JP2009279725A - ロボット制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】円弧経路を形成している教示点を修正する際に、手動操作に適した座標系を自動的に設定して操作を容易にする。
【解決手段】操作手段からの方向指示入力に従ってロボットに取り付けた作業ツールＴを移動させて円弧経路Ｋを形成する教示点Ａ〜Ｃを位置修正するロボット制御装置において、作業ツールＴの現在位置Ｄから円弧経路Ｋの中心軸線Ｋｒに対して垂線Ｓｖを下ろして垂線長Ｓｔおよび交点Ｓｐを算出するとともに、中心軸線Ｋｒの方向に基づいて決定される第１の座標軸Ｘｓおよび垂線Ｓｖの方向に基づいて決定される第２の座標軸Ｙｓを有する手動操作座標系Ｃｍを設定する。そして、操作手段からの方向指示入力に従って、作業ツールに、第１の座標軸方向Ｘｓへの移動、または第２の座標軸方向Ｙｓへの移動、または交点Ｓｐを中心とし垂線長Ｓｖを半径とする円弧経路方向への移動を行わせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、教示された円弧経路を修正するロボット制御装置に関するものである。

アーク溶接、スポット溶接等の加工作業をロボットで実現する場合、ティーチングプレイバックと呼ばれる方式が採用されることが一般的である。ティーチングプレイバック方式とは、予め決められた位置にワークを設置し、ロボットを可搬式の操作手段を用いて所望の位置まで手動操作で移動し、移動させた位置を教示点として記憶していくことで作業経路を教示し、教示したデータ（以下、教示データという。）を繰り返し再生動作させることで、同一品種のワークを連続して加工するという方法である。上記した作業経路としては、直線経路、円弧経路等、所望の経路を教示することが可能となっている（例えば、特許文献１、２参照）。

図４は、従来のアーク溶接ロボット装置の一般的なブロック図である。同図において、ロボットＲは、ワークＷを加工するための作業ツールとして手首部にアーク溶接トーチＴを備えている。ベース座標系Ｃｂは、Ｘ、ＹおよびＺの各座標軸方向を有したロボットＲに固有の直交座標系であり、ロボット制御装置ＲＣ内に定数として記憶されている。実際はロボットＲのベース部にその原点が配置されているが、説明の便宜上、図示する位置に具現化して表現している。

操作手段としてのティーチペンダントＴＰは、ワークＷに対するロボットＲの作業経路を作業者が教示するための装置であり、その盤面上には、ロボットＲを移動させるための方向指示部４が装備されている。方向指示部４は、ベース座標系Ｃｂの座標軸方向（±Ｘ、±Ｙ、±Ｚ）に対応した複数のボタンが装備されている。より具体的には、方向指示部４は、±Ｘの座標軸方向へ移動させるためのボタン４ｘ、±Ｙの座標軸方向へ移動させるためのボタン４ｙ、±Ｚの座標軸方向へ移動させるためボタン４ｚを備えている。

そして、各ボタンの押下によって、作業者はロボットＲを所望の位置に動かして、加工作業を行わせるための作業経路を教示する。そして、作業経路上の教示点におけるロボットＲの位置姿勢座標値が教示データとしてロボット制御装置ＲＣに記憶される。ロボット制御装置ＲＣは、教示データ及び図示しないエンコーダからの現在位置情報等に基づいて、ロボットＲの駆動モータを駆動制御して、アーク溶接トーチＴを教示点に移動させる。

図５は、教示時におけるロボットの移動方向と座標系の関係について説明するための図であり、図４の矢印Ｈの方向から見たイメージを示している。同図において、ロボットＲ、ワークＷおよびベース座標系Ｃｂは、図４と同符号を付与した同一のものであるので説明を省略する。また、説明の便宜上、軸方向のＸ＋とＹ＋を矢印で表現しており、その他の軸方向は省略している。円弧経路Ｋは、ワークＷを加工するために必要な経路の一部であり、教示点Ａ、教示点Ｂおよび教示点Ｃによって形成される。

作業者はロボットＲを所望の位置に移動させてその位置を教示し、作業経路の確認を行った後、必要があれば位置修正を行う。しかしながら、位置修正を行う際の各ボタンの操作は煩雑さを伴う。例えば、円弧経路Ｋを修正するために、現在位置である教示点Ｂから所望の修正位置である修正点Ｂ’にロボットＲを移動させる場合を想定する。教示点Ｂから修正点Ｂ’に向かう方向が、例えばベース座標系ＣｂのＸ＋方向に完全に一致していれば、作業者はボタン４ｘを＋側に操作するだけでよい。しかしながら、図示するようにベース座標系Ｃｂの座標軸方向と、動かしたい方向とは一致しないことがほとんどである。このような場合、作業者はボタン４ｘ、ボタン４ｙ等を組み合わせて操作することによってロボットＲを移動させる必要がある。ワークＷが大型であったり複雑であったりすると、ロボットＲを移動させるための操作は、より一層煩雑になる。

特許文献１には、円弧経路上の各教示点において溶接線座標系を設定する方法が開示されており、位置修正時はこの溶接線座標系を基準にして手動操作することによって操作の煩雑さを軽減できる可能性が示唆されている。しかしながら、特許文献１に開示されている溶接線座標系を基準として手動操作を行う場合、後述する課題を有している。

また、特許文献２には、直線経路上の教示点を基準にして非直交の溶接線座標系を定義することによって直線経路の位置修正操作を軽減できる方法が開示されているが、円弧経路の場合については何ら触れられていない。

特開昭６２−１９４５１３号公報 特許第３６６５３４４号公報

図６は、円弧経路上の教示点において溶接線座標系を設定したときの軸方向を説明するための図である。同図において、例えば教示点Ｂにおける溶接線座標系Ｃｗの原点および各座標軸の方向は、次の通りとなる。原点Ｗｏは教示点Ｂの位置と同一であり、座標軸Ｚｊの＋方向は円弧経路Ｋにおける接線方向であり、座標軸Ｘｊの＋方向は円弧経路Ｋを含む平面の法線方向（図面の奥から手前の方向）であり、座標軸Ｙｊの＋方向は座標軸Ｚｊと座標軸Ｘｊに垂直であって右手座標系に従う方向である。この座標軸Ｙｊの＋方向は、円弧経路Ｋの中心点Ｋｏから教示点Ｂに向かう方向と一致する。

アーク溶接トーチＴが教示点Ｂにある状態で上記溶接線座標系Ｃｗを設定して手動操作すれば、±Ｘｊ、±Ｙｊ、±Ｚｊの各方向へ簡単な操作でアーク溶接トーチＴを移動することができる。すなわち、教示点Ｂから移動させたい方向が、例えば円弧経路Ｋの中心点Ｋｏから離間する方向（＋Ｙｊ）、あるいは円弧経路Ｋの法線方向（＋Ｘｊ）と一致している場合等は、教示点Ｂで設定した溶接線座標系Ｃｗが非常に効果的となる。

しかしながら、アーク溶接トーチＴが教示点Ｂと教示点Ｃとの間の非教示点Ｄにあるときに溶接線座標系Ｃｗで手動操作する場合を想定する。溶接線座標系Ｃｗは教示点Ｂで設定した座標軸方向が変化しないため、非教示点Ｄにおける座標軸方向は、図示している±Ｘｊ、±Ｙｊ、±Ｚｊのままである。したがって、例えば、非教示点Ｄの位置を基端として円弧経路Ｋの中心点Ｋｏの方向（点線矢印方向）へ移動させる場合は、ボタン４ｘおよびボタン４ｙの組合せ操作が必要になる。すなわち、教示点以外の位置においては、溶接線座標系Ｃｗを基準にして手動操作しても、操作が煩雑になるという課題があった。

さらに、溶接線座標系Ｃｗを基準としてボタン４ｚを押下した場合は接線方向Ｚｊへの移動となるが、教示点を接線方向へ移動して位置修正する機会が少ないため、ボタン４ｚは使いづらいという課題もあった。

そこで、本発明は、円弧経路を形成している教示点を修正する際に、手動操作に適した座標系を自動的に設定し、操作を容易にすることができるロボット制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明は、
第１の方向指示部、第２の方向指示部および第３の方向指示部を有する操作手段からの指示入力に従ってロボットに取り付けた作業ツールを移動させて予め教示された円弧経路を位置修正するロボット制御装置において、
前記作業ツールの現在位置から前記円弧経路の中心軸線に対して垂線を下ろして垂線長および交点を算出するとともに、前記中心軸線の方向に基づいて決定される第１の座標軸および前記垂線の方向に基づいて決定される第２の座標軸を有する手動操作座標系を設定する座標系設定部と、
前記第１の方向指示部から指示入力されたときは前記作業ツールを前記第１の座標軸の方向へ移動させ、前記第２の方向指示部から指示入力されたときは前記作業ツールを前記第２の座標軸の方向へ移動させ、前記第３の方向指示部から指示入力されたときは前記作業ツールを前記交点を中心とし前記垂線長を半径とする円弧経路上を移動させる動作制御部と、
を備えたことを特徴とするロボット制御装置である。

第２の発明は、前記手動操作座標系は、前記指示入力が入力されたときまたは前記作業ツールが前記指示入力後に停止したときに算出されることを特徴とする第１の発明に記載のロボット制御装置である。

第１の発明によれば、円弧経路を形成している教示点と作業ツールの現在位置に基づいて手動操作に最適な座標系を設定するようにし、操作手段からの方向指示入力に従って、作業ツールを、円弧経路の法線方向への移動、円弧経路の中心に向かう方向への移動、円弧中心軸を回転中心とした回転移動のうちの少なくとも１つを行わせるようにしたことによって、円弧経路を教示修正する際の手動操作を容易にすることができる。

第２の発明によれば、手動操作座標系を、操作手段からの方向指示入力が入力されたとき、または作業ツールが方向指示入力後に移動停止したときに、自動的に設定するようにしている。すなわち、手動操作座標系を特別な操作を行うことなく自動的に設定できるようにしたことによって、第１の発明が奏する効果に加えて、作業工数を低減することができる。

以下、発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るロボット制御装置を適用したアーク溶接ロボット装置のブロック図である。同図に示すように、アーク溶接ロボット装置２０は、アーク溶接作業を行うロボットＲ、作業者が教示作業を行う際に用いる操作手段としてのティーチペンダントＴＰ、ロボットＲの動作制御を行うロボット制御装置ＲＣから大略構成される。

ティーチペンダントＴＰは、ワークＷに対するロボットＲの作業経路を作業者が教示するための装置である。その盤面上には、従来技術と同様にロボットＲを移動させるための方向指示部４が装備されている。方向指示部４は、図５で同符号を付与したものと同一である。すなわち、所定の座標系における各座標軸方向（±Ｘ、±Ｙ、±Ｚ）に対応した複数のボタンが装備されており、ボタン４ｘ、ボタン４ｙおよびボタン４ｚを備えている。ティーチペンダントＴＰにはまた、教示データＴｄが表示される表示部４１、教示データＴｄを入力するためのキーボード４２、ロボットＲを非常停止させるための図示しない非常停止スイッチ等を備えている。キーボード４２から入力された教示データＴｄは、図示しないインターフェース回路を介してロボット制御装置ＲＣに送信され、ハードディスク７に記憶される。ロボットＲの手首部先端には作業ツールとしてのアーク溶接トーチＴが取り付けられている。ロボット制御装置ＲＣは、入力された教示データＴｄに基づいてロボットＲを動作制御する。

ロボット制御装置ＲＣの各部について説明する。ＣＰＵ６は中央演算処理装置、ＲＡＭ５は一時的な計算領域、ハードディスク７は教示データＴｄ、後述する手動操作座標系Ｃｍ等を記憶するための不揮発性メモリである。教示処理部１は、ティーチペンダントＴＰから入力された教示データＴｄをハードディスク７に記憶する。表示処理部１１は、必要に応じて教示データＴｄ、手動操作の際に基準とする座標系等をティーチペンダントＴＰに表示する。

動作制御部２は、ティーチペンダントＴＰからの指示入力に応じて、ロボットＲを指定された方向に移動させるための位置指令信号を駆動制御部に出力する。駆動制御部３は、位置指令信号に基づいてロボットＲの各サーボモータを回転制御するためのサーボ制御信号を出力してロボットＲの各軸を駆動し、アーク溶接トーチＴの制御点を移動させる。

次に、手動操作座標系設定部８について説明する。手動操作座標系設定部８は、円弧経路を形成している教示点に基づいて以下の処理を行い、手動操作に適した座標系を（手動操作座標系Ｃｍ）を自動的に設定する。

図２は、手動操作座標系を説明するための図である。同図において、教示点Ａ、教示点Ｂおよび教示点Ｃによって円弧経路Ｋが形成されている。そして、円弧経路Ｋを修正するための位置修正モードが選択されており、アーク溶接トーチＴの制御点が、非教示点Ｄに位置しているものとする。この状態で方向指示部４から指示入力が行われると、ロボットＲの各軸を駆動する前に、手動操作座標系設定部８が次の処理を行って手動操作座標系Ｃｍを設定する。

まず、円弧経路Ｋを形成する３点の教示点Ａ、教示点Ｂおよび教示点Ｃに基づいて、円弧経路Ｋの中心軸線Ｋｒを算出する。続いて、アーク溶接トーチＴの現在位置である非教示点Ｄから中心軸線Ｋｒに対して垂線を下ろして垂線方向Ｓｖ、垂線長Ｓｔおよび交点Ｓｐを算出する。

そして、非教示点Ｄを原点として、中心軸線Ｋｒの方向に一致する座標軸Ｘｓ（第１の座標軸）を決定する。また、垂線方向Ｓｖに基づいて座標軸Ｙｓ（第２の座標軸）を決定する。このとき、座標軸Ｘｓと座標軸Ｙｓとに直交する軸を座標軸Ｚｓとして決定しても良い。

以上のようにして、少なくとも座標軸Ｘｓおよび座標軸Ｙｓを有する手動操作座標系Ｃｍを設定して、ハードディスク７に記憶する。ハードディスク７の代わりにＲＡＭ５に記憶してもよい。

上記に続いて、動作制御部２は、方向指示部４からの方向指示入力に応じて前記作業ツールを移動させるために次の処理を行う。

図３は、手動操作座標系で手動操作した場合の移動方向を説明するための図である。同図に示すように、ボタン４ｘから指示入力されているときはアーク溶接トーチＴを現在位置から座標軸Ｘｓの方向に移動させる。ボタン４ｙから指示入力されているときはアーク溶接トーチＴを現在位置から座標軸Ｙｓの方向に移動させる。

そして、ボタン４ｚから指示入力されているときは、アーク溶接トーチＴを現在位置から、中心軸線Ｋｒ上の交点Ｓｐを中心とし垂線長Ｓｔを半径とする円弧経路方向Ｋｓへ移動させる。より具体的には、ボタン４ｚが押下されている間、移動目標位置（次の制御周期での移動目標位置）を以下の式によって刻々と算出して位置指令信号を駆動制御部３に出力する。

移動目標位置をＱｎ、交点をＳｐ、中心軸線ＫｒのベクトルをＫｒｖ、手動操作時の移動速度をＭｓ、制御周期をＤｔ、垂線長ＳｔのベクトルをＳｔｖとすると、
移動目標位置Ｑｎ＝Ｓｐ＋Ｒｏｔ（Ｋｒｖ，Ｍｓ・Ｄｔ／Ｓｔｖ）・Ｓｔｖ

なお、上記では、手動操作座標系Ｃｍを、方向指示部４からの指示入力が行われたタイミングで設定したが、方向指示部４からの指示入力を受けてアーク溶接トーチＴを移動して停止した後に設定するようにしてもよい。

上述したように、円弧経路を形成している教示点と作業ツールの現在位置に基づいて、手動操作に最適な座標系を設定するようにしている。そして、方向指示入力に従って、作業ツールを、円弧経路の法線方向への移動、円弧経路の中心に向かう方向への移動、円弧中心軸を回転中心とした回転移動のうちの少なくとも１つを行わせるようにしたことによって、円弧経路を教示修正する際の手動操作を容易にすることができる。

また、手動操作座標系を、操作手段からの方向指示入力が入力されたとき、または作業ツールが方向指示入力後に移動停止したときに、自動的に設定するようにしている。すなわち、手動操作座標系を特別な操作を行うことなく自動的に設定できるようにしたことによって、上記効果に加えて、作業工数を低減することができる。

本発明に係るロボット制御装置を適用したアーク溶接ロボット装置のブロック図である。 手動操作座標系を説明するための図である。 手動操作座標系で手動操作した場合の移動方向を説明するための図である。 従来のアーク溶接ロボット装置の一般的なブロック図である。 教示時におけるロボットの移動方向と座標系の関係について説明するための図である。 円弧経路上の教示点において溶接線座標系を設定したときの軸方向を説明するための図である。

符号の説明

Ａ 教示点
Ｂ 教示点
Ｂ’ 修正点
Ｃ 教示点
Ｃｂ ベース座標系
Ｃｍ 手動操作座標系
Ｃｗ 溶接線座標系
Ｄ 非教示点
Ｈ 矢印
Ｋ 円弧経路
Ｋｏ 中心点
Ｋｒ 中心軸線
Ｋｓ 円弧経路方向
Ｑｎ 移動目標位置
Ｒ ロボット
ＲＣ ロボット制御装置
Ｓｐ 交点
Ｓｔ 垂線長
Ｓｖ 垂線方向
Ｔ アーク溶接トーチ
Ｔｄ 教示データ
ＴＰ ティーチペンダント
Ｗ ワーク
Ｗｏ 原点
Ｘｊ 座標軸（溶接線座標系）
Ｘｓ 座標軸（手動操作座標系）
Ｙｊ 座標軸（溶接線座標系）
Ｙｓ 座標軸（手動操作座標系）
Ｚｊ 座標軸（溶接線座標系）
Ｚｓ 座標軸（手動操作座標系）
１ 教示処理部
２ 動作制御部
３ 駆動制御部
４ 方向指示部
４ｘ ボタン
４ｙ ボタン
４ｚ ボタン
５ ＲＡＭ
６ ＣＰＵ
７ ハードディスク
８ 手動操作座標系設定部
１１ 表示処理部
２０ アーク溶接ロボット装置
４１ 表示部
４２ キーボード

Claims (2)

1. 第１の方向指示部、第２の方向指示部および第３の方向指示部を有する操作手段からの指示入力に従ってロボットに取り付けた作業ツールを移動させて予め教示された円弧経路を位置修正するロボット制御装置において、
   前記作業ツールの現在位置から前記円弧経路の中心軸線に対して垂線を下ろして垂線長および交点を算出するとともに、前記中心軸線の方向に基づいて決定される第１の座標軸および前記垂線の方向に基づいて決定される第２の座標軸を有する手動操作座標系を設定する座標系設定部と、
   前記第１の方向指示部から指示入力されたときは前記作業ツールを前記第１の座標軸の方向へ移動させ、前記第２の方向指示部から指示入力されたときは前記作業ツールを前記第２の座標軸の方向へ移動させ、前記第３の方向指示部から指示入力されたときは前記作業ツールを前記交点を中心とし前記垂線長を半径とする円弧経路上を移動させる動作制御部と、
   を備えたことを特徴とするロボット制御装置。
2. 前記手動操作座標系は、前記指示入力がなされたときまたは前記作業ツールが前記指示入力後に停止したときに算出されることを特徴とする請求項１記載のロボット制御装置。

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