JPH05505893A - ロボット・セルの経路の制御方法 - 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】 ロボット・セルの経路の制御方法 本発明は、少なくとも５自由度のロボットと、少なくとも２自由度のワークピー ス・マニピュレータと、ロボットおよびワークピース・マニピュレータを同期的 に制御する制御ユニットとを含むロボット・セルの経路の制御方法において、経 路の主要な諸点での手動制御によりロボットおよびマニピュレータが互いに望ま しい位置へ持ち来され、前記諸点でのロボットおよびマニピュレータ相互の配置 方向に関するデータが制御ユニット内に記憶される制御方法に関する。

ロボットとワークピース・マニピュレータ、通常回転テーブル、との運動を同期 的に制御でき、回転テーブル上に置かれたワークピースと相対的な制御された経 路運動（例えば直線運動）が達成されるロボット・システムがある。このシステ ムは、同期を伴わないシステムに比べて複雑な経路を可能にさせる。例えば溶接 中、他の方法では工具の経路を制御できないので、回転テーブルの軸線を非同期 システム内で回転させることはできない（例えば直線運動は回転テーブル上に置 かれたワークピースに対して真っ直ではない）。従来技術の同期化されたシステ ムの場合、ロボットや回転テーブルは、それらが教示段階で習得した諸点を通っ て進む。それ故、同期化された経路を操作員が教示する場合、彼は先ず加工プロ セスに有利な位置ヘワークビースを転回させ、次いでロボットによりその点を教 示しなければならない。教示された経路に沿って進む場合、回転テーブルの軸線 は当初の位置から最終位置へ直線的に転回し、ロボットはその間中、所望の経路 を達成するためのテーブルの運動に採択される。一つの問題は、工具の配置方向 か加工プロセスに対して必ずしも最適なままではない、ということである。たと え溶接経路の初期および最終点がいわゆる下向き位置に教示されたとしても、経 路に沿った若干の点で溶接バーナが、同期化された運動により、下向き位置から 離れて移動される恐れがある。　゛本発明の目的は、例えば同期化された運動に おける工具の配置方向の制御に関連する上述の諸問題のない、ロボット・セルの 経路の制御方法を提供することにある。

従って本発明の目的は、同期化された諸運動を迅速に教示されることができ且つ 、加工プロセスを顧慮して、工具の最適配置方向を一層容易に達成し得るように したロボット・セルを提供することにあるｄこれは、経路最適化規準を制御ユニ ットへ付加する段階と、互の配置方向に関するデータに基づき制御ユニットによ り最適経路を計算する段階とを更に含むことを特徴とする本発明の方法により達 成される。

本発明の方法の場合、周囲と相対的なロボットおよびワークピース・マニピュレ ータの位置および配置方向は、最も容易な、あり得べき教示を可能とするように 選定することかできる。教示段階におけるロボットの工具グリッパおよびワーク ピース・マニピュレータ相互の配置方向が作業を行うための正しい位置にあるこ とは重要である。経路上の諸点に加えて記憶装置内に記憶されるものは、この配 置方向である。次いで制御ユニットは、この配置方向および、例えば溶接プロセ ス中の溶接バーナの配置方向に関する、制御ユニットへ付加された最適化規準を 基礎として、作業の実際の遂行中に使用される最終的な最適経路を計算すること ができる。こうして教示段階を一層迅速且つ簡単にし、しかもそれにより工具お よびワークピース相互の配置方向ならびに周囲に対するそれらの配置方向が作業 の遂行に対し最適であるような経路を得ることができる。

ロボットおよびワークピース・マニピュレータ相互の配置方向はなるべくなら、 ロボットのベースの座標系に対するロボットの工具グリッパの座標系の位置とし て、且つまたワークピース・マニピュレータの関節の角位置として記憶されるこ とが望ましい。この方法は、マニピュレータの配置方向を変えることなく単にロ ボットを制御することにより、ロボットおよびワークピース・マニピュレータを 互いに望ましい配置方向へ持ち来し得るという点で一層簡単である。

本発明の方法を添付図面につき、以下に更に詳細に説明する。

第１図は本発明のロボット・セル組立体の概略図、第２図は第１図のロボット・ セルの諸量節の位置およびそれぞれの座標系を示し、 第３図は第１図のロボット・セル内に包含される制御システムをブロック図の形 式で示す。

本発明の方法は、ロボット・セルが、少なくとも５自由度のロボットｌと、少な くとも２自由度の回転テーブル２と、ロボットおよびテーブルを制御する制御ユ ニット３とにより形成されることを必要とする。制御ユニット３は、ロボットｌ および回転テーブル２の双方を同時に駆動することができる。回転テーブル２へ はワークピース（図示せず）が、またロボットｌへは必要な工具（図示せず）が 取り付けられる。主ロボット関節Ｊｌ。

Ｊ２．Ｊ３は回転関節または直線関節の何れでも良い。

リスト関節Ｊ４．Ｊ５．Ｊ６は、必要な場合、制御ユニット３が工具の配置方向 を変え得るよう、回転式でなければならない。関節ＪＴ、Ｊ８は、ロボットと相 対的なワークピースの配置方向を制御ユニット３が変え得るよう、回転形式でな ければならない。

回転テーブルの軸線の交点には直交座標系Ｔが、ロボットの締結ベースには直交 座標系Ｗが、そして工具の先端には直交座標系Ｐが位置している。座標系Ｔの配 置方向は、回転テーブルの軸線の関節角によって定められる。

経路の諸点を教示する場合には、各点Ｐおよび回転テープルの関節角Ｊ７．Ｊ８ における座標系ＷまたはＴと相対的な座標系、の位置か、各点につき制御ユニッ トの記憶装置内に記憶される。

同期化された運動を遂行する場合、経路計算は、座標系Ｗの代りに座標系Ｔと相 対的に行われる。制御ユニット３により、座標系Ｗから座標系Ｔへの、またその 逆の、必要な変換か遂行される。経路を最適化するために制御ユニット３は、運 動中、座標系Ｗと相対的な、予定された一定の配置方向を工具の２軸か備えるよ うに回転テーブルの諸関節を駆動する（例えば溶接の際は、工具の座標系のＺ軸 か下方、いわゆる下向き位置、を指向することが望ましい）。計算期間中、制御 ユニットにより、座標系Ｔと相対的な新しい経路点Ｐｉと、座漂系Ｔ内に位置す る点Ｐｉが最適位置（点Ｐｉ　２）となるような、回転テーブル２の関節角Ｊ７ ．Ｊ８に対する値と、 座標系Ｗと相対的な点Ｐｉ　２の位置（点Ｐｉ　３）と、点Ｐｉ　３の値を基礎 とする関節角ＪｌからＪ６と、角Ｊ１から角Ｊ８に対応するエンコーダＥｌから Ｅ８の位置の値と、 計算されたエンコーダ値へ各関節サーボＮＳＩからＮＳ８を励振させる指令とか 計算される。

各計算期間中に最適化か行われるので、教示された経路を反復する際、経路全体 にわたって最適位置を保持しなから非最適位置にある経路点を教示することか可 能である。

第１図には、本発明の経路最適化を実現させ得るシステムが示されている。この ロボットは、全ての関節が回転関節であるようにした、６自由度の関節機構であ る。

諸関節の回転軸線はＪｌ、Ｊ２からＪ６と表示されている。回転テーブル２には ２組の回転関節が含まれ、それらの軸線がＪ７（転回）およびＪ８（回転）と表 示されている。回転テーブルの諸軸線は互いに垂直であり、点Ａで交差している 。軸線Ｊ８は、座標系ＷＯＸ軸と平行である。各関節にはモータＭｌからＭ８が 含まれ、それらはそれぞれの関節サーボＮＳＩからＮＳ８を介して駆動すること ができる。関節の位置を読み取るため、モータには絶対エンコーダＥｌからＥ８ が含まれており、対応する関節サーボＮＳＩからＮＳ８へそこから信号が付与さ れる。ワークピースは回転テーブル２へ固定され、工具はロボットの工具フラン ジへ固定される。セルは、例えば溶接装置がロボットに備えられた場合には、ワ ークピースを溶接するために用いられる。

第２図には、第１図のシステムの単純化されたモデルか示されている。ロボット の座標系Ｗの方向は、Ｚ軸の方向か関節Ｊ１の方向となり、ｙ軸の方向が、関節 角Ｊｌが零の場合のＪ２の方向となり、Ｘ軸が前記諸軸に対し垂直となるように 選定される。座標系Ｗの原点は、軸線Ｊ１．Ｊ２の交点Ｂにある。回転テーブル の座標系ＴのＺ軸は方向Ｊ８（＝方向Ｊｌ）を指向し、Ｊ７゜Ｊ８か零の角をな す場合には、ｘｌｉｌｔが座標系ＷＯＸ軸の方向を指向する。座標系Ｔの原点は 、Ｊ７．Ｊ８の軸線の交点Ａにある。座標系Ｗと相対的な工具の座標系Ｐの位置 および配置方向はロボットの関節角Ｊ１からＪ６に依存し、工具の座標系の原点 は、工具の先端に置かれている。

第３図には、セルの制御システムか示されている。関節サーボＮＳＩからＮＳ８ は、ロボットｌおよび回転テーブル２の対応するモータＭｌからＭ８、ならびに エンコーダＥ１からＥ８へ接続されている。各関節サーボは、制御ユニット３か ら受信する命令に応答して、その関節を制御することができる。制御ユニットは 、例えば、所望のエンコーダの読みまで励振することを関節サーボに命令するこ ともできる。一つの点から別のそれへ進むべくロボットに教示する場合、教示さ れた諸点は、制御ユニット３の記憶装置７内に記憶される。座標系Ｗと相対的な 座標系Ｐの位置および回転テーブルの諸関節角Ｊ７゜Ｊ８は、各点で記憶される 。制御ユニット３　Ｊ、：、包含された計算装置８の機能は、回転テーブルの座 標系内の諸経路の補間点を計算し、回転テーブルによる所望の最適位置への配置 方向の変更を行い、最適化された点を座標系Ｗへ変換させ、点の位置に対応する 関節角ＪｌからＪ６を計算しくＪ７．Ｊ８の値は最適化段階で計算される）、計 算された位置へ関節サーボを導くことである。十分な経路精度を達成するために 、補間計算間隔は、数ｍｓでなければならない。

教示段階中、操作員は、回転テーブルの位置を変えないままに保つことができる 。点の教示は、手動制御４によりロボット１を、ワークピースに対する所望の配 置方向で所望の点まで進ませることにより生起する。点の位置および配置方向な らびに回転テーブルの関節角は、記憶装置内に記憶される。点の位置および配置 方向は座標系Ｗ１座標系Ｔについて、またはロボット関節角として記憶させるこ とができる。教示の機会における回転テーブルの関節角Ｊ７．Ｊ８は、記憶装置 内に記憶される。

こうして経路の全ての必要な諸点か教示される。

教示された経路（例えば点Ｐ１から点Ｐ２までの直線経路）を反復する場合には 、計算装置８が点ＰＩ、Ｐ２を座標系Ｗから座標系Ｔへ変換しなければならない 。記憶装置内に記憶された点は、変換行列 （ｎｘ　ｏｘ　ａｘ　ｐｘ） （ｎｙ　ｏｙ　ａｙ　Ｉ））’） Ｐｗ＝（ｎｚ　ｏｚ　ａｚ　ｐｚ） の形式に表現することができる。

ここにベクトル（ｐＸ、ｐ７．　ｐｚ）＝点の原点の位置ベクトル（ｎｘ、ｎｙ 、ｎｚ）　＝点Ｐｗにおける工具の座標系の Ｘ軸 ベクトル（ｏｘ、ｏｙ、ｏｚ）＝点Ｐｗにおける工具の座標系の ｙ軸 ベクトル（ａｘ、ａｙ、ａｚ、）　＝点Ｐｗにおける工具の座標系の Ｚ軸 点Ｐｗの座標系Ｗから座標系Ｔへの変換は、座標系Ｗにおける点Ｐｗに、座標系 Ｔの位置および配置方向を表示する変換行列Ｔの逆行列Ｔ′を乗することにより 生起行列Ｔは、座標系Ｗにおける座標系Ｔの原点の位置および回転テーブルの軸 線の関節角Ｊ７．Ｊ８が既知の場合に決定し易い。

（Ｃ８−３８０’ｐｘ） （Ｃ７”　Ｓ８　Ｃ７”　Ｃ８−３７ｐｙ）Ｔ＝（Ｓ７°３８　Ｓ７°Ｃ８Ｃ７ ｐｚ）（ＯＯＯ１） ここに　Ｃ７＝ｃｏｓ　（Ｊ７） Ｃ８＝ｃｏｓ　（Ｊ８） Ｓ７＝ｓｉｎ　（Ｊ７） Ｓ　８　＝ｓ＋ｎ　（Ｊ　８　） ベクトル（ｐｘ、ｐｙ、ｐｚ）＝座標系Ｗにおける座標系Ｔの 原点の位置 経路の点ＰＩ、Ｐ２か座標系Ｔにおいて既知の場合、座標系Ｔについて経路の補 間計算を行うことができる。

最適配置方向を実現するため、経路の各補間点Ｐｔｉについて補正値か計算され る。ワークピースは次のようにして最適配置方向へ持ち来される。

ベクトル（Ｔ”　Ｐｔｉ　ｚ　）が計算される。

（−−−−−−Ｃ８’　ａｘ　−Ｓ８　”　ａｙ　−）Ｔ　”　Ｐｔｉ　＝（・ −・・−Ｃ７”　Ｓ８°ａｘ十Ｃ７°Ｃ８°ａｙ−３７°ａｚ　・・・） （−・・・−Ｓ７”　Ｓ８°ａｘ＋　Ｓ７　”　Ｃ８°ａｙベクトル（Ｔ″Ｐｔ ｉ　ｚ　）は所望の最適配置方向Ｖに等しいことか示されており、従って条件 ｖｘ＝　Ｃ８”ａｘ　−Ｓ８°ａｙ ｖｙ＝　Ｃ７”　Ｓ８　ａｘ　＋　Ｃ７°Ｃ８°ａｙ　−Ｓ７　”　ａｚｖ　ｚ 　＝　３７”　Ｓ８°ａｘ十Ｓ７　”　Ｃ８”　ａｙ　＋Ｃ７”　ａｚ　−・・ が得られる。ここに、 単位ベクトル（ｖｘ、ｖｙ、ｖｚ）＝所望最適配置方向。

Ｊ７．Ｊ８の最適値は、Ｃ７＝ｃｏｓＪ７およびＣ３＝ｃｏｓＪ８であることを 想起すれば、この成畦から解くことができる。

補間点Ｐｔｉ　は、次のようにして、座標系Ｔから座標系Ｗへ変換される。

Ｐｗｉ＝　Ｔｏ　”　Ｐｔｉ Ｐｗｉ＝　座標系Ｗにおける経路の最適化された点Ｔｏ＝　最適化された配置方 向における座標系Ｔの変換行列 Ｐｔ１＝　座標系Ｔについての経路点 Ｐｗｉを基礎として、ロボットの関節角Ｊｌから５６を、最適点て計算すること ができる。制御ユニツト３は、関節角をエンコーダＥｌからＥ８の位置データに 転換させ、関節サーボＮＳＩからＮＳ８により諸関節を当該位置へ進ませる。

本発明の方法は、本発明の溶接への用途に関連する例示的な一実施例により上記 に説明されたに過ぎない。ロボットまたはワークピース・マニピュレータの何れ かに最適化または周辺条件の何れかが付与された、その他のロボット・セル用に も本発明の方法を応用し得ることを理解すべきである。上記の周辺条件は、ロボ ットまたはワークピース・マニピュレータの配置方向、それらの経路沿いにあり 得べき障害物、若干の関節の運動範囲における諸制約等に関わり得るものである 。

ＦＩ３．２ Ｆ旧、３

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも５自由度のロボット（１）と、少なくとも２自由度のワークピー ス・マニピュレータ（２）と、前記ロボットおよび前記ワークピース・マニピュ レータを同期的に制御する制御ユニット（３）とを含むロボット・セルの経路の 制御方法において、前記経路の主要な諸点での手動制御（４）により前記ロボッ ト（１）および前記マニピュレータ（２）が互いに望ましい位置へ持ち来され、 前記諸点での前記ロボット（１）および前記マニピュレータ（２）相互の配置方 向に関するデータが前記制御ユニット（３）内に記憶される制御方法にして、経 路最適化規準を前記制御ユニット（３）へ付加する段階と、 前記最適化規準ならびに前記ロボットおよび前記マニピュレータ相互の配置方向 に関するデータに基づき前記制御ユニット（３）により最適経路を計算する段階 とを含むことを特徴とする制御方法。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の方法において、前記ロボット（１）および前記マ ニピュレータ（２）相互の配置方向が前記ロボット（１）のベース（６）の座標 系（Ｗ）に関する前記ロボット（１）の工具グリッパ（５）の座標系（Ｐ）の位 置として、且つまたマニピュレータ関節（Ｊ７），（Ｊ８）の角位置として記憶 されることを特徴とする方法。
3. ３．請求の範囲第１項に記載の方法において、周囲に対する前記ロボット（１） または前記マニピュレータ（２）の配置方向が前記最適化規準に含まれることを 特徴とする方法。
4. ４．請求の範囲第１項に記載の方法において、前記マニピュレータの位置を変化 させずに前記ロボット（１）を制御することにより、前記ロボット（１）および 前記マニピュレータ（２）が互いに望ましい位置へ持ち来されることを特徴とす る方法。