JP2915979B2 - Position and rotation angle detecting device, pointing device thereof, and robot operation teaching device using the same - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、動作の位置及び回転角度を解析するための
検出装置及びそれに用いる指示具に関し、特に、ロボッ
トの動作教示に適した位置及び回転角検出装置、その指
示具等に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a detection device for analyzing a position and a rotation angle of an operation and an indicating tool used for the detection device, and in particular, a position and a rotation suitable for teaching an operation of a robot. The present invention relates to an angle detection device, a pointing device thereof, and the like.

［従来の技術］ 従来、ロボットへその動作を教示するための教示方法
としては、例えば、特開昭59-37082号公報などに示され
る様に、略相似形のいわゆる操作アームを人間が操作す
ることによってその位置や回転角等を入力する方式が一
般的に行われている。[Prior Art] Conventionally, as a teaching method for teaching the operation of a robot, for example, as shown in JP-A-59-37082, a so-called operation arm having a substantially similar shape is operated by a human. Accordingly, a method of inputting the position, the rotation angle, and the like is generally performed.

また、例えば特開昭60-60502号公報によれば、CADシ
ステムにおける三次元位置入力を容易にするための装置
として、発光体を装着したペンを用い、複数の（２個）
のTVカメラによってこのペンの三次元における位置座標
を求める三次元位置指定装置が提案されている。According to, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-60502, as a device for facilitating three-dimensional position input in a CAD system, a pen equipped with a light-emitting body is used.
There has been proposed a three-dimensional position specifying device that obtains the three-dimensional position coordinates of the pen using a TV camera.

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の従来技術において、特に前者で
は、ロボットの動作の複数個の教示点を上記の入力アー
ムを動かしながら各々人手で行わねばならず、教示作業
に非常な手間が掛かるという問題点があった。また、後
者の位置指定装置では、ペンの発光体に対する一点の三
次元位置座標を求めることは可能ではあるが、ロボット
に動作を教示する為には、さらに細かな位置情報、例え
ばペンの回転角やペン自体の回転角度等が必要とされる
ため、これをロボットの動作教示装置として使用するこ
とは困難であった。[Problems to be Solved by the Invention] However, in the above-mentioned conventional technology, in particular, in the former, a plurality of teaching points of the operation of the robot must be manually performed while moving the input arm, so that the teaching operation is extremely difficult. There is a problem that it takes time and effort. Further, with the latter position specifying device, it is possible to obtain the three-dimensional position coordinates of one point with respect to the light-emitting body of the pen, but in order to teach the operation of the robot, more detailed positional information, for example, It is difficult to use this as a motion teaching device for a robot, because it requires the rotation angle of the pen and the pen itself.

そこで、本発明では、上記の従来技術における問題点
に鑑み、まず、位置及び回転角に加え、更に、それ自体
の回転角度をも含む詳細かつ微細な情報を簡単かつ迅速
に入力することが可能な位置及び回転角検出装置に用い
るための位置及び回転角検出用指示具を提供することを
その目的とする。Therefore, in the present invention, in view of the above-mentioned problems in the prior art, it is possible to easily and quickly input detailed and minute information including not only the position and the rotation angle but also the rotation angle of itself. It is an object of the present invention to provide a position and rotation angle detection indicator for use in a simple position and rotation angle detection device.

さらに、本発明では、簡単な操作で詳細かつ微細な動
作情報を迅速に入力することの可能なロボットの動作教
示装置を提供することをその目的とする。It is another object of the present invention to provide a robot operation teaching device capable of quickly inputting detailed and fine operation information with a simple operation.

［課題を解決するための手段］ 上記の目的は、人間によって指示される位置及び回転
角の指示具であって、上記指示具を撮影してその位置及
び回転角を検出するものにおいて、上記指示具は、略棒
状本体の長手方向両端に設けられてその位置及び回転角
を表示するための第１のマーカと、上記棒状本体の外周
に設けられ、それ自体の回転角を表示するための第２の
マーカを備えたことを特徴とする位置及び回転角検出用
指示具によって達成される。[Means for Solving the Problems] The object of the present invention is to provide an indicator for a position and a rotation angle designated by a human, wherein the indicator is photographed to detect the position and the rotation angle. The first component is provided at both ends in the longitudinal direction of the substantially rod-shaped main body and displays the position and the rotation angle, and the first marker is provided on the outer periphery of the rod-shaped main body and displays the rotation angle of itself. This is achieved by a position and rotation angle detection indicator, which is provided with two markers.

更に、本発明の他の目的は、上記の位置及び回転角検
出装置を用いてロボットにその動作の基準点を分析教示
することを特徴とするロボットの動作教示装置によって
達成される。Further, another object of the present invention is attained by an operation teaching device for a robot, wherein the position and the rotation angle detecting device are used to analyze and teach a reference point of the operation to the robot.

［作用］ すなわち、上記の本発明によれば、位置及び回転角と
共に、それ自体の回転角度をも表示することが出来る動
作指示具を用い、これを撮影して動作情報を入力するこ
とにより、人間の作業等による位置及び回転角等の詳細
かつ微細な情報を簡単、容易かつ迅速に指示することが
可能になる。[Operation] In other words, according to the above-described present invention, by using an operation indicator that can display the rotation angle of itself as well as the position and rotation angle, and by photographing this, and inputting operation information, It is possible to easily, easily and quickly instruct detailed and minute information such as a position and a rotation angle by a human operation or the like.

また、上記の位置及び回転角検出用指示具をロボット
の動作教示装置に用いることにより、作業者等の人間の
通常の作業動作によって簡単かつ容易に、その動作の基
準点を教示し、迅速に入力することが可能になる。In addition, by using the position and rotation angle detecting indicator for the operation teaching device of the robot, the reference point of the operation can be easily and easily taught by a normal operation operation of a human such as an operator, and quickly. It becomes possible to input.

［実施例］ 以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照し
ながら詳細に説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

なお、以下に詳細に説明する実施例は、本発明になる
位置及び回転角検出装置を動作教示に用いた半田付作業
用ロボット装置に関している。また、この半田付作業で
は、半田ゴテ200の先端部201は、第６図（ａ）及びその
先端部の拡大図である第６図（ｂ）にも示す様に、その
先端形状から、いわゆる、方向性を有している。そのた
め、この様な半田ゴテを操作する半田付作業用ロボット
は、その位置や倒れの回転角だけではなく、更に、それ
自体の自転の回転角度についても正確に制御することが
必要となる。The embodiment described in detail below relates to a soldering work robot device using the position and rotation angle detection device according to the present invention for teaching operation. Further, in this soldering operation, as shown in FIG. 6 (a) and FIG. 6 (b), which is an enlarged view of the tip portion, the tip portion 201 of the soldering iron 200 has a so-called tip shape. , Has directionality. Therefore, the soldering work robot that operates such a soldering iron needs to accurately control not only the position and the rotation angle of the fall, but also the rotation angle of its own rotation.

まず、添付の第１図には、上記半田付作業用ロボット
の概略構成が示されており、この半田付作業用ロボット
は、いわゆる、ロボット本体部10と、その動作を制御す
るためのロボットコントローラ20と、上記ロボットコン
トローラ20に作業に必要な情報を入力・教示するため
の、いわゆる作業教示部30とから構成されている。さ
に、このロボット本体部10は、図にも示す様に、ベース
部11と、このベース部11上に設けられた多間接のアーム
部12と、その先端に取り付けられたハンド部13とから構
成されており、これらのアーム部12やハンダ部13は、図
には示されないサーボモータ等のアクチュエータによっ
て所定の動作を行うように駆動されると共に、上記半田
作業のための半田ゴテは、そのハンド部13によって把持
されるものである。First, FIG. 1 shows a schematic configuration of the soldering work robot. The soldering work robot includes a so-called robot body 10 and a robot controller for controlling its operation. And a so-called work teaching unit 30 for inputting and teaching information necessary for work to the robot controller 20. As shown in the figure, the robot body 10 includes a base 11, an articulated arm 12 provided on the base 11, and a hand 13 attached to the tip of the arm 12. The arm section 12 and the solder section 13 are driven to perform a predetermined operation by an actuator such as a servo motor (not shown), and the soldering iron for the soldering operation is It is gripped by the hand unit 13.

また、上記のロボットコントローラ20は、例えばディ
ジタルコンピュータ等によって構成され、以下に詳細に
説明する作業教示部30から出力されるロボットの作業デ
ータである位置データDPや速度データDSに基づいて上記
ロボット本体部のアクチュエータ等を駆動する駆動信号
を発生するものである。The robot controller 20 is configured by, for example, a digital computer or the like, and based on position data DP and speed data DS, which are work data of the robot output from the work teaching unit 30 described in detail below, the robot main body. It generates a drive signal for driving an actuator or the like of the unit.

そして、作業教示部30は、上記ロボットアーム12先端
のハンド部13に把持される半田ゴテを想定した作業動作
の指示具としてのペン31と、半田付作業をするプリント
板32と、フットスイッチ33と、上記プリント板32のＸ方
向及びＹ方向に各々垂直に配置された複数（この実施例
では２個）のTVカメラ34、35と、そして、上記フットス
イッチ33からの測定指令信号INS及び上記TVカメラ34、3
5からの映像信号Ｉ₃₄、Ｉ₃₅を入力して上記位置データD
Pや速度データDSを出力する画像処理装置36とを備えて
いる。The work teaching unit 30 includes a pen 31 as a work operation instruction tool assuming a soldering iron held by the hand unit 13 at the tip of the robot arm 12, a printed board 32 for performing soldering work, and a foot switch 33. And a plurality (two in this embodiment) of TV cameras 34 and 35 arranged vertically in the X and Y directions of the printed board 32, and a measurement command signal INS from the foot switch 33 and the TV cameras 34, 3
5 and input the video signals I ₃₄ and I ₃₅ from the position data D
An image processing device 36 that outputs P and speed data DS is provided.

さらに、第２図には、上記ロボットアーム12の先端の
ハンド部13に把持される作業指示用のペン31の詳細な構
造が示されており、このペン31は、不透明な外形略円柱
状の本体311の長軸方向の両端を尖頭状にしたものであ
る。そして、本体311の内部には発光源（図示されず）
を埋め込み、また、その長軸方向の両端には点（円）状
の窓312、313を、その中央外周面には隙間Ｗを有する螺
旋状の窓314を形成したている。そして、これらの窓
は、それぞれ、例えば窓312は赤（Ｒ）、窓313は青
（Ｂ）、そして、螺旋状の窓314は緑（Ｇ）の様に、そ
の位置関係を明確にして後述するロボットへの作業の教
示に必要な三次元座標を決定するのに有意なパターンを
形成することが出来るように、任意に三原色に色分けさ
れている。Further, FIG. 2 shows a detailed structure of a work instruction pen 31 gripped by the hand unit 13 at the tip of the robot arm 12, and the pen 31 has an opaque outer shape having a substantially cylindrical shape. Both ends in the major axis direction of the main body 311 are pointed. A light emitting source (not shown) is provided inside the main body 311.
In addition, point (circular) windows 312 and 313 are formed at both ends in the major axis direction, and a spiral window 314 having a gap W is formed at the center outer peripheral surface. The windows 312 are red (R), the window 313 is blue (B), and the spiral window 314 is green (G). The three primary colors are arbitrarily color-coded so that a significant pattern can be formed to determine the three-dimensional coordinates necessary for teaching the robot to perform a task.

次に、以上に説明した半田付作業用ロボット装置の、
特に、その作業動作の教示・入力について、以下に詳細
に説明する。まず、上記の第１図において、作業者100
は上記作業指示用のペン31をその手に把持しながら作業
動作を行う。同時に、必要に応じてフットスイッチ33を
踏みながら上記の画像処理装置36へ測定指令信号INSを
伝達する。一方、TVカメラ34、35からの映像信号Ｉ₃₄、
Ｉ₃₅も上記画像処理装置36に伝達され、ロボットの制御
に必要なデータに変換され、位置データDPや速度データ
DSとしてロボットコントローラ20に出力されることとな
る。Next, of the soldering work robot device described above,
In particular, the teaching and input of the work operation will be described in detail below. First, in FIG.
Performs a work operation while holding the work instruction pen 31 in its hand. At the same time, the measurement command signal INS is transmitted to the image processing device 36 while stepping on the foot switch 33 as necessary. On the other hand, the video signals I ₃₄ from the TV cameras 34 and 35,
I _{35 is} also transmitted to the image processing device 36 and converted into data necessary for controlling the robot, and the position data DP and speed data
This is output to the robot controller 20 as DS.

第３図（ａ）及び（ｂ）には、上記TVカメラ34、35か
らの映像信号Ｉ₃₄、Ｉ₃₅による画像が、それぞれ示され
る。すなわち、TVカメラ34による画像（第３図（ａ））
及びTVカメラ35による画像（第３図（ｂ））において、
作業者100がその手に把持している作業指示用のペン31
の上端の窓312の画像、下端の窓313の画像、螺旋状の窓
314の画像及びプリント板32の画像の一例が示され、図
中、同一の符号で示されている。3 (a) and 3 (b) show images by the video signals I ₃₄ and I ₃₅ from the TV cameras 34 and ₃₅ , respectively. That is, the image from the TV camera 34 (FIG. 3 (a))
And the image from the TV camera 35 (FIG. 3 (b))
The work instruction pen 31 held by the operator 100 in his hand
Top window 312 image, bottom window 313 image, spiral window
An example of the image 314 and the image of the printed board 32 are shown, and are denoted by the same reference numerals in the drawing.

次いで、第４図は、三次元空間における上記作業指示
用のペン31の姿勢を表す座標を示している。すなわち、
直交座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚ及び作業指示用のペン31の回転角
θ１、倒れ角θ２、θ３のパラメータにより、三次元空
間におけるあらゆる姿勢を表すことが出来る。Next, FIG. 4 shows coordinates indicating the attitude of the work instruction pen 31 in a three-dimensional space. That is,
Any posture in the three-dimensional space can be represented by the parameters of the orthogonal coordinate axes X, Y, Z and the rotation angle θ1, the inclination angles θ2, θ3 of the pen 31 for work instruction.

第５図には、上記装置における一連の処理を示すフロ
ーチャートが示されており、このフローチャートを用い
てその動作を以下に説明する。FIG. 5 is a flowchart showing a series of processes in the above-described apparatus, and the operation will be described below with reference to this flowchart.

まず、作業指示用のペン31をその手に把持して作業者
100は、プリント板32への半田付動作が整った時点でフ
ットスイッチ33を踏み、もって、画像処理装置36に測定
開始を知らせる測定指令信号INSを伝達する（処理FC
1）。これによって、作業指示用のペン31及びプリント
板32の画像をTVカメラ34、35の映像信号Ｉ₃₄、Ｉ₃₅によ
って画像処理装置36へ伝達する（処理FC2）。First, the operator holds the work instruction pen 31 in his hand and
At step 100, when the soldering operation to the printed board 32 is completed, the foot switch 33 is depressed, and the measurement command signal INS for notifying the start of measurement is transmitted to the image processing device 36 (processing FC
1). As a result, the images of the work instruction pen 31 and the printed board 32 are transmitted to the image processing device 36 by the video signals I ₃₄ and I ₃₅ of the TV cameras ₃₄ and ₃₅ (process FC2).

ここで、上記にて伝達された画像（第３図（ａ）及び
（ｂ）において、符号312、313、314及び32で示す）に
おいて、各パラメータＸ、Ｙ、Ｚ、θ１、θ２、θ３を
下記の様にして算出する（処理FC4）。Here, in the image transmitted as described above (in FIGS. 3A and 3B, denoted by reference numerals 312, 313, 314, and 32), each parameter X, Y, Z, θ1, θ2, θ3 is set. It is calculated as follows (processing FC4).

Ｘ……画像313と原点０の平行距離（第３図（ａ））。X: The parallel distance between the image 313 and the origin 0 (FIG. 3 (a)).

Ｙ……画像313と原点０の平行距離（第３図（ｂ））。Y: parallel distance between image 313 and origin 0 (FIG. 3 (b)).

Ｚ……画像313（第３図（ａ））あるいは313（第３図
（ｂ））と原点の垂直距離。Z: vertical distance between the image 313 (FIG. 3A) or 313 (FIG. 3B) and the origin.

θ１……画像312と画像313を結ぶ直線C1上の画像312と
画像314の距離（第３図（ａ））は、作業指示用のペン3
1の回転角θ１により異なる為、そのデータにより回転
角θ１を算出する。但し、上記距離は画像312と画像313
を結ぶ直線C2（第３図（ｃ））の傾きにより変化する
為、その傾きにより三角関数にて距離を求める。θ1... The distance between the image 312 and the image 314 on the straight line C1 connecting the image 312 and the image 313 (FIG.
Since the rotation angle θ1 differs depending on the rotation angle θ1, the rotation angle θ1 is calculated from the data. However, the distance is the distance between image 312 and image 313
Is changed by the slope of the straight line C2 (FIG. 3 (c)) connecting the distances.

θ２……画像313（第３図（ａ））、画像313（第３図
（第３図（ｂ））のＸ、Ｙ座標P1、及び、画像312（第
３図（ａ））、画像312（第３図（ｂ））のＸ、Ｙ座標P
2により、三角関数にてθ２が求まる。θ2... Image 313 (FIG. 3 (a)), X and Y coordinates P1 of image 313 (FIG. 3 (FIG. 3 (b)), image 312 (FIG. 3 (a)), image 312 X and Y coordinates P in (Fig. 3 (b))
By using 2, a θ2 is obtained by a trigonometric function.

θ３……第３図（ａ）の画像において、座標312のＺ座
標のＹ軸に平行な座標郡の内、画像313からその座標郡
の任意の点までの直線距離が、上記θ２で求めた座標P
1、P2の直線距離Ｐと一致した点と画像313を結ぶ線のＹ
軸との傾きが、求めるθ３となる。.theta.3... In the image of FIG. 3A, the straight-line distance from the image 313 to an arbitrary point in the coordinate group among the coordinate groups parallel to the Y-axis of the Z coordinate of the coordinate 312 was obtained by the above-mentioned θ2. Coordinate P
1, Y of the line connecting the point that coincides with the linear distance P of P2 and the image 313
The inclination with respect to the axis is the required θ3.

上記の処理FC3で求めたパラメータＸ、Ｙ、Ｚ、θ
１、θ２、θ３を画像処理装置36の記憶装置に一時記憶
する（処理FC4）。Parameters X, Y, Z, θ obtained in the above process FC3
1, θ2 and θ3 are temporarily stored in the storage device of the image processing device 36 (process FC4).

次ぎに、作業者100がフットスイッチ33を離していな
ければ、処理FC2より上記の処理を繰り返す。一方、フ
ットスイッチ33を離していれば、次の処理FC6へ進む
（処理FC5）。上記処理FC2から処理FC4を繰り返した場
合の各処理ステップの時間と、その時間の画像313（第
３図（ａ）、あるいは、第３図（ｂ））の移動距離によ
り速度を算出する（処理FC6）。Next, if the operator 100 has not released the foot switch 33, the above processing is repeated from the processing FC2. On the other hand, if the foot switch 33 has been released, the process proceeds to the next process FC6 (process FC5). The speed is calculated based on the time of each processing step when the above processing FC2 to FC4 is repeated and the moving distance of the image 313 (FIG. 3A or FIG. 3B) at that time (processing FC6).

さらに、上記処理FC4で記憶したパラメータ及び処理F
C6で求めた速度により、送信するデータフォーマットに
従ってステップデータへ編集を行う（処理FC7）。その
後、上記の処理FC7で編集した各ステップデータを上記
ロボットコントローラ20へ送信して（処理FC8）、終了
する。Further, the parameters stored in the above process FC4 and the process F
The step data is edited according to the data format to be transmitted at the speed obtained in C6 (processing FC7). After that, the step data edited in the above process FC7 is transmitted to the robot controller 20 (process FC8), and the process ends.

［発明の効果］ 以上の詳細な説明からも明らかな様に、本発明によれ
ば、動作を表す詳細な座標データを指示具としてのペン
を動作することによって簡単かつ容易に入力することが
可能であることから、これを使用することによって、ロ
ボットへの作業動作の教示作業が簡単かつ迅速に行うこ
とが出来、さらには、ロボットへの教示作業の安全性の
向上をも図ることが可能になるという極めて優れた効果
を発揮する。[Effects of the Invention] As is clear from the above detailed description, according to the present invention, it is possible to easily and easily input detailed coordinate data representing an operation by operating a pen as an indicator. Therefore, by using this, it is possible to easily and quickly teach the robot a work operation, and it is also possible to improve the safety of the teaching work to the robot. It has an extremely excellent effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図は本発明になる位置及び回転角検出装置を適用し
た一実施例である半田付作業用ロボット装置の全体構成
を示すブロック図、第２図は上記半田付作業用ロボット
の教示作業に用いる作業指示用のペンの外観図、第３図
（ａ）及び（ｂ）は、動作を説明するための、上記作業
指示用のペン及びプリント板のTVカメラへの画像の一例
を示す図、第４図は上記作業指示用のペンの姿勢を決定
する座標パラメータの関係を説明する図、第５図は上記
実施例の装置の処理を説明するためのフローチャート、
そして、第６図（ａ）及び（ｂ）は上記実施例の半田付
作業用ロボット装置が作業を行う半田ゴテの構造を説明
する外観図及びその一部拡大図である。 10……ロボット本体部、20……ロボットコントローラ、
30……作業教示部、31……作業指示用ペン、34,35……T
Vカメラ、36……画像処理装置、312,313……窓、314…
…螺旋状窓。FIG. 1 is a block diagram showing an entire configuration of a soldering robot device according to an embodiment to which a position and rotation angle detecting device according to the present invention is applied, and FIG. FIGS. 3A and 3B are external views of a work instruction pen to be used, and FIGS. 3A and 3B are views showing an example of an image of the work instruction pen and a printed board on a TV camera for explaining the operation. FIG. 4 is a view for explaining the relationship between coordinate parameters for determining the attitude of the work instruction pen, FIG. 5 is a flowchart for explaining the processing of the apparatus of the embodiment,
FIGS. 6 (a) and 6 (b) are an external view and a partially enlarged view illustrating the structure of a soldering iron on which the soldering operation robot device of the above embodiment operates. 10 ... Robot main unit, 20 ... Robot controller,
30 ... Work teaching unit, 31 ... Work instruction pen, 34,35 ... T
V camera, 36 ... Image processing device, 312, 313 ... Window, 314 ...
... a spiral window.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G05B 19/42 G05B 19/408 B25J 9/22 B25J 19/04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. ⁶ , DB name) G05B 19/42 G05B 19/408 B25J 9/22 B25J 19/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】人間によって指示される位置及び回転角を
撮影によって検出される指示具であって、略棒状の本体
と、該棒状本体の長手方向両端に設けられてその位置及
び倒れの回転角を表示するための第１のマーカと、上記
棒状本体の外周に設けられて自転の回転角を表示するた
めの第２のマーカとを備えたことを特徴とする位置及び
回転角検出用指示具。1. A pointing device for detecting a position and a rotation angle designated by a human by photographing, comprising a substantially rod-shaped main body, and a position and a rotation angle of the inclination provided at both longitudinal ends of the rod-shaped main body. And a second marker provided on the outer periphery of the rod-shaped main body for displaying the rotation angle of rotation, and a position and rotation angle detection indicator. . 【請求項２】請求項１において、上記第２のマーカは、
ストライプ状で、かつ、上記棒状本体の周囲に螺旋状に
設けられていることを特徴とする位置及び回転角検出用
指示具。2. The method according to claim 1, wherein the second marker is
An indicator for detecting a position and a rotation angle, which is formed in a stripe shape and spirally provided around the rod-shaped main body. 【請求項３】請求項１または２の位置及び回転角検出用
指示具をロボットにその作業動作を教示する手段として
具備したことを特徴とするロボットの動作教示装置。3. An operation teaching device for a robot, comprising: the position and rotation angle detecting tool according to claim 1 or 2 as means for teaching the robot the operation of the robot.