JP2006346827A - ロボットの教示システム - Google Patents

Abstract

【課題】 多関節型ロボットの教示を、低コストな手段でより簡単に行うことができる教示システムを提供する。
【解決手段】 ロボット２が有するアーム７〜１２に夫々対応する教示用のアーム１５〜２０を有する操作部３を備え、作業者が、教示用アームの先端を変位させてロボット２に対する教示作業を行なう。その際、操作部３のアーム１５〜２０の変位量に応じてロボット２のアーム７〜１２が連動し、アーム２０先端の操作盤２８にある液晶パネルにはアーム１２先端のビデオカメラ１３で撮像された画像が表示される。作業者が教示用アーム１５〜２０を変位させると、各関節Ｊ１〜Ｊ６のエンコーダ及びヨーレートセンサが夫々の変位量に応じた検出信号を出力し、パソコン４が座標変換処理を行ない教示用データを生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アームの先端にビデオカメラが取付けられる多関節型のロボットと、このロボットが有する関節の数以上の自由度を有する教示用アームを備える教示補助装置とで構成されるロボットの教示システムに関する。

従来、多関節型のロボットに対してアームの動作地点教示を行なう際には、ティーチングペンダントに配置されるボタンを操作したり、或いは、ジョイスティックのような操作子をいくつか組み合わせて操作したり、６次元マウスと称される３Ｄ＿ＣＡＤ用のマウスなどが用いられている。例えば、特許文献１には、上記のような従来技術の一例が記載されている。
特開平１１−２８８３１０号公報

しかしながら、上記のような操作系では、人間が３次元空間において動作地点を教示するには、直感的な把握が困難であるという問題がある。また、仮想現実を用いる技術を転用して、仮想現実空間内における操作結果をロボットの教示に利用することも想定されるが、設備が大掛かりとなるためコスト的に引き合わず、現状での実現性は極めて乏しい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、多関節型ロボットの教示を、低コストな手段でより簡単に行うことができる教示システムを提供することにある。

請求項１記載のロボットの教示システムによれば、ロボットが有する関節の数以上の自由度を有する教示用アームを備える教示補助装置を用意し、作業者が、教示用アームの先端を変位させることでロボットに対する教示を行なう。従って、仮想現実技術のような高コストの手段を用いずとも、作業者は、ロボットの教示を極めて直感的に行うことができる。また、その教示作業の際には、教示用アームの変位量に応じてロボットのアームが連動するようになっており、教示用アームの先端に取付けられている表示パネルには、ロボットアーム先端のビデオカメラによって撮像された画像が表示される。従って、例えばロボットと教示補助装置の設置箇所が離れている場合でも、作業者は、表示パネルの画像を見てロボット側の状態を確認しながら教示作業を行なうことができる。

請求項２記載のロボットの教示システムによれば、作業者が教示作業を行う場合、教示補助装置は、作業者が教示用アームを変位させると、各関節機構に配置されている変位量センサが夫々の変位量に応じた検出信号を出力し、それらの検出信号及び教示用アームの各関節間距離とロボットアームの構造データとに基づいて座標変換処理を行ない、ロボットに付与する教示用データを生成する。従って、作業者が教示用アームを変位させた通りにロボットを動作させる教示用データを得ることができる。

請求項３記載のロボットの教示システムによれば、教示補助装置は、表示パネルに、教示処理の際に入力操作を行うための操作スイッチを備えるので、作業者は、表示パネルを把持して教示用アームの先端を所定位置まで変位させた後、教示ポイントを確定するための入力操作などを表示パネルに配置された操作スイッチによって行うことができる。従って、教示作業の作業性をより向上させることができる。

請求項４記載のロボットの教示システムによれば、教示補助装置は、表示パネルにビデオカメラのズーム調整及び／又はフォーカス調整を行なうための操作スイッチを備えるので、ロボットアームの先端に配置されているビデオカメラの調整も表示パネルで行うことができ、作業性を一層向上させることができる。

請求項５記載のロボットの教示システムによれば、教示補助装置は、表示パネルに、ロボットアームを連動させるロボット動作モードと走行部を連動させる走行部動作モードとを切り替えるためのモード切替スイッチを備えるので、作業者は、教示作業を行う場合に必要に応じて動作モードを切り替え、教示用アームの変位に応じてロボットアームを連動させたり走行部を連動させたりできる。

請求項６記載のロボットの教示システムによれば、教示補助装置は、ロボット動作モードに切り替えられている場合でも、走行部の走行動作を独立して制御するための走行部制御スイッチを表示パネルに備えているので、ロボット動作モード中であっても、必要に応じて走行部の走行動作を独立して制御することができる。

（第１実施例）
以下、本発明を垂直多関節型の６軸アームを有するロボットに適用した場合の一実施例について図１乃至図６を参照して説明する。図１は、ロボットの教示システムの構成を示す図である。教示システム１は、ティーチングの対象であるロボット２と、ティーチング操作を行うための操作部（教示補助装置）３と、両者間において相互に伝達される指令やデータ等のインターフェイスとして機能すると共に、ロボット２のコントローラとしても機能するパーソナルコンピュータ（パソコン:ＰＣ, 教示補助装置）４を中心として構成される。

ロボット２は、自律走行可能な台車部（走行部）５にベース６が載置固定されており、そのベース６上に、第１〜第６アーム７〜１２（ロボットアーム）を、第１〜第６関節を介して順に連結して構成されている。この場合、第１〜第６の各関節（各軸）は、全て回転機構で構成されている。具体的には、ベース６上には、第１アーム７が、垂直方向の回転軸Ｊ１を有する第１関節により回動（旋回）可能に設けられ、その第１アーム７の先端には、第２アーム８が、水平方向の回転軸Ｊ２を有する第２関節により回動可能に設けられ、その第２アーム８の先端に、第３アーム９が、水平方向の回転軸Ｊ３を有する第３関節により回動可能に設けられている。

さらに、その第３アーム９の先端面部に、第４アーム１０が、回転軸Ｊ４を有する第４関節により同軸回転可能に設けられ、第４アーム１０の先端には、第５アーム１１が、回転軸Ｊ５を有する第５関節により回転可能に設けられ、第５アーム１１の先端面に第６アーム１２が、回転軸Ｊ６を有する第６関節により同軸回転可能に設けられて構成されている。
そして、前記第６アーム１２の先端（手先）のエンドエフェクタ取付面（メカニカルインタフェース）には、図示しないハンド等のエンドエフェクタが着脱（交換）自在に取付けられるようになっている。また、上記したロボット２の各アーム７〜１２（第１〜第６関節）は、エンコーダ付きのサーボモータ４０（１〜６）（図４参照）によりそれぞれ駆動されるようになっており、それら各サーボモータ４０は、パソコン４によりフィードバック制御されるようになっている。

パソコン４は、各エンコーダの出力から各モータ（出力軸）の現在位置（各軸毎に設定された原点からの回転角度θ1 〜θ6 ）を得、エンドエフェクタ取付面のポーズ（位置及び姿勢）を算出するようになっている。斯様にして、パソコン４は、作業プログラムに従い、作業位置データに基づいてロボット２を制御することで、例えば部品の組立作業等を自動的に実行させるようになっている。
また、第６アーム１２の側方にはビデオカメラ１３が取付けられており、ビデオカメラ１３は、エンドエフェクタ取付面と同じ方向を向いて画像を撮像するようになっている。そして、その画像信号は操作部３側に送信されるようになっている。

一方、図２は、操作部３の具体的構成を示すものである。操作部３は、基本的にロボット２の各アーム７〜１２（第１〜第６関節）を模して構成されたティーチング用のアーム１５〜２０（教示用アーム）を備えるものであり、基底部にキャスタやストッパ等を有するベース１４上に、第１アーム１５〜第６アーム２０が、各回転軸Ｊ１〜Ｊ６を有する第１~第６関節により回動（旋回）可能に設けられている。但し、操作部３は各関節部にアクチュエータを備えておらず、それに替えて、重力が作用するアームを支持する関節部には、重力に抗して姿勢を保持するための回動規制機構を備えている。

具体的には、第１アーム１５の第２関節付近と、第２アーム１６の途中部位との間は、ダンパ２１により連結されており、また、第２アーム１６の途中部位と第３アーム１７の途中部位との間もダンパ２２により連結されている。更に、第２アーム１６の上端となる第３関節には、トルクコントローラ２３が配置されており、第２アーム１６の下端からは、第３アーム１７が配置される側と反対側の斜め上方に延びるようにして、カウンタウエイト２４が配置されている。また、回転軸Ｊ１〜Ｊ３には、各軸の回動変位量を検出するためのロータリエンコーダ（変位量センサ）２５〜２７が夫々配置されている。
更に、第６アーム２０の先端面であり、ロボット２のエンドエフェクタ取付面に対応する部位には、操作盤（表示パネル）２８が取付けられている。図３は、操作盤２８の正面図である。操作盤２８の中央には液晶モニタ２９が配置されており、この液晶モニタ２９には、ロボット２側に配置されているビデオカメラ１３によって撮像された画像が表示されるようになっている。

液晶モニタ２９の図３中右側には、表示用のＬＥＤ３０と、ティーチングデータを記録するためなどに使用されるモーメンタリスイッチ３１が配置されている。また、操作盤２８の上端側左右には回転式のダイアル３２，３３が配置されており、これらのダイアル３２，３３を回転させることで、ロボット２側のビデオカメラ１３のフォーカス，ズームの調整を行うことが可能となっている。そして、ダイアル３２，３３の間には、スライド式のスイッチ３４〜３６、非常停止ボタン３７などが配置されている。

カメラモード切替えスイッチ３４は、ビデオカメラ１３の操作モードを、ロボット２のエンドエフェクタと同一方向となる視線で操作するＣＣＤモードと、ロボットアームを変異させた場合でも視線を撮像対象（ターゲット）に固定させるように操作するターゲットモードとに切り替えるためのスイッチである。また、走行軸協調切替えスイッチ３５は、ロボット２が台車部５の走行軸に沿って移動する際に、走行軸協調動作を行うか否かを切り替えるスイッチである。
また、連動モード切替えスイッチ３６は、後述するように操作部３を変位させた場合に、その変位量に応じてロボット２を連動させるか、台車部５を連動させるかを切り替えるスイッチである。そして、非常停止ボタン３７は、ロボット２の動作を非常停止させる際に使用する。更に、操作盤２８には、デッドマンスイッチ３８も備えている。また、操作盤２８は、３軸ヨーレートセンサ３９（図２，図４参照）を内蔵しており、作業者が操作盤２８をＪ４〜Ｊ６の３軸について変位させた場合の変位量をヨーレートセンサ（変位量センサ）３９により検出し、姿勢角信号として出力するようになっている。

図４は、教示システム１における操作部３とロボット２との間で伝送される信号のインターフェイスを示すブロック図である。操作部３からは、エンコーダ２５〜２７から第１〜第３軸の回転角信号とヨーレートセンサ３９からの操作盤２８の姿勢角信号とが、パソコン４に出力される。パソコン４では、それらの各信号を信号入力部４１で受けると、演算部４２が、ロボット関節動作変換部（プログラムモジュール）４３によりロボット２側の機構データ等に応じて座標変換処理等を行い、ロボット２側の各関節Ｊ１〜Ｊ６の変位量を演算する。そして、その演算結果は各軸毎の駆動指令として、信号出力部４４を介してロボット２側に出力される。
また、演算部４２は、連動モード切替えスイッチ３６が台車部５を連動させるように設定されている場合は、信号入力部４１を介して入力された各信号を台車走行動作変換部５１によって台車部５を４軸駆動するための信号に変換する。そして、その駆動信号は、ドライバ（４軸）５２を介して台車走行用モータ５３（４軸）に出力される。

ロボット２では、パソコン４より出力された各軸の駆動指令を、ドライバ４５（１〜６）を介して各軸モータ４０（１〜６）に出力する。尚、図４では図示しないが、各軸モータ４０に配置されているエンコーダの検出信号は、パソコン４側にフィードバックされるようになっている。また、ビデオカメラ１３から操作盤２８に対しては画像信号が出力され、操作盤２８からビデオカメラ１３に対しては、ズーム，フォーカスの調整制御信号が出力される。更に、操作盤２８からパソコン４に対しては、ティーチング動作時において教示ポイントを確定するためのデータ記録用スイッチ３１の操作信号も出力されるようになっている。

次に、本実施例の作用について図５及び図６も参照して説明する。図５は、操作部３によりロボット２のティーチングを行う場合の手順を示すフローチャートである。先ず、ロボット２に例えば組立作業などをさせる場合の動作プログラムを予め作成する（ステップＳ１）。次に、ロボット２を起動して（ステップＳ２）、操作部３によりティーチングを行う。尚、操作盤２８のカメラモード切替えスイッチ３４はＣＣＤモード側に、連動モード切替えスイッチ３６はロボット連動モード側に設定しておく（台車部５を連動させる場合については、第２実施例で説明する）。
この時、作業者は、操作盤２８を把持し、液晶パネル２９に表示されるビデオカメラ１３の画像を見ながら、ロボット２のアーム先端を移動させたい方向に操作盤２８を移動させる（ステップＳ３）。すると、それに伴い、操作部３の各軸が変位してエンコーダ２５〜２７及びヨーレートセンサ３９より回転角信号及び姿勢角信号が出力され、パソコン４において演算処理が行われ、ロボット２に駆動指令が出力される。従って、ロボット２のアーム先端は、操作盤２８が移動した方向に応じて移動する。

そして、作業者は、ロット２のアーム先端，操作盤２８を所定の教示ポイントまで移動させたことを確認すると、操作盤２８のスイッチ３１をオン操作する。すると、パソコン４側で、その教示ポイントの座標データがステップＳ１で作成された動作プログラムに取り込まれる（ステップＳ４）。尚、図６には、上記のようにティーチングを行う場合のイメージを示す。例えば、操作盤２８を図６中の左方、この場合、作業者が操作盤２８の正面に相対するとしてその後方側に移動させると、それに応じて、ロボット２のアーム先端は正面方向（図６中の矢印方向）に移動するようになる。この時、ロボット２のアーム先端にあるビデオカメラ１３は捉えている撮像対象に接近するため、操作盤２８の液晶パネル２９に表示される画像は、操作盤２８が後方側に移動するのに応じて撮像対象がより大きく映し出されるようになる。以上の処理を、必要なだけ繰り返すことでロボット２のティーチングを行うようにする。

即ち、本実施例によれば、ロボット２が有するアーム７〜１２に夫々対応する教示用のアーム１５〜２０を有する操作部３を備え、作業者が、教示用アーム１５〜２０の先端を変位させることでロボット２に対する教示作業を行なうようにしたので、仮想現実技術のような高コストの手段を用いずとも、作業者は、ロボット２の教示を極めて直感的に行うことができる。そして、その教示作業の際には、操作部３のアーム１５〜２０の変位量に応じてロボット２のアーム７〜１２が連動し、アーム２０の先端に取付けられている操作盤２８の液晶パネル２９には、ロボットアーム１２先端のビデオカメラ１３によって撮像された画像が表示されるので、ロボット２と操作部３の設置箇所が離れている場合でも、作業者は、表示パネル２９の画像を見てロボット２側の状態を確認しながら教示作業を行なうことができる。

そしてまた、教示作業を行う場合、作業者が教示用のアーム１５〜２０を変位させると、各関節Ｊ１〜Ｊ６に配置されているエンコーダ２５〜２７及びヨーレートセンサ３９が夫々の変位量に応じた検出信号を出力し、パソコン４がそれらの検出信号及び教示用アームの各関節間距離とロボット２側の構造データとに基づいて座標変換処理を行ない、ロボット２に付与する教示用データを生成する。従って、作業者が教示用アーム１５〜２０を変位させた通りにロボット２を動作させる教示用データを得ることができる。

更に、操作盤２８に、教示処理の際に入力操作を行うための操作スイッチ３１等を備えるので、作業者は、操作盤２８を把持して教示用アーム２０の先端を所定位置まで変位させた後、教示ポイントを確定するための入力操作などをスイッチ３２を操作して行うことができ、教示作業の作業性をより向上させることができる。
加えて、操作盤２８に、ビデオカメラ１３のズーム調整及びフォーカス調整を行なうための操作スイッチ３２,３３を備えるので、ロボット２のアーム１２の先端に配置されているビデオカメラ１３の調整も操作盤２８で行うことができ、作業性を一層向上させることができる。

（第２実施例）
図７及び図８は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第２実施例は、第１実施例の構成において、作業者が操作盤２８を操作することで台車部５を連動させる場合について説明する。尚、具体的には図示しないが、台車部５は、周知構成のように、対角２輪が駆動輪であり、他の対角２輪が補助輪となっており、前者を４軸駆動することで操舵が行われるようになっている。

図７のフローチャートにおいて、パソコン４は、操作盤２８の連動モード切替えスイッチ３６が、ロボット２側，台車部５側の何れに設定されているかを判断する（ステップＳ１１）。そして、スイッチ３６が台車部５側に設定されていると（「ＹＥＳ」）、ヨーレートセンサ３９より姿勢角信号を取得し（ステップＳ１２）、その姿勢角信号に応じて、台車走行動作変換部５１により４軸駆動信号を生成し、台車部５に出力する（ステップＳ１３）。すると、それらの駆動信号によって、台車走行用モータ５３（１〜４）が駆動される。

図８は、操作盤２８の操作方向に応じて台車部５を走行させる場合の一例を示すものである。即ち、（ａ）に示すように、操作盤２８の上端を奥行き側に傾斜させた場合は台車部５を前進させ、操作盤２８の上端を手前側に傾斜させた場合は台車部５を後進させる。また、（ｂ）に示すように、操作盤２８の左端を奥行き側に傾斜させた場合は台車部５を右方向に旋回させ、操作盤２８の右端を奥行き側に傾斜させた場合は台車部５を左方向に旋回させる。

また、図７のステップＳ１１において、スイッチ３６がロボット２側に設定されている場合は（「ＮＯ」）、第１実施例と同様にティーチング処理を行なうことになる（ステップＳ１４）。しかし、ロボット２のティーチング処理中であっても、操作盤２８のダイアル（走行部制御スイッチ）３２，３３が操作された場合は（ステップＳ１５，「ＹＥＳ」）ステップＳ１３に移行し、その回動操作に応じて４軸駆動信号を生成し、台車部５に出力する。例えば、ダイアル３２を前，後に回動させると台車部５を前進，後進させ、ダイアル３３を前，後に回動させると台車部５を右旋回，左旋回させるようにする。
更に、例えば操作盤２８自体を左右方向に移動させたことをエンコーダ２５の出力信号によって検出した場合には、それに応じて台車部５を左右方向に横行させるようにしても良い。

以上のように第２実施例によれば、操作盤２８に、ロボットアーム７〜１２を連動させるロボット動作モードと台車部５を連動させる台車部動作モードとを切り替えるためのモード切替スイッチ３６を備えるので、作業者は、教示作業を行う場合に必要に応じて動作モードを切り替え、教示用アーム１５〜２０の変位に応じてロボットアーム７〜１２を連動させたり台車部５を連動させたりできる。また、ロボット動作モードに切り替えられている場合でも、ダイアル３２,３３を操作すれば、必要に応じて台車部５の走行動作を独立して制御することができる。

本発明は上記しかつ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
ロボットは、６軸構成に限ることなく、５軸以下、７軸以上の構成であっても良い。
ダイヤル３２，３３でビデオカメラ１３のズーム，フォーカスを調整する構成は、何れも必要に応じて設ければ良い。
操作盤２８に配置されている各スイッチは、必ずしも操作盤２８に配置する必要はなく、別の構成部分に配置しても良い。例えば、教示ポイントを確定するためのスイッチは、足で操作可能なフットスイッチとして構成しても良い。
操作盤２８を変位させることで台車部５を連動させる構成は、必要に応じて設ければ良い。
ヨーレートセンサ３９に替えて、３軸分のエンコーダを用いても良い。
パソコン４は、少なくとも教示データを生成する装置としてのみ機能すれば良く、教示データに応じてロボット２を通常制御するためのコントローラは、パソコン４と別に構成しても良い。例えば、台車部５の内部にコントローラが配置されていても良い。
また、台車部５も必要に応じて設ければ良い。
また、パソコン４に教示補助装置としてのみ機能する専用の装置で構成しても良い。

本発明を６軸アームを有するロボットに適用した場合の一実施例であり、ロボットの教示システムの構成を示す図 操作部の具体的構成を示す図 操作盤の正面図 操作部とロボットとの間で伝送される信号のインターフェイスを示すブロック図 操作部によりロボットのティーチングを行う場合の手順を示すフローチャート ティーチングを行う場合のイメージを示す図 本発明の第２実施例を示す制御内容のフローチャート 操作盤の操作方向に応じて台車部を走行させる場合の一例であり、（ａ）は操作盤の側面図、（ｂ）は操作盤の正面図

符号の説明

図面中、１は教示システム、２はロボット、３は操作部（教示補助装置）、４はパーソナルコンピュータ（教示補助装置）、５は台車部（走行部）、７〜１２は第１〜第６アーム（ロボットアーム）、１３はビデオカメラ、１５〜２０は教示用アーム、２５〜２７はロータリエンコーダ（変位量センサ）、２８は操作盤（表示パネル）、２９は液晶モニタ、３１はモーメンタリスイッチ、３２，３３はダイアル（走行部制御スイッチ）、３４はカメラモード切替えスイッチ、３５は走行軸協調切替えスイッチ、３６は連動モード切替えスイッチ、３９はヨーレートセンサ（変位量センサ）を示す。

Claims (6)

1. アームの先端にビデオカメラが取付けられる多関節型のロボットと、
   このロボットが有する関節の数以上の自由度を有する教示用アームを備え、その教示用アームの先端に表示パネルが取付けられる教示補助装置とで構成され、
   作業者が、前記教示用アームの先端を変位させることで前記ロボットに対する教示処理を行なうと共に、その変位量に応じて前記ロボットのアームが連動し、
   前記表示パネルには、前記ビデオカメラによって撮像された画像が表示されることを特徴とするロボットの教示システム。
2. 前記教示補助装置は、
   前記教示用アームを構成する各関節機構に、夫々の変位量に応じた検出信号を出力する変位量センサを備え、
   前記複数の変位量センサより出力される検出信号及び前記教示用アームの各関節間距離と前記ロボットアームの構造データとに基づいて座標変換処理を行ない、前記ロボットに付与する教示用データを生成することを特徴とする請求項１記載のロボットの教示システム。
3. 前記教示補助装置は、前記表示パネルに、前記教示処理の際に入力操作を行うための操作スイッチを備えることを特徴とする請求項１又は２記載のロボットの教示システム。
4. 前記教示補助装置は、前記表示パネルに、前記ビデオカメラのズーム調整及び／又はフォーカス調整を行なうための操作スイッチを備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のロボットの教示システム。
5. 前記ロボットは、自律走行可能な走行部に載置されており、
   前記走行部も、前記教示用アームの変位量に連動して走行動作が可能に構成され、
   前記教示補助装置は、前記表示パネルに、前記ロボットアームを連動させるロボット動作モードと、前記走行部を連動させる走行部動作モードとを切り替えるためのモード切替スイッチを備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のロボットの教示システム。
6. 前記教示補助装置は、前記ロボット動作モードに切り替えられている場合でも、前記走行部の走行動作を独立して制御するための走行部制御スイッチを、前記表示パネルに備えていることを特徴とする請求項５記載のロボットの教示システム。
   
   

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