WO1986001617A1 - System for controlling posture of tool - Google Patents

Description

明 細 書

ツ ー ルの姿勢制御方式

技 術 分 野

*癸明 は ツ ール の姿勢制御方式に係 り 、 特に ア ー ク 開 始点探索時の ツ ールの探索姿勢を ツ ール座標系 ¾用い て そ の姿勢ぺ ク ト ル を制御 し、 探索座標'空間上 で そ の ツ ー ル を一定方向 に傾け探索 を行ない得る ア ー ク 開始点探索 時の ッ 一 ルの採索姿勢制御方式に関する 。

背 景 技 術

最近 、 産業用 ロ ボ ッ 卜 の普及がめざ ま し く 、 多 く の分 野で利用 され る よ う に っ て き てい る 。 特に 、 溶接の技 術分野 に おい て は、 溶接作業そ の も のが人間が行な う 作 業 と し ては困難を伴 な つ てい る と共に 自 動車の生産 ラ ィ ン な ど作業環境に恵 まれない場合が多い こ と も あ り 、 人 間の作業に代替 し て溶接用 ロ ボ ッ ト が普及す る に至 っ て い る 。

第 4 図ほ一般的 な溶接用 D ボ ッ ト の構成図で あ り 、 6 軸の動作軸を も つ関節型 ロボ ッ ト を示 し てい る 。 こ の 6 軸の動作铀は 、 腕の旋回 （ T C Θ ) 轴） 、 下腕 の前後傾 動 （ W軸） 、 上腕 の 上 下傾動 （ U 铀） 及び手首の 回転 ( A 轴） 、 ふ り （ B 铀） 、 ひね り 動作 [ C ( r ) 铀 ] の 各軸か ら な っ て い る 。 そ して、 これ らの各轴は おのおの 独立 制御 され る よ う に な っ てい る 。 第 4 図に おい て 、 1 は関節型 ロ ボ ッ ト を支える基台であ る 。 基台 1 の上部 に は 、 各轴 を 垂直 轴 （ Z 铀 ） に 対 し て 旋 回 さ せ る T C Θ ) 铀サ一 ボモ ー タ 2 が載置 されてい る 。 T C θ ) 轴 サ ー ボ モ ー タ 2 の上 に は 、 こ れ に よ つ て回転され る Τ ( Θ ) 軸ュニ ッ ト 3 が設けられている。 こ の T C ) 軸 ュニ ッ ト 3 は T ( Θ ) 轴サーボモー タ に よ っ て 回転 され る 。 T ( Θ ) 铀ュニ ッ ト 3 の上には W轴ュニ ッ ，ト 4 が固 定的に設け られ、 こ れに W軸腕 5 が軸承 5 a に よ っ て 回 転 自在に軸承 されてい る。 6 は W轴駆'動機構で あ る 。 W 铀腕 6 の先端 には、 ϋ轴腕 7 が軸承 7 a に よ っ て、 回転 自在に軸承 されてい る 。 8 は U铀駆動機構であ る 。 U 軸 腕 7 の先端に は、 手首機構 9 が設け られている 。 こ の手 首機構 9 は A 轴サ一 ボモー タ 1 0 に よ リ 回転 さ れ、 B 轴 サーボ ーモー タ 1 1 に よ り 上下方向に振 られ、 C 軸サー ボモー タ 1: 2 に よ り ひね られる 。 そ し て 、 手首機構 9 に ほ ツ ー ルが取付け ら れ、 ロボ ッ ト はツ ー ル でも っ て作業 を 遂行す る よ う に な っ て い る 。 更 に 、 ツ ール と し て の ト ー チ と それ を用 いたアー ク溶接につい て説明 す る 。 第 5 図はかかる ア ー ク 溶接機の概略構成図 であ り 、 ワ イ ヤ W R は繰 リ 出 し ロ ー ラ F R ょ リ 矢印方向 に少量ずつ繰 り 出 され、 案内部材 G B を経由 して、 ト ー チ T C の先端 よ り 突出 し 、 ワ イ ヤ先端が溶接部材 W K の表面 よ り 所定量 離れた位置に あ る よ う ワ イ ヤ W R の ブ イ 一 ド畺が制限 さ れてい る 。 溶接電源 P S よ り 発生 し、 所定の周期 で断練 す る高電圧の プ ラ ス側は案内部材 G B を 介 し て ワ イ ヤ W R に加え られ、 マ イ ナ ス側は溶接部材 W K に加 え られて い る 。 更に、 図示 し ないガス供給部か ら 矢印 に示す よ う に ト ー チ T C 内部 を 通 っ て溶接部材に当 る よ う に ガ ス が 供 ,袷 され、 瑢接部分の酸化を防いでい る 。 さ て 、 ガ ス 供 紿部 よ り ガ ス を供給 し 、 且つ ワ イ ヤを少量ずつ繰 り 出 し なが ら溶接電源 P s よ リ 高電圧を断統的 に癸生する と ヮ ィ ャ先端 よ り ア ー ク が発生する と共に ヮ ィ ャ及び溶接部 分が溶け、 溶融部分が一体に溶接される 。 そ し て 、 かか る 溶接作業 は ロ ボ ッ ト に行 な わ せ る 》 即 ち 、 溶接機の ト ー チ を ロ ボ ッ ト に よ り 把持 さ せ 、 該 π ボ ッ ト を し て ト ー チ （ ワ イ ヤ先端） を溶接通路に ¾ つ て移動 さ せ、 溶 接部分 の瑢接 を行 な う よ う に し てい る 。

と こ ろ で、 こ の よ う な溶接作業を行な ラ場合に 、 溶接 部材が セ ッ ト され る と 、 その溶接部材に 対 し て ト ーチ を 移動 し て溶接部材の位置を手動で探索 し なが ら ア ー ク 開 始点を 探索す る よ う に な っ てい る。

こ の よ う な こ と か ら 、 ツ ールの位置を決め る に は、 口 ボ ッ ト の基準座標系 、 ロ ボ ッ 卜 のハ ン ド座標系 、 ツ ー ル 座標系が用い られ る よ う にな つ てい る 。 第 6 図 はかか る ロ ボ ッ ト 、 そ の ハ ン ド及びツ ー ルの各座標系 を 説明す る 説明図 であ り 、 X ， y , z は ロ ボ ッ 卜 の基準座標系 で あ り 、 0 は そ の原点 を 示す。 ¾L , im ， ϋ は ロ ボ ッ ト ノ \ ン ド 座標系 に おけ る ハ ン ド姿勢ぺ ク ト ルであ る 。 t , ω , ¾r は ツ ー ル座標系 に お け る ツ ー ル姿勢べ ク ト ル で あ る 。 尚 、 T C Ρ は ッ 一 リレ セ ン タ ーボ イ ン ト （つかみ点 と も い う ） で あ る 。

前 i£ の如 く 、 ア ー ク 溶接を開始する に先立 っ て、 ァ ー ク 溶接開始点 を 探索 す る 必要が あ る が、 そ の場合に 、 ト 一 チ の姿勢が最適 に姿勢制御 されてい なければ正確 に そ の ア ー ク 開始位置 を と ら え る こ と がで き ず、 所望の ア ー ク 開始点 の探索 を正確に実行する こ と がで き ない と い う 問題があ っ た。

*発明は、 上記問題点を解決する ため に 、 作業部材の 最良の姿勢を 自動的に設定する こ と に よ リ 、 溶接部材の 位置を正確に探索 し て、 所望のアー ク 開始点の探索 を行 ない得 る よ う に し た ツ ールめ姿勢制御方式を提供す る こ と を 目 的 と する 。

発 明 の 開 示

末発明 に係 る ツ - ル の姿勢制御方式ほ 、 ァ '- ム を有す る ロ ボ ッ ト と 、 該ア ー ム の先端に設け られた ッ ー ル と 、 ロ ボ ツ 卜 の基本位置 を決める墓本ぺク ト ル設定手段 と 、 ツ ー ル の 現在位置 を 示 す ツ ー ル べ ク ト ル を求め る 手段 と 、 該基： *：ぺ ク ト ル に対 して所定の傾 き を持つ 目 標ツ ー ル べ ク ト ルを求め る 手段 と、 前記ツ ー ル の現在位置を示 す ツ ー ルべ ク ト ルを べ ク ト ル回転に よ り 前記 目 標 ツ ー ル べ グ ト ル ま で回転せ し め る回転手段 と 、 前記回転手段 に よ り 現在位置 を示す ツ ー ルベ ク ト ルを回転 し て得 られた デ ー タ に よ リ ロ ボ ッ ト の各軸の駆動デー タ を作成する 手 段 と 、 ツ ー ル を 目 標 ツ ー ルベ ク ト ル位置 ま で移動せ し め る 手段 と を有 し てい る 。

上記の如 き 構成を有する本発明をた と えば熔接 ロ ボ ッ 卜 に適用 した場合に 、 ツ ール と しての ト - チを 最初に設 定 し た最良の傾 き を も っ た位置に 自動的 に設定 で き 、 こ の た め ァ ー ク 開始点 を 正確 に 探索 す る こ と が で き る の で、 所望のア ー ク 開始点の探索を人手を介す る こ と な く 的確に行 ¾ う こ と が で き る。

図面の簡単な説明

第 1 図は探索座標空間での ツ ール姿勢べ ク ト ルの制御 を説明 す る説明 図、 第 2 図はかかる ツ ー ル姿勢ベ ク ト ル の制御手段を説明す る フ ロ ー チ ヤ一 ト 、 第 3 図はかか る ツ ー ル姿勢ぺ ク ト ル の制御手法を適用 し た一適用例図 、 第 4 図 は一般の溶接用 ロ ボ ッ ト の構成図 、 第 5 図はァ 一 ク 溶接機 の概略構成 図 、 第 6 図 は ロ ボ ッ ト の座標系 と ツ ール座標系 を説明 す る説明図であ る。

発明 を実施するための最良の形態 以下 、 *発明の実施例を図面を参照 し なが ら 詳細に説 明-す る 。

第 1 図は、 探索座標空間、 つ ま り 、 溶接部材 を基準 と し た座標空間上 で の ト - チの ツ ール姿勢べ ク ト ル の 御 に つ い て 説 明 す る 説 明 図 で あ り 、 第 2 図は そ の フ ロ ー チ ャ ー ト であ る 。 図 中、 探索座標空間上 の基本べ ク ト ル は di ( X 方向） 、 a ( y 方向） 、 lh ( - z 方向） と し て 表わ さ れて い る 。 尚 、 t , ω , ν は ツ ー ル座標空間上 の 基本べ ク ト ル を示 し てい る。

こ こ で、 ツ ー ル の各探索姿勢方向は、 探索座標空間上 の基太ベ ク ト ル dl ， ， lh の基末 3 轴 と の角度 を用 い て 決定す る 。 但 し 、 探索方向 は 固定 された方向 と な る の で ツ ー ル姿 勢べ ク ト ルは簡略化 し 、 搮索方向は計算 し易 く な る 。

そ こ で、 発明の ア ー ク開始点探索時の ツ ー ル探索姿 勢制御手順につい て説明する。

ま ず、 現在の ツ ー ルベ ク ト ル w 1 を求め る 。 .

こ の ツ ー ルべ ク ト ル W i を探索座標空間上に変換す る た め に探索座標空間上の基 *ぺ ク ト ル dl , ¾ , fli の そ れ ぞれ に つ い て 目 標 の ツ ー ルべ ク ト ル ' の設定を行 な ラ 。 つ ま り 、

C 1 ) 採索座標空簡上 の基末ぺ ク ト ルの一つで あ る ぺ ク ト ル -dl に関 し て、 目 標 と なる ツ ールべク ト ル ' をまめ る 。 こ の ツ ー ノレ べ ク ト ル w ， は基木べ ク ト ル 一 dl よ り 6 だけ傾斜 し て ぉ リ 、 こ の 0 はあ らか じめ 最適値 に設定 さ れる も の であ る 。

( 2 ) 次に 、 探索座標空間上の基 *ぺ ク ト ルの 一つ で あ る aべ ク ト ル に関 し て 目標と な る ツ ール べ ク ト ルを求 め る 。 —

C 3 ) 次 に 、 探索座標空間上の基 *ぺ ク ト ル の 一つ で あ る }h べ ク ト ル に関 し て 目標と な る ツ ールべ ク ト ルを求め る 。

現在の ツ ールべ ク ト ル、 v i を探索座標系 に変換する と き に は 、 こ の現在 の ッ 一ルぺ ク ト ル、 V 丄 を 目 檫 の ツ ー ル べ ク ト ノレヽ V ， ま でべ ク ト レロ 一テ一 シ ョ ン に よ り 回転す る 。 こ れ を式で示す と 、

w ' = R 0 t ( IR , θ V ) V i で表わ

R 0 t は 回転、 IR は回転中心 、 θ V は 回転角 ト W 探索座標系 に変換 られた こ と に な 。

べク ト ルは ロ ボ ッ ト の ハ つま リ'、 ロ ボ ッ ト の各軸 。 即ち、 ハ ン ド姿勢ぺ ク の基本轴 t ， u , と の 出来る。 何故 な ら ば、 ハ 間的な相対位置が常に 固

3 の定行列 （ M ) を介す から であ る 。

II II I!

ft m

こ こ で 、 C M ) を求め る には前記 した ロ ボ ッ ト の各動 作轴の メ ト リ ッ ク 値 を セ ッ テ ィ ン グデー タ と し 、 こ の値 よ り 、 そ の時のハ ン ド姿勢べク ト ル（a 0 an 0

求め られ る の で、 こ の値、 つま リ 、

C 21 0 , n 0 , m 0 ) = 丁（ M )

と すれ ば、 ハ ン ド姿勢べ ク ト ル a , im ， )n と ツ ー ル座檫 系の基； ^轴 it ， u , V と の間の変換は容易に行 ^ う こ と がで き る 。 こ め よ う に して、 ツ ール と し て の ト ー チ は好 ま し い角度で所定の探索面に接.近する こ と がで き 、 結果 的 に正確なァ - ク 開始点を探索でき る。

次に 、 J記 した ツ ール と し ての ト ー チ の姿勢制御手法 を用 い て実際の L 字型溶接部材への ッ — ルの探索姿勢制 御を行な う場合に つ い て説明する。

第 3 図はかかる ト ー チの探索姿勢制御 を説明 する 説明 図であ る 。

まず ， ツ ー ル と し て の ト ー チ 〔ワ イ ヤ先端） T C は任 意の傾 き で①の位置に あ る と する。 こ の位置か ら 那 SG し

o た ツ ー ルの姿勢制御 を '行い側面 ® に対 し て立てた垂線力に 一 対する 傾 き 0 1 と す る 。 こ の位置か ら ト — チ Τ C は L 字 型溶接部材の垂直板の側 へむ力 つ て探索 し 、 こ の側 面② に接蝕す る ②。 次に最初の位置①に 戻 る 。 こ こ で ト - チ の姿勢制御 を行い、 L字型溶接部材 の水平板の上面 ⑤に 対 し て 0 2 の傾 き 《1： し た後 、 ツ ー ル T C は下降す る 。 そ し て こ れが L 字型溶接部材の水平板 の上面 ® に接 触す る③ 。 そ こ でま た ト ー チ T C に対 し て刖 m し た ト ー チ の姿勢制御が行な われ、 ト ー チ T C の傾 き を 0 5 に し て L字型溶接部材の水平板の側面の縁に 冋カ、 つ て探索 を 行な う 。 そ し て 、 ト ー チ T C がその縁④に到達す る と 更 に前記 し た ト ー チの姿勢制御が行なわれ てァ - ク 始点 s へ と 移動 を行 な う こ と に なる の であ る 。

な お 、 *発明 は 上記実施例 に限定 さ れ る も の では な く 、 本発明の主旨 に従い、 種 々 の変形が可能で ぁ リ 、 こ れ ら を *発明 の範囲か ら排除する も の ではない。

産業上の利用可能性

こ の発明は熔接 ボ ッ 卜 に限 らず、 他 の関節型 ロ ボ ッ ト の姿勢制御 に利用 し て好適であ る。

Claims

0 請求の範囲

( 1 ) ツ - ル の姿勢制御方式ほ次を合む ：

ア ー ム を有する 口 ポ ッ ト と ；

該ア ー ム の先端に設け られた ツ ー ル と ；

ロ ボ ッ ト の 基太位置を決め る基本ぺ ク ト ル設定手段 と ；

ツ - ル の現在位置 を示すツ ー ルべ ク ト ルを求め る手段 と

本ぺ ク ト ル に 対 し て所定の傾き を持つ 目 標 ツ ー ル ベ ク ト ルを求 め る 手段 と ；

刖記 ツ ー ル の現在位置を示すツ ー ルぺ ク ト ル をべク ト ル回転 に よ り 前記 目 標 ツ ールべ ク ト ルま で回転せ し め る 回転手段 と ；

刖 回転手段に ょ リ 現在位置を示すツ - ルべ ク ト ル を 回転 し て得 られたデ ー タ に よ り ロ ボ ッ 卜 の各铀の駆動デ ー タ を 作成する手段 と ；

ッ 一 ルを 目 標 ツ ー ルべ ク ト ル位置ま で移動せ し め る 手

( 2 ) 前記 ッ - ルは熔接ロ ボ ッ ト の熔接 ト ー チ であ る こ と を特徴 と する 請求の範囲第 （ 1 ) 項記載の ツ ー ル の姿 勢制御方式。

( 3 ) 前記 ロ ボ ッ ト は複数の関節を有す る 関節型 ロ ボ ッ ト であ る こ と を特徴 と する請求の範囲第 （ 1 ) 項記載の ツ - ル の姿勢制御方式。 '