JPH03123908A - ロボットの位置と姿勢の直接教示装置及び直接教示方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はロボットの位置と姿勢の直接教示装置及び直接
教示方法に関し、特にティーチングプレイバック方式の
ロボットや作業機械の教示作業において、教示データを
読取り記憶させる操作を簡易化し作業能率を向上したロ
ボットの位置と姿勢の直接教示装置及び直接教示方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来、力制御に基づくロボットの直接教示方法が提案さ
れている。この直接教示方法は、教示作業者がロボット
のアームの先部に設けられた手先効果器に力を加え、こ
の加えられた力をリスト部に備えた力センサで検出し、
力センサが出力する力信号に基づき且つ予め定められた
演算式に上り力制御を行う制御手段に従って、加えられ
た力の方向に移動するようにロボットのアームの動作を
制御し、手先効果器の移動速度と移動方向を決定し、手
先効果器を目標とする位置に誘導して、教示データを記
憶するものである。この力制御によるロボットの制御で
は、ロボットのアームに力を加えて誘導し、アーム先端
の手先効果器の位置や姿勢を目標とする位置（姿勢を含
む）に位置決めした後、その位置決め地点で位置や姿勢
の教示データを記憶し、各位置決め地点ごとに教示デー
タの記憶を行うようにしていた。また、その他の教示デ
ータの取り方としては、ロボットや作業機械の動力装置
を非能動状態にして教示を行うように構成された直接教
示方法で、教示データ読取り点の間隔を例えばコントロ
ーラのサイクル時間などを利用して一定の時間的な間隔
として定め、この時間間隔に従って教示データを記憶す
るものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記の従来の直接教示方法において、１点１点教示デー
タを読込む時点を決めて教示データを記憶する方法によ
れば、例えば複雑な形状をしたワークの表面に沿って倣
うような作業では、ワークに沿って多数の教示点を設定
することとなり多数の教示点で位置と姿勢を教示しなけ
ればならず、そのため多大な時間と労力を要するという
欠点がある。

また、教示間隔を時間的なタイミングで設定した従来方
法では、教示点の時刻が決められているから教示作業に
おいて厳密な時間管理が要求される。また、教示作業全
体に要する時間に依存して教示データの数が決まり、作
業に応じて教示データ数が変動するという不具合がある
。更に、教示作業においてロボットを停止状態に維持す
ると、教示データ記憶時点は一定の時間間隔によって決
まっているため、その停止状態でのデータが際限なく記
憶されることになる。従って、時間的なタイミングで記
憶を行う教示作業では、教示作業者の教示動作が非常に
重要となり、教示作業に非常な緊張を要求され、作業を
楽に行えないという欠点を有する。

本発明の目的は、上記の従来の問題点に鑑み、力制御に
よるロボットの位置と姿勢の直接教示作業において、教
示データ取込み時点を並進と回転の所定の移動距離で設
定できるように構成し、もって直接教示作業における操
作の簡易化、作業能率の向上を企図したロボットの位置
と姿勢の直接教示装置と直接教示方法を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るロボットの位置と姿勢の直接教示装置は、
手先効果器を取付けたアームのリスト部に力センサを備
え、この方センサの出力する力信号を制御手段に入力し
前記力信号に基づき力制御に従ってアームを誘導し、適
当な教示間隔で設定された複数の教示点でロボットの手
先部の位置と姿勢を位置センサと位置検出手段を介して
取出し記憶手段に記憶するように構成されたロボットの
位置と姿勢の直接教示装置において、前記教示間隔を移
動間隔として任意に設定するための教示間隔設定手段と
、設定された前記教示間隔を記憶し、ロボットの各部に
配置された位置センサの出力信号から位置検出手段が取
出した位置データを人力して移動距離を演算し、この移
動距離と記憶された教示間隔とを比較し、教示間隔ごと
の教示点で前記ロボットの位置と姿勢の教示データを記
憶手段に記憶させる教示間隔演算手段とを備えるように
構成される。

本発明に係るロボットの位置と姿勢の直接教示方法は、
教示作業者がアームの力センサに力を加え、このとき力
センサが出力する力信号に基づき一力制御に従ってアー
ムを誘導し教示作業を行う口ポットの直接教示方法にお
いて、ロボットのアームを誘導しながら、教示作業者が
任意に設定した並進移動間隔又は手先部姿勢の回転に係
る移動間隔のいずれかで決まる教示点ごとにロボットの
位置と姿勢のいずれかの教示データを連続に自動的に取
込み記憶するようにしたことを特徴とする。

〔作用〕

上記のロボットの位置と姿勢の直接教示装置では、教示
作業を開始する時に教示間隔設定手段を用いて教示点を
決定する教示間隔を移動間隔として数値的に一定値を与
えることができ、この教示間隔が与えられると、教示間
隔演算手段が前記教示間隔に基づきロボットの位置セン
サから得られる位置データに基づき移動距離を判断して
自動的に教示点を見出し、その時点でのロボットの手先
部の位置と姿勢を記憶手段に記憶させる上記のロボット
の位置と姿勢の直接教示教示方法では、教示作業者が作
業の内容や作業状況に応じて教示点を定める教示間隔を
並進及び回転の移動間隔として任意に与えることができ
、教示間隔を設定した後は自動的にその教示間隔を調べ
て教示点を決め教示データが記憶される。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明が適用されるロボットシステムの全体構
成を示す。第１図において、１はロボット本体で、複数
の関節部を有するアーム２が支持基台３に取付けられ、
アーム２の各関節部の可動作用により、アームの手先部
は所要の位置に移動すると共にアーム全体は所要の姿勢
に変化する。

アーム２の手先部に位置するリスト部４に６軸の力セン
サ５が取付けられ、更に力センサ５の先には、ワーク６
に対して仕事を行う手先効果器７が取付けられている。

８はコントローラであり、このコントローラ８内にはコ
ンピュータ等で構成される制御手段が含まれ、予め定め
られた力制御のための演算式を用いて且つ所定の手順で
ロボット１に対し力制御を実行する機能を有している。

コントローラ８は、ロボット１に対し動作を指令するた
めの指令信号９を与えると共に、力センサ５から力セン
サに加わる力に関する検出信号、すなわち力信号１０を
取り込むように相互に電気的に接続されている。１１は
教示を行う作業者が所持するティーチングボックスであ
り、テンキー及び各種の指令をコントローラ８に与える
ことのできる複数の操作スイッチが設けられている。そ
の操作スイッチの中において、本実施例によるティーチ
ングボックスでは直接教示ルーチンを呼び出すためのス
イッチ１１Ａ１０ボツトのアーム手先部の位置や姿勢を
教示するためのスィッチ１１Ｂ１教示間隔を設定するた
めの教示間隔設定スイッチ１１Ｃが設けられている。テ
ィーチングボックス１１はコントローラ８に接続されて
おり、作業者の操作でティーチングボックス１１に与え
られたデータはコントローラ８に与えられる。

第２図に基づいてコントローラ８による制御機構の具体
的構成について説明する。本発明に係る直接教示装置は
、コントローラ８内に含まれるコンピュータ等を利用し
て実現されるものであり、第２図に示される装置構成で
は実質的に機能ブロック図として示されている。

第２図に示すように、コントローラ８内において機能手
段として先ず力検出部１２、力成分座標変換部１３、速
度演算部１４、座標変換部１５が設けられる。これらの
機能手段は、教示作業者がロボット１の手先効果器７に
対し教示の目的で力を加えた場合に、力センサ５で力を
検出しこの加えられた力の方向にロボット１の手先効果
器７を動作させるための制御装置構成である。ロボット
１のアームの動作モードは、速度演算部１４に設定され
た力制御のための演算式によって決められている。

上記の構成において、力検出部１２は力センサ５が出力
する力信号を入力し、この力検出部１２でロボット１の
アーム２に対し誘導のため加えられた作業者による操作
力を検出する。検出された操作力に関する情報は力成分
座標変換部１３に供給され、ここでロボット１のアーム
２のリスト部４に設けられたハンド座標系における、又
はロボット本体を基準としたベース座標系における直交
３軸方向についての軸方向の力と軸回りのモーメントに
変換する。このようにして求められた力とモーメントを
基礎に、速度演算部１４でロボット１における各関節部
に備えられたモータの速度指令値を求める。具体的には
、速度演算部１４には、例えば次のような演算式が設定
されている。

■ｉ：ミニベース系ｉ軸方向の並進 の速度指令値 ｆｉ：操作力のｉ軸方向成分 Ｍ　：仮想の質量 Ｃ：仮想の粘性減衰係数 上記の式において、力成分座標変換部１３から与えられ
るカデータｆｉを用いて、且つ固定値ＭとＣ（ただし、
いずれの値も必要に応じて自由に変えることができる）
を用いて直交座標系の速度指令値を各軸について演算す
る。こうして得られた速度指令値は、座標変換部１５で
ロボット１の各関節部のモータの速度指令値に変換され
、各モータが駆動される。

更に、コントローラ８の中には位置検出部１６と教示デ
ータ記憶部１７とが設けられる。位置検出部１６はロボ
ット１の各部に配設された図示しない位置センサからの
出力信号を入力し、所定の条件の下で、入力した位置信
号から位置データと姿勢データを取込み、指定された各
教示点におけるロボット１の位置や姿勢のデータを教示
データ記憶部１７に送給する機能を有する。１８は移動
間隔演算部であり、この移動間隔演算部１８は後述する
ように位置検出部１６で得られた位置データ等を教示デ
ータ記憶部１６に記憶させる条件を与えるものである。

次にティーチングボックス１１との関係について説明す
る。ロボット１の直接教示作業を行うときには、操作ス
イッチＩＩＡを押して直接教示ルーチンを呼び出す。こ
れにより作業者はロボット１の手先効果器７に対して力
を加えて教示作業を行うことができる。作業者によって
手先効果器７に加えられた力は力検出部１２に送給され
る。また前記教示データ記憶部１７における記憶動作は
、ティーチングボックス１１に設けられた教示スイッチ
１１Ｂのオン動作によって行われる。また教示データ取
込み時点は教示間隔設定スイッチ１１Ｃによって指示さ
れる。教示間隔設定スイッチ１１Ｃを操作することよっ
て、並進動作の場合には並進移動距離Δ１１回転動作の
場合には回転移動角度Δθを任意に設定することができ
る。数値の入力には、メニュ一方式で与えても良いし、
実際上ティーチングボックス１１のテンキーを使用して
その都度入力することもできる。教示スイッチ１１Ｂの
出力信号と教示間隔設定スイッチ１１Ｃの出力信号は前
記の移動間隔演算部１８に与えられる。

かかる構成において、移動間隔演算部１８は、位置検出
部１６で検出した位置情報と姿勢情報を入力し、この（
Ｓ）４ｉ！情報等に基づいてロボット１の手先部分が移
動した距離と、リスト部４が回転移動じた角度を演算し
、これらの演算値のいずれか一方が予め教示間隔設定ス
イッチ１１Ｃによって設定された並進移動距離Δ１１又
は回転移動角度Δθの値以上になったとき、自動的に位
置検出部１７から出力されるロボット１の位置と姿勢の
教示データを記憶するように教示データ記憶部１６に対
し記憶指令信号を出す。また、この教示データの記憶動
作は、不要なデータを記憶しないように教示スイッチＩ
ＩＢがオンしているときのみ有効となるようにプログラ
ムされている。

次に第３図のフローチャートに従って本実施例による直
接教示装置の動作及び直接教示方法を説明する。このフ
ローチャートを実現するプログラムはコントローラ８の
中に用意される。

先ず、ステップ１９において教示間隔を設定する。この
設定はティーチングボックス１１における教示間隔設定
スイッチ１１Ｃを操作することにより行われる。教示間
隔として、並進の場合には移動距離Δｌを、リスト部の
回転の場合には回転移動角度Δθをそれぞれ設定する。

なお、教示間隔の設定値は、予め内部に設定させておく
ことも可能である。次の判断ステップ２０では教示作業
が終了すべきか否かが判断される。終了すべきでない時
には、ステップ２１に移行し、教示スイッチ１１Ｂの状
態を判断する。教示スイッチ１１Ｂがオン状態のときに
は教示動作を行い、ロボット１のアーム手先部のその時
点（現在）での位置と姿勢のデータを位置検出部１７で
検出し、教示データを教示データ記憶部１６に記憶する
（ステップ２２）。次にステップ２２で教示データとし
て記憶したロボット１のアーム手先部の現在位置及び現
在姿勢のデータを基準位置のデータとしてセットし、基
準位置データは、位置データがＰ。、姿勢データがＱ。

とじてセットされる（ステップ２３）。この基準位置は
、ロボット１の次の移動において移動間隔を計算するた
めの始点位置となるものである。次にステップ２４でロ
ボット１を移動させるためのプログラムを実行してロボ
ット１を移動させる。この移動は、力制御に基づくアー
ム２の手先部の移動であり、教示作業者によるアーム誘
導によるアーム手先部の移動を意味する。

第３図に示されるフローチャートでは、移動中のロボッ
トの位置を検出する手順を分かりやすくするために同一
制御ループ上に移動のためのルーチンを示したが、ロボ
ット１の移動は別の制御ループで実行することもできる
。

次いで、所定の１サイクルごとに移動中のロボット１の
現在位置を位置データＰｉ１姿勢データＱｉとして位置
検出部１７で検出する（ステップ２５）。移動間隔演算
部１８は、先に設定した基準位置（Ｐｏ、Ｑｏ）と今回
入力した現在位置（Ｐｉ、Ｑｉ）のデータを用いて２つ
のデータの差を取り、ロボットの移動間隔を演算する（
ステップ２６）このとき求められた演算値は、並進移動
による差を並進移動間隔Ｐとし、回転移動による差を回
転移動量ΔＱとする。ここで、再び教示スイッチ１１Ｂ
がオンであるか否かを判定する（ステップ２７）。教示
スイッチ１１Ｂがオンのままであれば、並進移動量ΔＰ
と並進移動間隔Δｌを比較し、且つ回転移動量ΔＱと回
転教示間隔Δθを比較し、Δｌ≦ΔＰ又はΔθ≦ΔＱの
条件が満足される場合において、ステップ２２に移行し
てロボット１の手先部の現在位置を検出して位置と姿勢
の教示データを記憶し、その後ステップ２３以降の上記
各ステップを繰り返す（ステップ２８）。ステップ２８
における条件が満足されない時には、移動のステップ２
４に移行し、次の移動ルーチンを実行し、その後前記ス
テップ２５〜２８を繰り返す。

ステップ２７において、教示スイッチＩＩＢがオフであ
ると判定された場合には、ロボット１の現在位置を位置
検出部１６を介して検出し、これを教示データとして教
示データ記憶部１７に記憶する（ステップ２９）。その
後は移動ルーチンを実行するステップ３０に移り、教示
作業判定のステップ２０まで戻る。ステップ２０におい
て、教示作業が終了したと判定されれば、教示作業は終
了する。なお、ステップ２１で条件が満たされない時に
もステップ３０に移行する。以上の手順によって本発明
に係る直接教示方法が実行される。

第４図は本発明による直接教示方法を用いた作業例を示
し、この作業は工具である手先効果器７をワーク６′に
倣わせる作業である。第４図において、手先効果器７を
ワーク６′の倣い開始点Ａに誘導し、この開始点Ａにお
いて教示スイッチ１１Ｂをオンにする。この時に、前記
フローチャートのステップ２１と２２で説明したように
、開始点Ａにおけるロボット１の手先効果器７の位置と
姿勢に関する教示データが教示記憶部１６に記憶される
。次いで、手先効果器７をワーク６′に沿って教示作業
者が誘導すると、ステップ１９において教示間隔設定ス
イッチ１１Ｃによって予め設定されている教示間隔Δｌ
　（並進の場合）又はΔθ（回転の場合）ごとに手先効
果器７の位置と姿勢の教示データが自動的に記憶される
。この部分の直接教示作業のための制御は前記ステップ
２２乃至２８によって実行される。最後にワーク６′の
倣い終了点Ｂに手先効果器７を誘導した時点で教示スイ
ッチ１１Ｂをオフにすると、終了点Ｂにおける位置と姿
勢の教示データが記憶される（ステップ２９に対応）。

なお、第４図では手先効果器７の直接教示作業の実行例
を２次元において説明しているが、３次元的なワークに
対し３次元的な移動を行う場合も同様に行われる。

以上のように、教示間隔を、並進の場合にはその移動距
離で、回転の場合にはその回転角度でそれぞれ管理し、
自動的に教示点を定め、その教示点における教示データ
を記憶することにより、ワークの形状に沿って工具を移
動するだけでロボットに教示をすることができるため、
教示能率が極めて向上する。また、本実施例よるもので
は移動距離によって教示間隔を管理しているから、教示
作業中にロボット１のアームの移動を停止させている場
合には、時間で管理されるものとは異なり、教示データ
が不必要に記憶されることはない。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば次のよう
な効果が生じる。

力制御によるロボットの直接教示作業において、教示作
業者等が任意に設定し得る移動間隔を教示間隔として用
いるように構成したため、前記移動間隔ごとに位置と姿
勢の教示データを連続して自動的に教示することができ
る。教示作業者はロボットのアームを誘導するだけで作
業を行うことができ、移動時間に対しても注意を払う必
要がなく、自分のペースで作業を行うことができるので
、教示作業が楽になり、教示作業の能率を向上すること
ができる。

また、パリ取り作業のようにワークのエツジに沿ってそ
の形状を倣う作業の教示においては、手先効果器をワー
クに接触させ、ワークのエツジに倣いながら教示するこ
とも可能であることから、比較的に正確な位置と姿勢の
教示を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用されるロボットシステムの全体構
成図、第２図は本発明に係る直接教示装置の構成を示す
ブロック図、第３図は本発明に係る直接教示装置の動作
を示すフローチャート、第４図は直接教示作業の一例を
示す作業図である。 〔符号の説明〕 １・・・・・ ２φ・・・拳 ４・・・−・ ５・・・・・ ６．６′・・ ７　ａ　ｍ　ａ　ｍ− ８・拳・・・ １１・・・・ １１Ａ・・・ ・ロボット ・アーム ・リスト部 ・力センサ ・ワーク ・手先効果器 ・コントローラ ・ティーチングボックス ・直接教示ルーチン呼出し スイッチ ・教示スイッチ ・教示間隔設定スイッチ ・速度演算部 ・位置検出部 ・教示データ記憶部 ・移動間隔演算部 １１Ｂ　φ　・　・ １１Ｃ・　・　・ １４　・　−・　・ １６　・　・　・　・ １７　・　・　・　・ １８　・　・　φ　・ 第１　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）手先効果器を取付けたアームのリスト部に力セン
   サを備え、この力センサの出力する力信号を制御手段に
   入力し前記力信号に基づき力制御に従って前記アームを
   誘導し、適当な教示間隔で設定された複数の教示点でロ
   ボットの手先部の位置と姿勢を位置センサと位置検出手
   段を介して取出し記憶手段に記憶するように構成された
   ロボットの位置と姿勢の直接教示装置において、前記教
   示間隔を移動間隔として任意に設定するための教示間隔
   設定手段と、設定された前記教示間隔を記憶し、前記ロ
   ボットの各部に配置された前記位置センサの出力信号か
   ら前記位置検出手段が取出した位置データを入力して移
   動距離を演算し、この移動距離と記憶された前記教示間
   隔とを比較し、前記教示間隔ごとの教示点で前記ロボッ
   トの位置と姿勢の教示データを前記記憶手段に記憶させ
   る教示間隔演算手段とを備えることを特徴とするロボッ
   トの位置と姿勢の直接教示装置。
2. （２）教示作業者がアームの力センサに力を加え、この
   とき力センサが出力する力信号に基づき力制御に従って
   前記アームを誘導し教示作業を行うロボットの直接教示
   方法において、ロボットの前記アームを誘導しながら、
   教示作業者が任意に設定した並進移動間隔又は手先部姿
   勢の回転に係る移動間隔のいずれかで決まる教示点ごと
   にロボットの位置と姿勢の教示データを連続に自動的に
   取込み記憶することを特徴とするロボットの位置と姿勢
   の直接教示方法。