ましい速度に合
   わせて、連続する生成地点の間のステップ距離を求める
   段階と、 比較的多数の後続の生成地点Ｇ＿ｊ＿＋＿１の位置を求
   める一方で、各々の生成地点が現行の生成地点Ｇ＿ｊと
   教示地点Ｐ＿ｉを通り抜ける円弧上に配置され、スロー
   プが相対する単位方向ベクトル＠ｕ＿ｉ＠であり、Ｇ＿
   ｊからＧ＿ｊ＿＋＿１に至る距離が相対するステップ距
   離にほぼ等しいか、または当該ステップ距離よりも大き
   くなるようにする段階と、 Ｇ＿ｊからＧ＿ｊ＿＋＿１に、至る距離がステップ距離
   にほぼ等しくなるまで、生成地点の位置を求める作業を
   繰り返して行なう段階と、 生成地点の位置に従つてロボットの継ぎ手の角度位置を
   移動させ、端部エフェクターが生成地点をつなぐ経路を
   たどるようにする段階とを有している方法。