JPH0699378A - ロボット軌道を教示するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、ロボット軌道に関わる情報
を入力・編集する際に使用者の負担をできるだけ軽減
し、誤差の少ない軌道情報を効率的に生成するロボット
軌道を教示するための方法を提供することである。 【構成】 本発明は、コンピュータ・システムの表示装
置内にワークの形状情報と工具の接触点軌跡情報とロボ
ット軌道情報を視覚的イメージに変換して同時に表示し
（ステップ１）、任意にポイントされた２点と表示画面
状で交点を持つ形状情報、接触点軌跡情報、ロボット軌
道情報を選択し（ステップ２）、選択された情報の輝度
を変化させて表示させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボット軌道を教示す
るための方法に係り、特に、ロボットに作業を教示する
ロボット教示技術分野、ロボット・マニピュレータの制
御技術分野、及び人間と機械の対話に関するヒューマン
インターフェース技術分野に属し、具体的には、ロボッ
ト使用者がロボットに実行してもらいたい作業をロボッ
トに効率的に伝えるためにロボット作業教示装置（情報
入力インタフェース装置）により、対象とするワークの
形状にならった軌道をもつ加工作業一般の軌道情報をコ
ンピュータの表示に基づいて効率的に生成するために改
良されたロボット軌道を教示するための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットの軌道教示には位置・姿
勢情報を教示するダイレクトティーチ法、リモートティ
ーチ法、間接ティーチ法及びオフラインティーチ法があ
る（引用文献：「ロボット工学ハンドブック」、日本ロ
ボット学会編、１９９０年コロナ社発行pp519-529 ）。

【０００３】上記従来の第１の方法であるダイレクトテ
ィーチ法は、ロボットのアーム部を直接動かす方法であ
る。上記従来の第２の方法であるリモートティーチ法
は、ロボット本体から離れた場所において、ティーチン
グペンダントと呼ばれる教示装置でロボットアームに直
接触れることなく、教示を行う方法である。上記従来の
第３の方法である間接ティーチ法は、教示専用のマニピ
ュレーションアームを用意し、このアームの手先部が所
要の経路に沿って動作するように操作し、この時のアー
ム位置・姿勢を規則させることにより教示を行う方法で
ある。上記従来の第４の方法であるオフラインティーチ
法は実際に作業を行うロボットを用いることなく、実作
業環境から離れて教示する方法である。この方法では、
すでに形状設計されたワークの幾何形状情報を利用して
ロボットの軌道を生成することができるため、作業者の
負担を大きく軽減できるという長所をもっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の第１〜第３の方法はいずれも入力された軌道情報を
先ず表示し、変更作業を行うためには、数値で表現され
た軌道情報を文字表示装置に表示し、利用者はその表示
された行を指定してその数値を変更する必要がある。利
用者はそのために数値で表現された教示点の情報により
所望の位置の教示点を発見しなければならず、使用者に
熟練を強いるという欠点がある。また、教示点を所望の
位置・姿勢に修正するには、直接その数値を変更する
か、または、上記の教示方法を用いて再度その点の新し
いデータを取り込む必要があり、操作の繁雑さを招き、
教示作業の効率を低下させることがある。

【０００５】また、上記従来の第４の方法であるオフラ
インティーチ法は、教示にはＣＡＤ等によりすでに生成
されたワークの幾何形状情報を前提としているため、Ｃ
ＡＤによるワークの形状情報をしづらい加工作業には適
用が困難である。

【０００６】オフラインティーチ法で生成された軌道を
実作業環境で動作させようとすると、マニピュレータ、
治具、ワーク等の実環境での誤差要因により誤差が生じ
ることが多い。誤差を減少させるためにマニピュレータ
のキャリブレーションを綿密に行う等の対処が行われる
が、マニピュレータの繰り返し精度に比べキャリブレー
ションで追い込んだ絶対精度は一般に大きく、現物合わ
せが必要である。現物合わせによる軌道の修正は、上記
のダイレクトティーチ法と同様に繁雑な操作が必要とな
る。

【０００７】さらに、新しい製品に対応するために製造
ラインの更新サイクルが短くなるほど、ロボットの軌道
教示の駆動コストの示す割合が大きくなり、軌道教示の
効率が問題となる。上記の実環境の誤差の問題で最初に
入力された軌道を最終的な軌道に編集する編集・調整作
業が軌道教示全体に占める割合が大きく、この部分での
ヒューマンインタフェースの改善の及ぼす影響は大き
い。

【０００８】また、軌道教示に限らず、軌道に代表され
るような３次元の情報を２次元の表示装置に表示するた
めの技術としては、従来、コンピュータグラフィックス
の分野で主に扱われている。しかしながら、マウス等の
２次元デバイスで３次元空間に存在するオブジェクトの
選択・移動・変更等の操作においては、単一オブジェク
トを扱うものであり、複数オブジェクトを同時に操作す
る技術はない。

【０００９】一方、２次元のグラフィカル・ユーザイン
ターフェースの技術分野では複数のオブジェクトを同時
に選択するためにはマウスのボタン押下とドローの組み
合わせにより押下位置とドロー位置を対角とする長方形
領域に含まれるオブジェクトを全て選択する「輪ゴム」
メタファーを用いた指定方式がある。この指定方式は、
３次元のオブジェクトを２次元表示した表示装置に対
し、「輪ゴム」メタファー方式により選択させるように
すると、不要なオブジェクトを多数含むことになり、使
い勝手が悪いという問題がある。

【００１０】本発明は、上記の点に鑑みなされたもので
あり、ロボット軌道に関わる情報を入力・編集する際に
使用者の負担をできるだけ軽減し、誤差の少ない軌道情
報を効率的に生成するロボット軌道を教示するための方
法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図を示す。

【００１２】本発明は、表示装置及びポインティング装
置を有するコンピュータ・システムを利用してロボット
の軌道を作成する方法において、コンピュータ・システ
ムの表示装置内にワークの形状情報と工具の接触点軌跡
情報とロボット軌道情報を視覚的イメージに変換して同
時に表示し（ステップ１）、任意にポイントされた２点
と表示画面状で交点を持つ形状情報、接触点軌跡情報、
ロボット軌道情報を選択し（ステップ２）、選択された
情報の輝度を変化させて表示させる。

【００１３】

【作用】本発明は、ディスプレイの画面上に２点を指定
し、その２点と交点をもつ形状情報、接触点軌跡情報及
びロボット軌道情報を選択することにより、２次元デバ
イスである表示画面とマウスを利用して、画面上に２点
を指定し、その２点間と画面上で交点をもつ表示オブジ
ェクト全てを選択し、表示することにより、利用者は複
数のオブジェクトを容易にかつ正確に選択することがで
きる。これにより、３次元空間中の情報を複数同時に選
択して編集することができ、軌道の修正作業の負担が軽
減し、総合的な選択オブジェクトに対しての操作効率を
向上させる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の軌道教示の方法と、システム
の図面を参照して詳細に説明する。

【００１５】図２は本発明の一実施例のコンピュータシ
ステムとロボットシステムの構成を示す。同図におい
て、ロボットシステムはロボットマニピュレータ１、セ
ンサー固定治具２、レーザーレンジスキャナ３、照射レ
ーザ光４により構成され、コンピュータシステム５は、
表示装置６、キーボード７、キーボード接続ケーブル
８、マウス９、マウス接続ケーブル１０、処理装置１
１、マニピュレータ・コントローラ１２、コンピュータ
接続ケーブル１３により構成される。

【００１６】コンピュータ・システム５の処理装置１１
は、グラフィックプロセッサ、記憶装置、中央演算処理
装置（図示せず）を含むことが望ましく、本実施例では
ワークステーションを利用する。処理装置１１には、表
示装置６、キーボード７及びグラフィック・ポインティ
ング装置であるマウス９が接続されている。表示装置６
は当技術分野で周知のように、カラーモニタまたは、白
黒モニタを利用して実施できる。キーボード７は標準の
コンピュータキーボードとすることが望ましく、ケーブ
ル８により処理装置１１に結合されている。

【００１７】なお、本実施例ではグラフィック・ポイン
ティング装置としてマウス９を用いるが、この例に限定
されることなく、ライトペンやタッチ画面、トラックボ
ール、ダイアルボタン等、どのようなグラフィックポイ
ンティング装置を用いてもよい。

【００１８】ロボット・マニピュレータ１の先端にはレ
ーザ・レンジスキャナ３が結合されている。ロボット・
マニピュレータ１は各関節軸にエンコーダ（図示せず）
を含むことが望ましい。エンコーダーにより、ロボット
・マニピュレータ１の位置・姿勢をキネマティック演算
により求めることができる。ロボット・マニピュレータ
１はダンパーモードで制御されることによって、作業者
は、レーザレンジスキャナ３を把持して、ロボット・マ
ニピュレータ１の可操作域内の自由な位置・姿勢にレー
ザレンジスキャナ３を移動することができる。レーザレ
ンジスキャナ３を加工作業の軌道に沿って移動させ、移
動中にレーザ光を照射することによって、加工ワーク台
１５上のワーク１４の形状を計測する。

【００１９】一回のレーザ光照射によって得られるワー
ク１４の形状を表す情報をフレーム情報という。レーザ
光を照射したときのレーザレンジスキャナ３の位置・姿
勢はその時のロボット・マニピュレータ１に含まれるエ
ンコーダの値によって求められる。測定されたセンサ情
報とレーザ・レンジスキャナ３の位置・姿勢情報はコン
ピュータ・システム５に転送される。

【００２０】コンピュータ・システム５は測定されたフ
レーム情報とレーザレンジスキャナ３の位置・姿勢情報
とを演算することにより、世界座標系におけるワーク１
４の形状の表面の位置情報を算出する。このワーク１４
の表面の位置情報はサーフェスモデルと呼ばれる。

【００２１】本発明では、ワーク１４形状のサーフェス
モデルを得るために、ロボット・マニピュレータ１とレ
ーザレンジスキャナ３を使用するが、ＣＡＤ（Computer
Aided Design)システムや、３次元レーザデジタイジン
グシステム等どんなサーフェスモデル生成装置を利用し
て本発明の方法を実施してもよい。

【００２２】ロボット・マニピュレータ１はマニピュレ
ータ・コントローラ１２に接続されており、マニピュレ
ータ・コントローラ１２は、コンピュータ・システム５
から転送されたロボットの位置・姿勢目標値をもとに目
標位置姿勢となるようロボット・マニピュレータ１を制
御する。

【００２３】本実施例では、ロボット・マニピュレータ
１は、６自由度垂直多関節型ロボットが使用されている
が、目標位置・姿勢に手首を制御できるどんなロボット
・マニピュレータを用いてもよい。

【００２４】図３は、本発明の一実施例の動作を説明す
るための図を示す。

【００２５】同図にはコンピュータ表示画面１６が表示
されている。このコンピュータ表示画面１６には、主表
示ウィンドウ１７、メニューバー１８、プルダウンメニ
ュー１９、マウス・カーソル２０、座標アイコン２１、
工具編集サブウィンンドウ２３、フレーム編集サブウィ
ンドウ２４、形状編集サブウィンドウ２５、選択ボタン
２６、選択ボタン群２７、フレーム情報２８、接触点軌
跡２９、ロボット軌道３０、複数オブジェクト選択線分
４０、アンカーポイント４１、複数オブジェクト選択線
分指定ポイント４２が示される。

【００２６】表示画面１６の主表示ウィンドウ１７には
対象とするワーク１４から得られた多数のフレーム情報
とそれぞれのフレーム情報のなかで定められた接触点を
結んだ接触的軌跡２９及びロボット軌道３０が表示され
ている。フレーム情報はサーフェスモデルに含まれる観
測点群により構成され、このフレーム情報に含まれる観
測点群は順に接続されている。この実施例ではフレーム
情報のなかでワーク１４のエッジを構成する点が接触点
であり、接触点軌跡２９は、接触点が順次接続されて表
示されたものである。

【００２７】なお、ワーク１４のサーフェスモデルの表
示は、本実施例のような複数のフレーム情報による表示
の他に三角パッチ等の平面パッチ法のようなどのような
表示法を利用して実施してもよい。

【００２８】次に、メニューバー１８をマウスカーソル
２０でクリックすることによりプルダウンメニュー１９
が表示される。利用者は、プルダウンメニュー１９に含
まれるコマンドをマウスカーソル２０で選択することに
より、コマンドを指定することができる。

【００２９】なお、コマンドの選択法は、本実施例のよ
うなプルダウンメニューの他のグラフィカルユーザイン
ターフェースに基づく指定法を利用して本発明を実施し
てもよい。

【００３０】なお、上記のことから、コマンド選択法は
いわゆるグラフィカルインターフェース標準、例えば、
アップル社の提唱するツールボックス或いは、オープン
ソフトウェア社の提唱するＯＳＦ／Motif などを利用し
て本発明を実施してもよい。

【００３１】選択ボタン群２７は、複数の選択ボタン２
６によって構成される。選択ボタン２６は例えばフレー
ム情報を表示するかしないかのオン・オフを指定するた
めに用いられる。表示のオン・オフの指定には選択ボタ
ンのほかにもメニューダイアログボックス等どのような
ユーザインターフェースを用いてもよい。

【００３２】次に動作について説明する。

【００３３】利用者は、ダンパー制御されたマニピュレ
ータの先端部を持ち、レーザレンジスキャナ３をワーク
１４上での接触点軌跡となるべき軌跡をレーザレンジス
キャナ３のスキャン領域の中に常に含むようにしてマニ
ピュレータ１を移動させる。レーザレンジスキャナ３は
移動中、一定間隔あるいは、利用者の指定したタイミン
グでワーク１４の形状を計測する。レーザレンジスキャ
ナ３が１回に計測した情報をフレーム情報（図示せず）
と呼ぶ。フレーム情報を計測した時点のレーザレンジス
キャナ３の世界座標系における位置・姿勢情報をマニピ
ュレータの各関節に設置されたエンコーダ（図示せず）
をもとに生成する。この位置・姿勢情報をロボット位置
姿勢情報と呼ぶ。計測したフレーム情報とロボット位置
・姿勢情報は逐次コンピュータ・システム５に転送され
るか、あるいは、移動中の情報を蓄えておいて、運動終
了後にコンピュータ・システム５に一括転送される。

【００３４】コンピュータ・システム５は転送されたフ
レーム情報とロボット位置・姿勢情報をもとにフレーム
情報を世界座標系に変換し、主表示ウィンドウ１７にフ
レーム情報２８として表示する。主表示ウィンドウ１７
に表示されたフレーム群はワーク１４の形状を表す形状
情報として利用者に利用させることができる。フレーム
情報２８には接触点が含まれている。ユーザインターフ
ェースを通じて利用者がそれぞれのフレーム情報に対し
１点の接触点を定める。さらに、接触点情報の連鎖を接
触点軌跡として、主表示ウィンドウ１７に表示する。こ
の接触点軌跡に対し、利用者はその接触点軌跡をもとに
軌道の軌跡をユーザインターフェースを用いて入力す
る。

【００３５】形状点軌跡及び軌道はそれぞれ形状点及び
教示点で構成されている。表示画面１６中ではフレーム
情報２８、形状点、形状軌跡２９、教示点、軌道３０等
が選択対象となる。選択はマウス９の操作によって、画
面中を移動するマウス・カーソル２０を選択対象上に持
ってきた後、マウス９のボタンをクリックすることによ
り行う。選択された対象の位置・姿勢はマウスを操作す
ることにより行う。位置・姿勢の操作は、マウス以外の
多次元データの入力装置を用いて行ってもよい。

【００３６】利用者は、主表示ウィンドウ１７に含まれ
るオフジェクトを選択するときには、マウス・カーソル
２０を該当オブジェクトの表示位置に移動させ、マウス
９のボタンをクリックする。本実施例では、主表示ウィ
ンドウ１７が軌道編集ウィンドウであるときには教示
点、軌道要素、軌道等軌道を表現するオブジェクトのみ
が選択可能である。フレーム情報、或いは形状情報を選
択し、操作したい場合にはそれぞれサブウィンドウに表
示されているフレーム情報窓、形状編集窓をマウス９で
クリックすることにより主表示ウィンドウ１７に呼び出
してから操作を行う。

【００３７】マウスクリックによるオブジェクト選択操
作により単一のオブジェクトを選択することができる
が、複数のオブジェクトを同時選択したいときには、マ
ウスカーソル２０を画面上のオブジェクトがない位置に
移動させてマウスボタンをクリックし、その位置をアン
カーポイント４１と定めた後、ボタンをクリックしなが
ら移動するドロー操作を行う。ドロー操作中、画面には
アンカーポイント４１とマウス・カーソル２０を結んだ
線分が表示される。

【００３８】利用者は、選択したい複数のオブジェクト
が全てアンカーポイント４１とマウス・カーソル２０を
結ぶ線分と画面上で重なり部分を持つようにマウス・カ
ーソル２０を移動させて適当と思われる位置に来たとき
にマウスボタンをはなすことにより、その時点でのマウ
ス・カーソル位置を複数オブジェクト選択線分指定ポイ
ント４２として定める。

【００３９】複数オブジェクト選択線分はこのようにし
てアンカーポイント４１と複数オブジェクト選択線分指
定ポイントの２点を結んだ線分として決定される。この
複数オブジェクト選択線分４０と表示画面上での交点を
もつ選択可能なオブジェクトが選択される。

【００４０】利用者が複数オブジェクト選択線分４０と
交点をもつオブジェクト以外のオブジェクトも選択した
い、或いは選択したオブジェクトのうちの一部のオブジ
ェクトを選択から外したい、と望むような場合は、Open
Software Foundation著「OSF/Motif スタイルガイドリ
リース１．１」トッパン、１９９１の第３章３．１節選
択モデルに示されるような不連続選択の手法を用いれば
よい。

【００４１】図４は本発明の一実施例の一連の動作を示
す高水準流れ図を示す。

【００４２】同図に示すフローチャートは本発明に上記
の不連続選択の手法を適用したものである。

【００４３】ステップ１０：表示画面上の編集するオブ
ジェクトを含むウィンドウを選択する。

【００４４】ステップ１１：マウス９をクリックするこ
とによりアンカーポイントを得る。

【００４５】ステップ１２：複数のオブジェクト選択線
分指定ポイントを得る。

【００４６】ステップ１３：ディスプレイ管面に垂直で
アンカと指定ポイントを含む平面Ａを求める。

【００４７】ステップ１４：各要素に対して以下のステ
ップ１５、１６、１７を実行し、平面Ａと交差する要素
を求める。

【００４８】ステップ１５：要素上の始点を平面Ａを表
す式に代入した値をａとする。

【００４９】ステップ１６：始点を除いた要素上の各点
に対して以下のステップ１７を行う。

【００５０】ステップ１７：要素上の点を平面の式に代
入し、その値をｂとし、ａｘｂ＜０であれば、平面Ａと
交差する要素として記憶する。

【００５１】ステップ１８：平面Ａに垂直でアンカと指
定ポイントを含む平面Ｂを求める。

【００５２】ステップ１９：線分ＡＢの中心をＯとす
る。

【００５３】ステップ２０：交差する要素として記憶さ
れた各要素に対して以下のステップ２１、２２を実行し
要素を返却する。

【００５４】ステップ２１：平面Ａと要素の交差する点
のＢへの投影点をＸとする。

【００５５】ステップ２２：ＯＡ間の距離＞＝ＯＸ間の
距離であれば、選択すべき要素として返却する。但し、
ＯＡは中心ＯとＡの線分であり、ＯＸは中心Ｏと投影点
Ｘの線分である。

【００５６】上記のように本発明は、ワーク１４の形状
をフレーム情報を入力し、このフレーム情報を処理し
て、接触点軌跡、軌道情報及びフレーム情報によりワー
ク１４の空間位置関係を把握する。

【００５７】なお、本実施例では、ワークステーション
及びマウスを用いてたが、上記の要件を満たす装置であ
れば、上記の例に限定されない。

【００５８】

【発明の効果】上述のように、本発明の方法を適用する
ことにより、利用者は軌道生成に必要なワークの形状を
フレーム情報の形式で容易に入力することができ、ま
た、形状情報だけでなく、フレームの順序という形式で
開始点から終点までへの方向の情報も同時に入力するこ
とができる。ま、フレーム情報に基づいてマニピュレー
タの軌跡を生成しているために、利用者は正確なロボッ
トの位置を保って入力しなくとも、たかだか、レーザレ
ンジスキャナの測定領域のなかに接触点が入るように移
動させればよいため、利用者の軌道教示を大幅に簡易化
することができる。

【００５９】また、利用者は、表示画面に表示されたフ
レーム情報によって、ワークの形状を理解することがで
き、フレーム情報を処理して得られる接触点軌跡、及び
接触点軌跡に基づいて作成された軌道情報の３種類の情
報を同時に表示画面の中でその位置・姿勢を比較しなが
ら確認することができる。これにより、利用者は、３種
類の情報の空間位置関係を把握しやすく、最終的な出力
情報である軌道情報を効率良く作成することができる。

【００６０】次に、本実施例では、２次元デバイスであ
る表示画面とマウスを利用して、画面上に２点を指定し
てその２点間と画面上で交点を持つ表示オブジェクトを
全てを選択して表示する手段を提供したため、利用者は
複数のオブジェクトを容易にかつ正確に選択することが
できる。これにより、選択オブジェクトに対しての操作
効率を総合的に向上させるロボット教示装置を提供する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】本発明の一実施例のコンピュータシステムとロ
ボットシステムの構成図である。

【図３】本発明の一実施例の動作を説明するための図で
ある。

【図４】本発明の一実施例の一連の動作を示す高水準流
れ図である。

【符号の説明】

１ ロボット・マニピュレータ ２ センサ固定治具 ３ レーザレンジスキャナ ４ 照射レーザ光 ５ コンピュータ・システム ６ 表示装置 ７ キーボード ８ キーボード接続ケーブル ９ マウス １０ マウス接続ケーブル １１ 処理装置 １２ マニピュレータ・コントローラ １３ コンピュータ接続ケーブル １４ 加工ワーク １５ 加工ワーク台 １６ コンピュータ表示画面 １７ 主表示ウィンドウ １８ メニューバー １９ プルダウンメニュー ２０ マウス・カーソル ２１ 座標アイコン ２３ 工具編集サブウィンドウ ２４ フレーム編集サブウィンドウ ２５ 形状編集サブウィンドウ ２６ 選択ボタン ２７ 選択ボタン群 ２８ フレーム情報 ２９ 接触点軌跡 ３０ ロボット軌道 ４０ 複数オブジェクト選択線分 ４１ アンカーポイント ４２ 複数オブジェクト選択線分指定ポイント

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表示装置及びポインティング装置を有す
   るコンピュータ・システムを利用してロボットの軌道を
   作成する方法において、 該コンピュータ・システムの表示装置内にワークの形状
   情報と工具の接触点軌跡情報とロボット軌道情報を視覚
   的イメージに変換して同時に表示し、 任意にポイントされた２点と表示画面上で交点を持つ形
   状情報、接触点軌跡情報、ロボット軌道情報を選択し、 選択された情報の輝度を変化させて表示させることを特
   徴とするロボット軌道を教示するための方法。