KR20160003774A

KR20160003774A - 다관절 링크 기구의 역운동학 해법, 및 이 역운동학 해법을 이용한 교시 데이터 작성 장치

Info

Publication number: KR20160003774A
Application number: KR1020157033552A
Authority: KR
Inventors: 마사토시 히다
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2016-01-11
Also published as: JP2014231113A; CN105246655A; WO2014192884A1; US10022868B2; US20170057086A1; CN105246655B; JP5792226B2; KR101787865B1

Abstract

다관절 링크 기구는 구동원에 의해 구동되는 구동 관절과, 구동 관절의 움직임에 따라 종동적으로 움직이는 종동 관절을 갖는다. 먼저, 다관절 링크 기구로부터 워크의 위치·자세를 변화시키는 개루프 링크 기구를 선출한다. 선정한 개루프 링크 기구를 구성하는 각 관절의 이동·회전량을 도출한다. 도출된 개루프 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량을 고정값으로서, 개루프 링크 기구의 관절 중 적어도 일부 및 비선정으로 된 관절로 구성된 폐루프 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량을 도출한다.

Description

다관절 링크 기구의 역운동학 해법, 및 이 역운동학 해법을 이용한 교시 데이터 작성 장치 {INVERSE KINEMATIC SOLUTION FOR MULTI-JOINT LINK MECHANISM, AND DEVICE FOR CREATING INSTRUCTIONAL DATA BY USING INVERSE KINEMATIC SOLUTION}

본 발명은 다관절 링크 기구의 역운동학 해법, 및 이 역운동학 해법을 기초로 해서 다관절 링크 기구에 대한 교시 데이터를 작성하는 교시 데이터 작성 장치에 관한 것이다.

종래, 컴퓨터에 입력된 다관절 로봇이나 포지셔너, 주행 대차 등의 주변 장치의 기구에 대하여, 구동하는 관절의 이동량, 회전량을 부여함으로써, 3차원의 도형 데이터를 이동, 회전시켜, 디스플레이 화면 상에 표시하고, 로봇의 동작 궤적을 작성하는 오프라인 교시 시스템이 로봇의 교시에 사용되고 있다.

다관절 로봇이나, 포지셔너 등의 주변 장치는, 각 관절(조인트, 축)의 회전 동작이나 병진 동작을 행하는 축 방향이나 각 관절 간의 연결을 정의한 링크 기구로 표현된다.

특히, 포지셔너 등의 다관절 링크 기구는, 모터 등으로 구동되는 구동 관절로 구성되지만, 어떤 종류의 다관절 링크 기구는 구동 관절뿐만 아니라, 구동 관절의 움직임에 연동해서 움직이는 종동 관절을 갖는 것으로 되어 있다.

이러한 다관절 링크 기구의 움직임을 계산할 때에는, 다관절 링크 기구의 움직임을 결정하는 필요 충분한 구동 관절의 이동·회전량을 부여하는 동시에, 종동 관절의 이동·회전량을 기하학적인 해석 방법에 의한 계산이나 야코비 행렬을 사용한 수렴 계산에 의해 도출하면 된다. 도출 결과에 따라서 도형 데이터를 이동·회전함으로써, 교시 데이터의 그래픽 표시를 가능하게 하고 있다.

상기한 방법은, 구동 관절의 이동·회전량을 부여함으로써 목적이 되는 장치 선단부의 위치·자세를 결정하기 위해, 로봇 공학에서 말하는 바의 넓은 의미의 순변환(순운동학)에 상당한다. 이러한 계산 방법은, CAD 소프트 등의 기구 해석 등으로, 다관절 링크 기구의 루프 기구[링크끼리를 연결해서 생기는 폐(閉)다각형]를 자동 정의하고, 소정의 관절을 동작시켰을 때의 거동을 계산하는 등의 종래 기술로서 확립되고 있다(예를 들어, 비특허문헌 1 등을 참조).

한편, 컴퓨터를 사용한 오프라인 교시 데이터의 작성 작업에서는, 종동 관절을 포함하는 장치의 원래 움직이게 하고 싶은 부위, 예를 들어 워크를 이동하는 포지셔너이면 그 장치에 탑재되어 있는 워크의 위치나 자세를 장치의 자유도의 범위 내에서 원하는 위치·자세의 상태로 움직이게 하기 위한 구동 관절의 회전·이동량의 값을 도출할 필요가 있다. 앞에서 구동 관절의 이동·회전량을 부여해서 장치의 선단부의 위치·자세를 결정하는 순변환에 대하여 반대의 문제이므로 로봇 공학에서는 역변환(역운동학)이라고 일컬어지며, 공학 분야에서의 소위 역문제이다.

대상이 되는 장치의 다관절 링크 기구가 항상 일정한 구조를 갖는 것이면(고정적이면), 역변환을 행하기 위한 계산은 기하학적(해석적)인 해법을 사용할 수 있으므로 그다지 어렵지 않다.

그러나 대상이 되는 다관절 링크 기구의 구성은 다양하며, 포지셔너에 한정되었다고 해도, 다양한 구성의 것이 존재한다(본 실시 형태의 도 2나 도 8 등). 그로 인해, 기하학적인 해법에 의한 역변환에서는, 다관절 링크 기구의 구성이 상이한 것에 대해서는 사용할 수 없어, 가능성이 있는 모든 다관절 링크 기구에 대하여, 사전에 모든 기하학적인 해법을 준비해서 대응할 수 있도록 해 둘 필요가 있다.

하지만, 다관절 링크 기구의 조합은 무한하며 사전에 모든 기하학적인 해법을 준비해 두는 것은 현실적이지 않고 불가능하다. 어떻게 정의된 다관절 링크 기구라도 대응할 수 있는 기하학적(해석적)인 해법은 없으므로, 구동 관절을 조금씩 움직이게 해서 순변환에 의해 장치를 동작시켜 대상의 부위가 원하는 위치나 자세에 대하여 어떤 허용 범위 내에 들어가면 채용하는 등의 계산 시간이 걸리거나 또는 조작자에게 부담이 되는 방법으로 교시 데이터를 작성하고 있었다.

예를 들어, 특허문헌 1에는 다관절 링크 기구의 역변환에 사용할 수 있다고 생각되는 기구 해석 모델링 시스템에 관한 기술이 개시되어 있다.

즉, 특허문헌 1은 CAD도의 작성 장치를 사용해서 상기 CAD도에서 표시된 기구 부품 형상을 바탕으로 링크 기구 해석 모델을 생성하는 시스템에 있어서, 입력된 상기 링크 기구 해석 모델을, 그것과 등가로, 기구계의 자세 해석에 있어서의 독립 변수를 포함하는 루프로 구성되는 상기 링크 기구 해석 모델로 자동 변환하는 기구 해석 모델링 시스템을 개시한다.

일본 특허 공개 평05-266147호 공보

로봇 제어 기초론, 요시카와 쓰네오 저, 1988. 11, 코로나사

전술한 바와 같이, 다관절 링크 기구의 조합은 무한하며, 사전에 모든 기하학적인 해법을 준비해 두는 것은 현실적이지 않고 불가능하다. 어떻게 정의된 다관절 링크 기구라도 대응할 수 있는 기하학적(해석적)인 해법은 없으므로, 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 기구 해석 모델링 시스템을 이용하면서, 구동 관절을 조금씩 움직이게 해서 순변환에 의해 장치를 동작시켜 대상의 부위가 원하는 위치나 자세에 대하여 어떤 허용 범위 내에 들어가면 채용한다고 하는 계산 시간이 들거나 내지는 조작자에게 부담이 되는 방법으로 교시 데이터를 작성해야만 한다. 이러한 역문제 도출 방법, 교시 데이터의 결정 방법이 현실적이지 않은 것은 물론이다.

따라서, 본 발명은 상기 요망점에 비추어, 조작자가 장치의 선단부에 배치된 대상(워크)의 부위에 대하여, 위치나 자세를 장치의 자유도의 범위 내에서 설정하면, 원하는 위치나 자세가 되는 구동해야 할 관절의 회전·이동량을 신속히 연산하는 역운동학 해법, 및 이 역운동학 해법을 이용한 교시 데이터 작성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 있어서는 이하의 기술적 수단을 강구하였다.

본 발명에 관한 다관절 링크 기구의 역운동학 해법은, 다관절형의 로봇과, 당해 로봇의 주변 장치로서 배치된 다관절 링크 기구로 이루어지는 로봇 시스템에 있어서, 상기 다관절 링크 기구에 배치된 대상물을 원하는 위치·자세로 움직이게 하기 위해서, 당해 다관절 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량을 결정하는 방법이며, 상기 다관절 링크 기구는 구동원에 의해 구동되는 구동 관절과, 상기 구동 관절의 움직임에 따라 종동적으로 움직이는 종동 관절을 갖고 있으며, 이하의 (i) 내지 (ⅲ)의 공정을 행함으로써, 상기 구동 관절 및 종동 관절의 이동·회전량을 결정하는 것을 특징으로 한다.

(i) 상기 다관절 링크 기구로부터, 상기 대상물의 위치·자세를 변화시키는 최소한의 링크 구성으로 이루어지는 개(開)루프 링크 기구를 선정한다.

(ⅱ) 상기 다관절 링크 기구에 적재된 대상물의 원하는 위치·자세로부터, (i)에서 선정한 개루프 링크 기구를 구성하는 각 관절의 이동·회전량을 도출한다.

(ⅲ) (ⅱ)에서 도출된 개루프 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량을 고정값으로서, 상기 개루프 링크 기구의 관절 중 적어도 일부 및 비선정으로 된 관절로 구성된 폐루프 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량을 도출한다.

바람직하게는, 상기 개루프 링크 기구로서, 상기 대상물을 기점으로 하고, 최단 거리로 링크 기구의 고정측에 달하는 링크절 및 관절로 구성되는 링크 기구를 채용하면 된다. 바람직하게는, 상기 다관절 링크 기구가, 대상물이 적재되고 또한 당해 대상물의 위치, 자세를 가변으로 하는 포지셔너로 되어 있으면 된다.

본 발명에 관한 교시 데이터 작성 장치는, 다관절형의 로봇과, 당해 로봇의 주변 장치로서 배치된 다관절 링크 기구가 구비된 로봇 시스템에 있어서, 상기 로봇 및 다관절 링크 기구의 교시 데이터를 결정하는 교시 데이터 작성 장치이며, 상기 교시 데이터 작성 장치가, 상기한 다관절 링크 기구의 역운동학 해법을 실행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 다관절 링크 기구의 역운동학 해법 기술을 이용하면, 조작자가 장치의 선단부에 배치된 대상의 부위에 대하여, 위치나 자세를 장치의 자유도의 범위 내에서 설정하면, 원하는 위치나 자세가 되는 구동해야 할 관절의 회전·이동량을 신속히 연산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 로봇 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 다관절 링크 기구를 갖는 장치를 모식적으로 도시한 설명도이다(제1 실시 형태).
도 3은 도 2의 다관절 링크 기구를 골격으로 나타낸 설명도이다.
도 4는 도 2의 다관절 링크 기구에 구비된 개루프 링크를 나타낸 설명도이다.
도 5는 도 2의 다관절 링크 기구에 구비된 폐루프 링크를 나타낸 설명도이다.
도 6은 도 2의 다관절 링크 기구에 구비된 폐루프 링크의 교시 데이터를 계산하는 것을 나타낸 설명도이다.
도 7은 도 2의 다관절 링크 기구에 구비된 폐루프 링크의 교시 데이터를 계산하는 것을 나타낸 설명도이다.
도 8은 다관절 링크 기구를 갖는 장치를 모식적으로 도시한 설명도이다(제2 실시 형태).
도 9a는 도 8의 다관절 링크 기구를 골격으로 나타낸 설명도이다.
도 9b는 도 8의 다관절 링크 기구에 포함되는 개루프 링크를 나타낸 설명도이다.

본 발명에 관한 다관절 링크 기구를 갖는 장치의 역운동학 해법, 및 이 역운동학 해법을 기초로 다관절 링크 기구에 대한 교시 데이터를 작성하는 교시 데이터 작성 장치의 실시 형태를, 도면을 기초로 설명한다.

따라서, 우선은 본 발명에 관한 로봇 시스템의 개략을 설명하고, 계속해서 본 발명에 관한 다관절 링크 기구를 갖는 장치의 역운동학 해법의 설명을 행한다. 또한, 이하의 설명에서는 동일한 부품에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 그들의 명칭 및 기능도 동일하다. 따라서, 그들에 대한 상세한 설명은 반복하지 않는다.

[제1 실시 형태]

[로봇 시스템]

먼저, 본 실시 형태에 관한 로봇 시스템의 전체 구성에 대해서 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 로봇 시스템(1)은 용접 로봇(2)과, 용접 대상(대상물)이 되는 워크(W)를 소정의 자세로 보유 지지하는 포지셔너(3)와, 용접 로봇(2) 및 포지셔너(3)를 제어하는 제어 장치(4)와, 용접 로봇(2)이나 포지셔너(3)에 대한 교시 데이터를 오프라인에서 작성하는 오프라인 교시 데이터 작성 장치(5)로 이루어진다. 용접 로봇(2)은 가공구로서 용접 토치(6)를 파지한다. 또한, 용접 로봇(2)은 산업용 로봇으로서 일반적인 다관절형 로봇을 도시하고 있지만, 다른 형식의 로봇이라도 된다. 또한, 포지셔너(3)에 보유 지지되는 대상물은, 워크(W)에는 한정되지 않는다.

그런데 본 발명의 기술이 적용되는 다관절 링크 기구(10)는, 모터 등의 구동원에 의해 구동되는 구동 관절(11a, 11b)을 가짐과 함께, 이 구동 관절(11a, 11b)의 움직임에 따라 종동적으로 움직이는 종동 관절(12c, 12d, 12e)을 구비하고 있다. 이와 같이 구동 관절(11a, 11b)과 종동 관절(12c, 12d, 12e)을 갖는 다관절 링크 기구(10)가, 본 출원 발명의 적용 대상이 된다. 또한, 관절이라고 표현하는 것에는, 축과 조인트의 양쪽이 포함된다. 이러한 다관절 링크 기구(10)를 갖는 장치로서, 본 실시 형태에서는 포지셔너(3)를 예시해서 설명을 진행시킨다. 다관절 링크 기구(10)로서는, 용접 로봇(2)을 이동하는 슬라이더(주행 대차)나 용접 로봇(2) 자체 등이라도 된다.

상기한 용접 로봇(2), 포지셔너(3) 및 슬라이더는, 컴퓨터를 탑재한 제어 장치(4)에 의해 제어되고, 제어 장치(4)에서는 미리 동작을 교시한 프로그램(교시 데이터)에 따라서 용접 로봇(2)을 제어한다. 교시 데이터는, 제어 장치(4)에 부대하고 있는 교시 펜던트(7)를 사용해서 작성하는 경우나, 퍼스널 컴퓨터를 이용한 오프라인 교시 데이터 작성 장치(5)를 사용해서 사전에 작성된다. 오프라인 교시 데이터 작성 장치(5)에 의해 작성된 프로그램은 메모리 장치나 데이터 통신을 이용해서 제어 장치(4)로 전송된다.

오프라인 교시 데이터 작성 장치(5)는, 표시 장치로서 그래픽 디스플레이를 구비하고, 입력 장치로서 키보드, 마우스를 구비하고 있다. 또한, 워크(W)의 CAD 정보를 도입하기 위한 데이터 입력 수단으로서, 기억 장치나 통신 장치가 설치되어 있다. 이들을 사용해서 용접 로봇(2)의 제어 장치(4)에 교시 프로그램(작성된 교시 데이터)의 수수를 행하는 것은 전술한 바와 같다.

상기한 오프라인 교시 데이터 작성 장치(5)에서는, 본 출원 발명의 다관절 링크 기구(10)의 역운동학 해법이 실시되고, 그 결과 포지셔너(3)에 대한 오프라인 교시 데이터가 산출되게 된다.

이하, 다관절 링크 기구(10)를 갖는 장치의 역문제 도출 방법을 사용한, 포지셔너(3)에 대한 오프라인 교시 데이터의 산출 방법에 대해서, 설명하는 것으로 한다.

[관절, 링크의 설명]

먼저, 도 3에는 대상이 되는 포지셔너(3)(도 2 참조)가 골격 표시되어 있다. 이 골격으로부터 명백한 바와 같이, 대상이 되는 포지셔너(3)를 구성하는 링크 기구 중에는, 적어도 1개의 종동 관절(12c, 12d, 12e)을 구비하는 것으로 되어 있다.

구체적으로는, 고정측(F)(기초측)으로부터 연장되는 제1 링크(13)가 있고, 이 제1 링크(13)의 끝에는 제2 링크(14)가 설치되어 있다. 제2 링크(14)는 수평축 주위로 회전 가능하게 되어 있는 회전 종동 관절(12c)을 통하여 제1 링크(13)에 접속되어 있다. 제2 링크(14)의 선단부에는 제2 링크(14)의 축심과 동축 형상으로 회전하는 회전 구동 관절(11b)이 설치되고, 이 회전 구동 관절(11b)을 통하여 제2 링크(14)의 선단부측에 제3 링크(15)가 접속되어 있다. 이 제3 링크(15)에는, 워크(W)가 설치되는 워크 설치대(8)가 설치되어 있다. 제2 링크(14)의 중도부로부터는 제4 링크(16)가 수평 돌출 형상으로 돌출되어 있다. 이 제4 링크(16)는 제2 링크(14)와 일체로 형성되어 있고, 제4 링크(16)는 제2 링크(14)의 일부라고 생각할 수 있다.

한편, 제1 링크(13)와는 다른 위치에 있어서, 고정측(F)(기초측)으로부터 연장되는 제5 링크(17)가 설치되어 있고, 제5 링크(17)의 선단부와 제4 링크(16)의 선단부는, 병진 구동 관절(11a)에 의해 결합되어 있다. 병진 구동 관절(11a)로서는, 유압 실린더와 같은 신축 가능하게 구성된 부재가 채용된다. 또한, 병진 구동 관절(11a)의 양단부와, 제5 링크(17)의 선단부 및 제4 링크(16)의 선단부는, 수평 방향 축심 주위로 회전 가능하게 되어 있는 회전 종동 관절(12e, 12d)에 의해 연결되어 있다.

그런데 도 3의 다관절 링크 기구(10)는, 도 4에 도시한 바와 같은 개루프 링크가 된 링크 기구와, 도 5에 도시한 바와 같은 폐루프 링크가 된 링크 기구로 나누어서 생각할 수 있다.

즉, 개루프 링크(개루프 링크 기구)는 고정측(F)(기초측)으로부터 연장되는 제1 링크(13), 이 제1 링크(13)의 선단부에 회전 종동 관절(12c)을 통하여 연결되는 제2 링크(14), 제2 링크(14)의 선단부에 회전 구동 관절(11b)을 통하여 연결되는 제3 링크(15) 및 워크 설치대(8)로 구성되어 있다. 즉, 개루프 링크는 링크 부재와 관절로 구성되어 있고, 그 선단부가 자유단부의 상태로 되어 있는 링크 기구인 것이다.

또한, 폐루프 링크(폐루프 링크 기구)는 고정측(F)(기초측)으로부터 연장되는 제1 링크(13), 이 제1 링크(13)의 선단부에 회전 종동 관절(12c)을 통하여 연결되는 제4 링크(16)[제2 링크(14)의 기단부측을 포함함], 제5 링크(17), 그리고 제5 링크(17)의 선단부와 제4 링크(16)의 선단부에 회전 종동 관절(12d, 12e)을 통하여 연결되어 있는 병진 구동 관절(11a)로 구성되어 있다. 즉, 폐루프 링크는 링크 부재와 관절로 구성되어 있고, 그 선단부가 당해 링크 기구를 구성하는 어느 한 관절로 연결되어 있고, 다각형의 형상으로 되어 있는 링크 기구이다.

[역문제(역운동학)의 설명(개략)]

이와 같은 구성의 다관절 링크 기구(10)의 역변환, 즉 원하는 워크(W)[워크 설치대(8)]의 위치, 자세를 결정하기 위해서, 병진 구동 관절(11a) 및 회전 구동 관절(11b)을 어느 정도 구동시키면 좋을지를 구하고, 그 구동량을 교시 데이터로서 산출하는 방법은, 이하의 처리를 행하게 된다.

즉, 이하의 (i) 내지 (ⅲ)의 공정을 행함으로써, 상기 구동 관절(11a, 11b) 및 종동 관절(12c, 12d, 12e)의 이동·회전량을 결정하고, 교시 데이터를 구하는 것으로 하고 있다.

(i) 다관절 링크 기구(10)로부터, 워크(W)의 위치·자세를 변화시키는 최소한의 링크 구성으로 이루어지는 개루프 링크 기구를 선정한다.

(ⅱ) 다관절 링크 기구(10)에 적재된 워크(W)의 원하는 위치·자세로부터, (i)에서 선정한 개루프 링크 기구를 구성하는 각 관절의 이동·회전량을 도출한다.

이상의 처리를 행하기 전에, 우선은 교시 데이터의 결정 개략에 대해서 설명한다.

먼저,

(STEP1) 워크(W) 상의 용접 부위에 대하여, 원하는 자세가 되도록 포지셔너(3)의 값(관절값)을 설정한다.

(STEP2) 워크(W) 상의 용접 부위에 대하여, 용접 토치(6)의 자세[용접 로봇(2)의 자세]를 설정한다.

(STEP3) 용접 로봇(2)이 동작 범위가 되고 또한 간섭하지 않도록, 필요에 따라 슬라이더 위치를 설정한다.

만일 간섭이 발생하거나, 용접 로봇(2)이 동작 범위 밖으로 이동할 때는, STEP1이나 STEP2의 설정값을 변경하고, 적절한 교시 데이터가 산출될 때까지 반복하도록 한다.

이 작업을 연속한 작업이 되도록, 교시점의 전후의 연결을 고려하면서 설정해 간다.

상기의 STEP1에 대해서, 상세하게 설명하면,

(STEP1-1) 워크(W) 상의 용접 부위로서, 용접 위치, 용접 방향 또한 용접 방향과 직교하는 용접 기준 방향을 지정하고, 그 용접 자세가 원하는 용접 자세가 되도록 좌우 상하의 경사 각도를 지정한다.

(STEP1-2) 오프라인 교시 데이터 작성 장치(5) 내에서, (STEP1-1)에서 지정된 내용으로부터, 용접선 좌표계를 작성하고, 그 용접 좌표계가 원하는 자세가 될 때의, 포지셔너(3)의 워크(W)를 설치하고 있는 워크 설치대(8)가 취해야 할 자세를 연산한다.

(STEP1-3) 오프라인 교시 데이터 작성 장치(5) 내에서, 포지셔너(3)의 워크 설치대(8)의 자세로부터, 포지셔너(3)의 각 관절의 값을 계산한다.

(STEP1-4) 오프라인 교시 데이터 작성 장치(5) 내에서, 계산된 포지셔너(3)의 각 관절의 값에 따라, 그래픽 화면 상에서, 포지셔너(3) 및 포지셔너(3)에 설치되어 있는 워크(W)를 이동하고, 표시한다.

[역문제(역운동학)의 설명(상세)]

본 실시 형태에 있어서, 본 발명의 기술은 상기한 (STEP1-3)에 있어서 실시된다. 이하, (STEP1-3) 내의 처리의 상세를 설명한다.

먼저, 처음에

(STEP1-3-1) 워크(W)를 이동시키는 최소한의 링크 구성으로서, 포지셔너(3)의 워크 설치대(8)를 선단부에 갖는 개루프 링크를 선출한다. 이때, 개루프 링크로서, 워크(W)를 기점으로 하여, 최단 거리로 링크 기구의 고정측(F)에 달하는 링크절 및 관절로 구성되는 링크 기구를 채용하면 된다.

(STEP1-3-2) 상기한 (STEP1-3-1)에서 선정된 개루프 링크에 대하여, 포지셔너(3)의 워크 설치대(8)의 자세로부터, 당해 개루프 링크를 구성하는 각 관절(조인트, 축의 양쪽을 포함함)의 이동·회전량을 도출한다.

(STEP1-3-3) 최소한의 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량이 결정되면, 당업자가 통상 사용하는 CAD 소프트 등에서 행해지고 있는 기구 해석에 사용되는 계산을 행할 수 있다. 구체적으로는, (STEP1-3-2)에서 도출된 각 관절의 이동·회전량을 고정값으로서, 나머지 모든 관절을 포함하는 폐루프 링크(링크끼리를 연결해서 생기는 폐다각형)에 대하여, 계산을 행하고, 나머지 모든 관절의 이동·회전량을 도출한다.

도 2에 도시한 포지셔너(3)를 기초로, (STEP1-3-1) 내지 (STEP1-3-3)의 처리를 설명한다.

도 2의 포지셔너(3)는 병진 구동 관절(11a), 회전 구동 관절(11b)의 2 관절을 구동할 수 있다. 또한, 종동 관절로서 회전 종동 관절(12c, 12d, 12e)의 3 관절을 보유하고 있다. 구동 가능한 2 관절을 동작시킴으로써 워크 설치대(8)의 선단부에 설치한 워크(W)의 자세를 2 자유도의 범위에서 변경할 수 있다. 이 장치의 골격 표기한 링크 기구를 도 3에 도시한다.

이 포지셔너(3)의 목적은, 워크 설치대(8) 선단부에 설치한 워크(W)의 자세를 변경하는 것이며, 그 자세 변경을 가능하게 하는 개루프 링크(최소 링크 구성)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 회전 종동 관절(12c)과 회전 구동 관절(11b)의 2 관절로 이루어지는 링크 기구로 표현할 수 있다. 이 워크 설치대(8)를 선단부로 하는 링크 기구의 구성을, 사전에 등록해 두므로, 장치 자신을 설치하는 기초의 부분으로부터 워크 설치대(8) 선단부까지의 링크 기구의 연결이 되는 조합 중 최소 구성이 되는 조합을 자동으로 추출하는 등의 방법으로, 연산 시에 취득할 수 있다(STEP1-3-1).

취득한 링크 기구의 구성과, 워크 설치대(8)의 자세가 부여되면, 이 개루프 링크의 각 관절의 이동·회전량은, 야코비 행렬 등을 사용한 수렴 계산에 의해 도출할 수 있다. 이 방법은, 비특허문헌 1에 개시한 로봇 관련의 학술서 등에 기재되어 있는 것을 응용하면 간단히 할 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다. 이 계산에 의해, 회전 종동 관절(12c)과 회전 구동 관절(11b)의 2개의 관절의 이동 회전량을 도출할 수 있다(STEP1-3-2).

도 5에, 포지셔너(3)의 폐루프 링크를 나타낸 골격 표기를 나타낸다. 이 폐루프 링크는, 병진 구동 관절(11a)과 회전 종동 관절(12c, 12d, 12e)의 4 관절로 이루어지는 폐쇄된 삼각형으로 구성된다. 이 중, 회전 종동 관절(12c)의 이동·회전량은, 앞에서 나온 방법에 의해 다 도출되므로, 나머지 3 관절(11a, 12d, 12e)의 이동·회전량을 도출하면 된다. 이 해법으로서는, 여러 가지가 있지만, 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이, 폐쇄된 루프 링크 기구를 예를 들어 종동 관절(12e)을 선단부로 하는 폐쇄되어 있지 않은 링크 기구라 생각하고, 회전 종동 관절(12e)을 원래의 위치에 일치시키도록 야코비 행렬을 이용한 수렴 계산 등을 행하는 것으로 도출 가능하다. 도 7에 도시한 바와 같이, 앞선 STEP1-3-2에서 도출된 회전 종동 관절(12c)의 회전량을 부여하면, 나머지 3 관절(11a, 12d, 12e)의 이동·회전량이 구해진다(STEP1-3-3).

이상의 방법에 의해, 구동 관절(11a, 11b) 및 종동 관절(12c, 12d, 12e)의 모든 이동·회전량이 구해졌으므로, 그래픽에 의한 표시로, 각 관절이나 그것에 부수되는 링크를 이동 회전함으로써, 정확하게 표시할 수 있게 된다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명에 관한 다관절 링크 기구(10)를 갖는 장치의 역운동학 해법 기술을 이용하면, 조작자가 장치의 선단부에 배치된 대상의 부위에 대하여, 위치나 자세를 장치의 자유도 범위 내에서 설정하면, 원하는 위치나 자세가 되는 구동해야 할 관절의 회전·이동량을 신속히 연산할 수 있다.

[제2 실시 형태]

이어서, 본 발명에 관한 다관절 링크 기구(10)를 갖는 장치의 역운동학 해법의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다.

본 실시 형태는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 생각으로, 포지셔너(3)[다관절 링크 기구(10)]의 교시 데이터를 결정하는 것이지만, 제1 실시 형태의 예시한 포지셔너(3)는, 그 구성이 크게 상이한 것으로 되어 있다. 즉, 본 출원 발명은 포지셔너(3)의 구성이 크게 다른 경우에도, 적용 가능하고, 조작자가 장치의 선단부에 배치된 대상의 부위에 대하여, 위치나 자세를 장치의 자유도의 범위 내에서 설정하면, 원하는 위치나 자세가 되는 구동해야 할 관절의 회전·이동량을 신속히 연산할 수 있다.

도 8에는, 제2 실시 형태에 있어서의 포지셔너(3)가 나타나 있으며, 도 9a, 도 9b에는, 이러한 포지셔너(3)의 골격이 나타나 있다.

도 9a에 나타내고 있는 바와 같이, 포지셔너(3)는 고정측(F)(기초측)으로부터 연장되는 제1 링크(23)를 갖고 있으며, 이 제1 링크(23)의 끝에는 병진 구동 관절(11c)이 설치되어 있다. 병진 구동 관절(11c)의 상단부로부터는 수평 방향을 향하는 제2 링크(24)가 연장되어 있다. 병진 구동 관절(11c)이 작동함으로써 제2 링크(24)가 고정측(F)에 대하여, 상하로 신축된다. 이 제2 링크(24)의 선단부에는, 제2 링크(24)의 선단부와 동축으로 회전하는 회전 구동 관절(11d)이 설치되고, 이 회전 구동 관절(11d)을 통하여 제2 링크(24)의 선단부측에 제3 링크(25)가 접속되어 있다. 이 제3 링크(25)에는, 수평 방향 축심 주위로 회전하는 회전 종동 관절(12f)을 통하여, 긴 워크(W)의 일방측이 설치되도록 되어 있다.

한편, 고정측(F)(기초측)으로부터 연장되는 제4 링크(26)를 갖고 있으며, 이 제4 링크(26)의 기단부측은, 병진 종동 관절(12g)을 통하여, 고정측(F) 상을 수평 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 되어 있다. 제4 링크(26)의 끝에는, 병진 구동 관절(11e)이 설치되어 있다. 병진 구동 관절(11e)의 상단부로부터는 수평 방향을 향하는 제5 링크(27)가 연장되어 있다. 병진 구동 관절(11e)이 작동함으로써, 제5 링크(27)가 고정측(F)에 대하여, 상하로 신축된다. 이 제5 링크(27)의 선단부에는, 제5 링크(27)의 선단부의 축심과 동축으로 회전하는 회전 종동 관절(12h)이 설치되고, 이 회전 종동 관절(12h)을 통하여 제6 링크(28)가 접속되어 있다. 이 제6 링크(28)에는, 수평 축심 주위로 회전 가능하게 되어 있는 회전 종동 관절(12i)을 통하여, 긴 워크(W)의 타방측이 설치되도록 되어 있다.

도 9a의 다관절 링크 기구(10)는, 도 9b의 실선으로 나타낸 바와 같은 개루프 링크가 된 링크 기구와, 도 9b의 실선 및 파선으로 나타낸 바와 같은 폐루프 링크가 된 링크 기구로 나누어서 생각할 수 있다.

즉, 개루프 링크(제1 개루프 링크)는 고정측(F)(기초측)으로부터 연장되는 제1 링크(23), 이 제1 링크(23)의 끝에 설치된 병진 구동 관절(11c), 병진 구동 관절(11c)의 선단부로부터 수평 방향으로 연장되는 제2 링크(24), 제2 링크(24)의 선단부에 설치된 회전 구동 관절(11d), 이 회전 구동 관절(11d)을 통하여 제2 링크(24)의 선단부측에 제3 링크(25), 제3 링크(25)의 선단부에 설치된 회전 종동 관절(12f)로 구성되어 있다.

또한, 폐루프 링크는, 전술한 개루프 링크(제1 개루프 링크)와, 이 개루프 링크에 대하여 일방측이 설치된 워크(W)와, 워크(W)의 타방측이 설치된 개루프 링크(제2 개루프 링크)로 이루어진다.

워크(W)의 타방측이 설치된 개루프 링크(제2 개루프 링크)는 고정측(F)(기초측)으로부터 연장되는 제4 링크(26), 이 제4 링크(26)의 기단부측을 수평 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 하고 있는 병진 종동 관절(12g), 제4 링크(26)의 선단부에 설치된 병진 구동 관절(11e), 병진 구동 관절(11e)의 상단부로부터 수평 방향으로 연장되는 제5 링크(27), 이 제5 링크(27)의 선단부에 설치된 회전 종동 관절(12h), 이 회전 종동 관절(12h)을 통하여 제5 링크(27)의 선단부측에 설치된 제6 링크(28), 이 제6 링크(28)의 선단부에 설치된 회전 종동 관절(12i)로 구성되어 있다.

이상 설명한, 2개의 개루프 링크, 및 이 2개의 개루프 링크를 포함하는 폐루프 링크에 의해 구성된 다관절 링크 기구(10)에 있어서도, 본 출원의 기술을 적용 가능하다. 즉, 제1 실시 형태의 (STEP1-3-1) 내지 (STEP1-3-3)에 대응하는 것으로서, 이하의 (STEP2-3-1) 내지 (STEP2-3-3)을 행하면 된다.

먼저,

(STEP2-3-1) 워크(W)를 이동시키는 최소한의 링크 구성으로서, 포지셔너(3)의 워크 설치대(8)를 선단부에 갖는 개루프 링크를 선출한다. 이 개루프 링크로서는, 예를 들어 도 9b에 나타내는 제1 개루프 링크[제1 링크(23), 병진 구동 관절(11c), 제2 링크(24), 회전 구동 관절(11d), 제3 링크(25), 회전 종동 관절(12f)]를 선택할 수 있다. 또한, 제2 개루프 링크를 선택해도 된다.

(STEP2-3-2) 이어서, (STEP2-3-1)에서 선정된 개루프 링크에 대하여, 포지셔너(3)의 워크 설치대(8)의 자세로부터, 당해 개루프 링크를 구성하는 각 관절(조인트, 축의 양쪽을 포함함)의 이동·회전량을 도출한다.

(STEP2-3-3) 최소한의 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량이 결정되면, 당업자가 통상 사용하는 CAD 소프트 등에서 행하여지고 있는 기구 해석에 사용되는 계산을 행할 수 있다. 구체적으로는, (STEP2-3-2)에서 도출된 각 관절의 이동·회전량을 고정값으로서, 나머지 모든 관절을 포함하는 폐루프 링크(제1 개루프 링크 내지 워크(W) 내지 제2 개루프 링크에 의해 생기는 폐다각형)에 대하여, 계산을 행하고, 나머지 모든 관절의 이동·회전량을 도출한다.

이상의 처리를 행함으로써, 도 8에 도시한 바와 같은, 제2 실시 형태에 관한 링크 기구에 있어서도, 구동 관절(11c, 11d, 11e) 및 종동 관절(12f, 12g, 12h, 12i)의 모든 이동·회전량을 구할 수 있게 된다.

이상 통합하면, 본 출원 발명에 관한 다관절 링크 기구(10)의 역운동학 해법을 사용함으로써, 구동 관절 이외에 종동 관절에 의해 구속된 링크를 갖는 다관절 링크 기구(10)를 갖는 장치의 목적이 되는 선단부 위치·자세를, 종래의 소정의 위치·자세가 될 때까지 구동축을 변경해서 소정 내에 수용될 때까지 시행하는 시간이 없어져, 교시 시간의 단축이나 정밀도 좋은 위치·자세의 지정이 가능해진다. 또한, 루프 링크 기구에 포함되지 않는 관절에 대해서도 최소 링크 기구의 구성을 고려함으로써 도출할 수 있어, 종래 기술의 다관절 링크 기구(10)의 도출 방법으로서 루프 링크 기구 이외의 축에 대한 어프로치도 가능하게 하고 있다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허 청구 범위에 의해 나타내고, 특허 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

본 출원은 2013년 5월 29일에 출원된 일본 특허 출원(특허 출원 제2013-112973호)에 기초하는 것으로, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

1 : 로봇 시스템
2 : 용접 로봇
3 : 포지셔너
4 : 제어 장치
5 : 오프라인 교시 데이터 작성 장치
6 : 용접 토치
7 : 교시 펜던트
8 : 워크 설치대
10 : 다관절 링크 기구
11a, 11b, 11c, 11d, 11e : 구동 관절
12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h, 12i : 종동 관절
13, 23 : 제1 링크
14, 24 : 제2 링크
15, 25 : 제3 링크
16, 26 : 제4 링크
17, 27 : 제5 링크
28 : 제6 링크
W : 워크
F : 고정측

Claims

다관절형의 로봇과, 당해 로봇의 주변 장치로서 배치된 다관절 링크 기구로 이루어지는 로봇 시스템에 있어서, 상기 다관절 링크 기구에 배치된 대상물을 원하는 위치·자세로 움직이게 하기 위해, 당해 다관절 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량을 결정하는 방법이며,
상기 다관절 링크 기구는, 구동원에 의해 구동되는 구동 관절과, 상기 구동 관절의 움직임에 따라 종동적으로 움직이는 종동 관절을 갖고 있으며, 이하의 (i) 내지 (ⅲ)의 공정을 행함으로써, 상기 구동 관절 및 종동 관절의 이동·회전량을 결정하는 것을 특징으로 하는, 다관절 링크 기구의 역운동학 해법.
(i) 상기 다관절 링크 기구로부터, 상기 대상물의 위치·자세를 변화시키는 최소한의 링크 구성으로 이루어지는 개루프 링크 기구를 선정한다.
(ⅱ) 상기 다관절 링크 기구에 적재된 대상물의 원하는 위치·자세로부터, (i)에서 선정한 개루프 링크 기구를 구성하는 각 관절의 이동·회전량을 도출한다.
(ⅲ) (ⅱ)에서 도출된 개루프 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량을 고정값으로서, 상기 개루프 링크 기구의 관절 중 적어도 일부 및 비선정으로 된 관절로 구성된 폐루프 링크 기구의 각 관절의 이동·회전량을 도출한다.
제1항에 있어서, 상기 개루프 링크 기구로서,
상기 대상물을 기점으로 하여, 최단 거리로 링크 기구의 고정측에 달하는 링크절 및 관절로 구성되는 링크 기구를 채용하는 것을 특징으로 하는, 다관절 링크 기구의 역운동학 해법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다관절 링크 기구가, 대상물이 적재되고 또한 당해 대상물의 위치, 자세를 가변으로 하는 포지셔너로 되어 있는 것을 특징으로 하는, 다관절 링크 기구의 역운동학 해법.
다관절형의 로봇과, 당해 로봇의 주변 장치로서 배치된 다관절 링크 기구가 구비된 로봇 시스템에 있어서, 상기 로봇 및 다관절 링크 기구의 교시 데이터를 결정하는 교시 데이터 작성 장치이며,
상기 교시 데이터 작성 장치가, 제1항에 기재된 다관절 링크 기구의 역운동학 해법을 실행하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 교시 데이터 작성 장치.