JPS5815801B2 - 工業用ロボツトの軌跡制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、移動するアームと、このアーム先端に姿勢の
変更が可能な手首とをもつロボットに関する。

〔従来技術〕

工業用ロボットは一般に手首の取付位置を規制するよう
寿３次元の動作をするアームと、曲げ。

回転等の姿勢制御がなされる手首を持っている。

第１図はこのようなロボットの一例を示す直交軸形式の
場合の概略図であり、ベース上を長手方向に走行する横
行軸、横行軸上に設けられた支柱を上下する上下軸、上
下軸に取り付けられアームを前後させる前後軸によって
本体が構成され、各々の軸に対応するシリンダを用いた
アクチュエータ１．２，３によって、駆動される。

アームの先端に、は旋回と曲げの２つの自由度を有する
手首が、設けられるが、これらの各軸は油圧モータを用
いたアクチュエータ４，５によって駆動される。

（以下、これらの各動作軸をＢ軸、Ｖ軸、Ｈ軸、Ｔ軸、
Ｂ軸と呼ぶ。

）また、これらの各軸の動作に対応する位置は、それぞ
れの軸に対応して設けられた位置検出器で検出される。

第１図Ａは全体図、Ｂは手首の部分図で、手首の部分が
Ｂの場合もあることを示している。

ここで手首先端位置は作業位置あるいは作業点と呼ばれ
る場合があり、第１図の場合には溶接トーチの先端をい
う。

すなわち実際にアークが放たれる点を指す。

なお、本発明は溶接のように軌跡制御を必要とするもの
に有効である。

第１図は溶接作業を行なっている状態を示しており、ア
ームの先端に設けられた溶接トーチ１１の先端、すなわ
ち手首先端位置を所定の軌跡に沿って移動させ、溶接母
材１２の溶接を行々う。

このような工業用ロボットに任意の動作を行なわせるに
は、従来、第２図のブロック図に示すようなプレイバッ
ク制御方式が用いられていた。

第２図を説明すると１３は記憶装置、１４は位置レジス
タ、１５は位置偏差計算回路、１６はサーボ増幅回路、
１７はサーボ弁、１８は機構部、１９は位置検出器、２
０はタイミング回路である。

この装置で位置レジスタから与えられた位置指令は位置
検出器の出力との間で位置偏差が求められ、これをサー
ボ増幅回路で増幅した操作指令でサーボ弁が励磁される
。

サーボ弁によって操作指令に応じた流量の油が第１図に
示すようがアクチュエータを含む機構部に加えられて、
工業用ロボットが動作し、これと連結した位置検出器の
出力、すなわち位置フィードバック信号が変化するので
、機構部は位置指令によって与えられる位置に向って位
置決めされる。

また、位置レジスタはアップダウンカウンタによって構
成されておシ、外部から与えられる手動指令によって、
その出力を増減させることもできる。

次に、工業用ロボットとしての動作について説明する。

まず、工業用ロボットに対して実行すべき作業を教示す
る場合には、手動指令によって工業用ロボットを所望の
点に位置決めした後、書込指令によって、この位置を記
憶装置に記憶するという操作を繰り返す。

記憶装置には、この結果、第３図に示すような形でデー
タが記憶される。

すなわち、位置決めする順序に対応するステップ番号毎
に、Ｂ軸、Ｈ軸、Ｖ軸、Ｔ軸、Ｂ軸の位置データ ｘＱ
２ Ｖｏ ｔ ｚｏ ５ δＯ＞ θｏ
”” °“ＸＨｔ ｙＨ＞ｚｎ、δ。

、θ。と外部機器とのデータの受は渡しを表わす制御デ
ータＣ８，・・・・・・Ｃｎが記憶されている。

このようなデータに基づいて位置決めを行なう場合には
、タイミング回路が位置偏差を監視し、あるステップに
対する位置決めが完了したことを検知すると、制御デー
タに基づいて外部条件をチェックし、条件が成立すると
記憶装置に対して読出し指令を発し、次のステップの位
置データが位置レジスタに移される。

このようにして、位置レジスタの内容が次々に更新され
、工業用ロボットは教示されたとおりの作業を実行する
。

このような従来の制御方法では、工業用ロボットのＳ、
ｖ、Ｈ２Ｔ、Ｂの各動作軸についてそれぞれの制御ルー
プで並行して制御を行なっている。

ところが、第１図に示した工業用ロボットでは、Ｂ、Ｔ
の動作軸で決定される手首の姿勢が、Ｓ。

Ｖ、Ｈの動作軸で決定される手首の先端位置に対して影
響を及ぼすことになり、アームの先端位置が同一でも手
首姿勢が変更されると手首先端位置は変動する。

これは、工業用ロボットにアーク溶接のような作業を行
なわせる場合に問題となる。

以下これを説明する。

アーク溶接のような作業では、ロボットの手首先端は定
められた軌跡上をトレースさせ、また手首の姿勢は時々
変化させなければならない。

手首の姿勢が一定である時には従来の制御方式でもアー
ム先端の位置に関するＨ、Ｖ、ｌ−軸を公知の補間法を
適用して動作させることにより、トレースさせるべき軌
跡上の何点かを教示して手首先端を軌跡制御することが
できる。

しかし、これに手首の動作（姿勢の変更、１を加えると
先にのべたように手首姿勢の影響により手首先端位置に
変化が生じるので、ティーチングの時、手首姿勢に関す
るＢ、Ｔの動作軸を少しずつ動作させ、その都度アーム
のＳ、Ｈ２■の各動作軸を修正しながら、位置決めし、
データを記憶装置に書き込寸なければならない。

したがって、教示に多大の時間が必要になること、さら
には手首姿勢の変更を伴う教示をおこなうときは、教示
点数を増加して細かいピッチでの教示が必要になるとと
もに大容量の記憶装置が必要になるなどの問題があった
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は手首姿勢の変更教示があっても手首先端
位置が変動しないロボットを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、アーム先端に取付けられた手首の、姿
勢の変更教示（手首の動作軸Ｂ、Ｔに関する教示）にお
いて、該手首の姿勢の変更教示に伴う該手首先端位置の
変動を該アーム先端位置で補正する補正手段を設け、該
手首先端が当該位置を保持した状態で該手首の姿勢の変
更教示ができることにある。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を第１図に示した工業用ロボットの
例について説明する。

第４図は本発明の一実施例を示すブロック図である。

２０は補間回路で与えられた２点の位置指令を直線補間
法によって細分補間し、位置指令に変換する部分、２１
は教示の際に補間回路を切離す切替接点、２２は位置補
正装置で、後で説明するように手首先端位置の指令に対
して補正を加えてアーム先端位置に関する各動作軸の位
置指令への変換と、手首姿勢θ、δによる補正をおこな
う部分、２３は駆動装置で第２図におけるサーボ弁と機
構部をまとめたものである。

第４図において、ｘ、ｙ、ｚは第５図に示すようにそれ
ぞれＳ 、Ｈ，Ｖ軸に関する手首２゛４の取付位置であ
るＢ軸、Ｔ軸の交点０の座標であり、ｘ’ 、 ｙ 、
ｚはそれぞれＳ、Ｈ，Ｖ軸に関する手首２４の先端位
置Ｐの座標である。

θはＴ軸に対する姿勢角度で、正確には第５図に示すよ
うにＳ軸と平行な半直線ＯＡから０１３４での回転角で
ある。

またδは（Ｂ軸の姿勢変位角度で）、Ｔ軸からの手首Ｏ
Ｐまでの回転角である。

次に、この実施例の動作を教示の場合から説明する。

教示の場合には作業者が手首先端位置に関する情報を記
憶する位置レジスタ１４ａと手首姿勢の姿勢レジスタ１
４ｂにそれぞれ手動指令を加える。

姿勢レジスタ１４ｂの出力はＢ、Ｔ軸に関する姿勢指令
δ、θとして位置偏差計算回路１５に送られ、手首はそ
の指令により動作する。

一方、位置レジスタ１４ａの出力は手首先端位置の指令
ｘ）ｙ、ｚであり、次に説明する位置補正装置２２の働
きにより手首先端は手動指令に従って動作する。

なお、この際、補間回路は切替接点によって切離されて
いるので動作に関与しない。

第５図ａ、ｂ、ｃにおいて、手首２４の長さＯＰをｌと
すると、手首先端の変位が、Ｓ 、Ｈ。

Ｖ各軸に及ぼす影響はそれぞれ７１ ｓｉｎδｓｉｎθ
。

ｌ ｓｉｎδｃｏｓθ、１ｃｏＳδとなる。

すなわち、ＯＰのＳＨ平面〜の投影長は１ｓｉｎδであ
るから、Ｖ軸すなわちＳ軸への投影長はｌ ｓｉｎδｓ
ｉｎθ、Ｖ軸すなわらＨ軸への投影長はｌ ｓｉｎδｃ
ｏｓθ、２軸すなわちＶ軸への投影長はｌ ｃｏｓδ、
となる。

いま与えられた手首先端位置Ｐの指令がｘ、ｙ、ｚであ
ったとすると、アームの動作で決定すべき手首の取付位
置ＯにおけるＳ。

Ｈ，Ｖ軸での動作指令ｘ、ｙ、ｚはこれらにより補正し
た値にしなければいけない。

すなわち手首の姿勢によって補正された（１）〜（３）
式のようにしなければいけない。

ｘ ＝ ｘ −１ｓｉｎδ・ｓｉｎθ ・・・・
・・・・・・・・ （１）Ｙ−芒ｄｓｉｎδ・ｃｏｓθ
・・・・・・・・・・・・（２）ｚ＝ｚ＋１ｓｉ
ｎδ ・・・・・・・・・・・・・・・ （
３）位置補正装置２２は位置検出器１９より与えられる
Ｂ、Ｔ軸の変位δ、θを用いて（ｔ） ？ （２） 、
（３）式の補正演算を行なうとともに手首の先端位置Ｐ
の指令ｘ、ｙ、ｚを実際のアームの３軸の指令Ｘ。

ｙ、ｚ’（アーム先端位置）に変換するものである。

この演算は三角関数と乗算を含むかなり面倒なものであ
る。

もちろんコンピュータを用いれば簡単に計算できるが、
溶接機単体の制御だけのためにコンピュータを用いるの
はコストの点で難しい。

しかし、集積回路１個にコンピュータ中央演算部と同じ
機能を持たせたマイクロコンピュータが実用化されつつ
あるので、これを利用すれば問題ない。

幸い、溶接用のロボットは他のものと比較して動作が極
めて遅く、補正の計算は５０ｍ５程度のサンプリング周
期で十分であるので、マイクロコンピュータの用途とし
ては最適なものである。

ただ、三角関数を数値計算で求めるのは膨大な時間を要
するので、この部分は三角関数を記憶したテーブルを読
出すだけにする。

したがって、マイクロコンピュータが補正計算を行なう
際の処理は第６図に示すフローチャートのようになる。

さて、第４図の実施例の教示の説明にもどると、手動指
令により手首先端が適切な位置に達し、手動姿勢も決定
された時の位置レジスタ１４ａ、姿勢レジスタ１４ｂの
出力を記憶装置１３に書き込む。

これを繰り返すことが教示の作業である。すなわち、教
示の作業が完了すると、教示点のデータは従来のように
工業用ロボットの全動作軸についての位置データという
形ではフｔく、Ｂ、Ｔ軸の所謂姿勢データδ、θと手首
先端位置のデータＸ。

ア、２の形で記憶装置１３に記憶される。

−通常の動作で・は、切替接点２１によって補間回路が
接続され、記憶装置に蓄積されたデータを補間しながら
、ロボットが教示された動作を再現する。

ただし補間回路による補間は必ずしも必要ではなく、位
置補正によって補正された教示点数で光分な精度が得ら
れない場合に用いられる。

補間装置がいわゆる直線補間に用いられる場合について
以下説明する。

ある教示点の位置決めが完了すると、Ｂ 、Ｔ軸につい
ては次の教示点の姿勢データδ、θが記憶装置から姿勢
レジスタ１４ｂに読出され、ロボットの手首はこの指令
値に向って動作する。

一方、手首先端位置ｘ、ｙ、ｚについては、ある教示点
の位置決めが完了すると、次の教示点が位置レジスタに
読出されるが、補間回路に新たに与えられた教示点Ｘｎ
、ｙｎ、ｚｎと前回の教示点ｘｎ−１ｔＶＨ−１’ ”
ｎ １の間で補間計算を行ない、両教示点を結ぶ直線上
を一定間隔で細分した補間点についての位置データを一
定周期で順次位置補正装置２２に送る。

補間は第７図に示すように教示点（Ｘｏ、ｙｏ。

２詞 、 （Ｘ１ｔ ｙｌ 〕 Ｚｌ ） −
“° （Ｘｎ 、 ｙ ｎ 。

ｚｎ）・・・・・・の間をＰ分割して、細かいピッチで
データを出力する計算である。

したがって、たとえば、（ＸＨ−ｔ ５ ’Ｉｎ−Ｈｔ
ＺＨ−１）に到達した場合には、（Ｘｎ、ｙｎ、Ｚｎ
）のデータを読込み、次式のような計算を行ないながら
データを出力すればよい。

たとえば、Ｐ点におけるＸ軸のデータをＸ、とすると しかし、この計算をマイクロコンピュータで行なうと膨
大な計算時間を必要とし、工業用ロボットを滑らかに動
作させることはできないので、ある溶接線の溶接を完了
し、次の溶接線を始める前′に予備計算を行なっておく
。

たとえば、（ｘｏ。ｙｏｔＺｏ）ｔ （ＸＩ＞ ｙ
ｌ＞Ｚｌ ）ｔ”” °゛ ｔ （ＸＨ＞ｙｎ、ｚ
ｎ）、・・・・・・を一本の溶接線とするとなる計算式
で各教示点間の各軸の移動ピッチを計算し、第８図のよ
うなテーブルをマイクロコンピュータのメモリーの中に
準備する。

この後、溶接を開始するが、この時には補間は第９図の
フローチャートに示すような手順で実行される。

すなわち、壕ずｎ＝ｏのデータを読み込み、これＫ ｄ
ｘ ｔ ｄｙ ” ＺをＰ回加えてｎを１つ増すとい
う操作を繰り返す。

ここで、以上のようにして制御されるロボットの動作を
、第１０図に示すようなＬ形のパターンの水平隅肉溶接
を行なわせる場合について具体的に説明する。

第１０図において、３５は溶接線、３６は第１図に示す
工業用ロボットの手首に取り付けられた溶接機のトーチ
を示している。

上述した実施例によれば、溶接線３５に沿って、例えば
図中のａ。

ｂ）ｃ、ｄ、ｅの５点についてトーチ３６の先端位置と
その姿勢を教示すればよい。

このティーチングにより通常の動作は次のように行なわ
れる。

まずトーチ３６の先端がａ点に達した時、ｂ点の位置デ
ータが補間回路２０に読み出されてａ、ｂ２点間の補間
の計算が行なわれ、トーチ３６はａ点からｂ点まで進行
する。

ｂ点にトーチ３６が達すると０点の位置データが記憶装
置１３からレジスタ１４ ａ ＞ １４ ｂを経由して
読み出される。

この時、トーチの姿勢を変更する指令が位置決め装置１
５に与えられ、トーチ３６は先端が０点に達するまでに
Ｂ、Ｔ軸について一定速度で回転してその姿勢を変える
。

す々わち０点の姿勢がｂ点と姿勢と異なるとき、０点の
姿勢に向って姿勢の変更がおこなわれるのである。

これに並行してアームも動作するがＶ、Ｈ，Ｓ軸につい
ての動作指令は上述したように、その時々のＢ ｔ Ｔ
軸の姿勢の変化に伴う変位に基づき補正がなされている
ので、トーチ３６の先端はａ点からｂ点に進行した時と
全く同じに等速で直進する。

ｃ、ｄ、ｅ各点の間でも同様であり、トーチ３６はその
姿勢を変えながら円滑に溶接線３５をトレースする。

本実施例によると手首の姿勢変更も並行して行なわせな
がらロボットの手首の先端を少ない教示点数で所定の軌
跡を辿るようにトレースさせることができる。

従って、ティーチングの労力が軽減でき、また記憶装置
も容量の大きなものでなくてよい。

また補間の例として示した手首先端位置Ｘ ｐ、ｙｐ。

Ｚ、については実施例に示した直線補間だけでなく、公
知の他の補間法も適用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば手首の姿勢変更をおこなっても手首先端
位置が変動しないように制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御対象の例として示す工業用ロボッ
トが溶接作業を行っているときの斜視図、第２図は従来
の代表的な工業用ロボットの制御方式を示すブロック図
、第３図は第２図に示した従来の制御方式によるときの
工業用ロボットの記憶装置に記憶されるデータを示す表
、第４図は本発明の１実施例を示すブロック図、第５図
は第１図の工業用ロボットの手首と各動作軸との位置関
係を示す図、第６図は本発明の実施例における補正の計
算を行うときの処理のフローチャート、第７図は本発明
に用いる補間法を説明する図、第８図は第７図で説明し
た補間法をマイクロコンピュータで実施するときのメモ
リの内容を示す図、第９図は第４図に示した実施例の工
業用ロボットの作業実行のフローチャート、第１０図は
第４図に示した実施例の工業用ロボットの動作を説明す
るための図である。 １・・・・・・横行軸アクチュエータ、２・・・・・・
上下軸アクチュエータ、３・・・・・・前後軸アクチュ
エータ、４・・・・・・手首旋回アクチュエータ、５・
・・・・・手首曲げアクチュエータ、６・・・・・・横
行軸位置検出器、７・・・・・・上下軸位置検出器、８
・・・・・・前後軸位置検出器、９・・・・・・手首旋
回位置検出器、１０・・・・・・手首曲げ位置検出器、
１１・・・・・・溶接トーチ、１２・・・・・・溶接母
材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも２次元子面内の任意の位置に位置決めが
   できる動作軸をもつアームと、前記アームの先端には少
   なくとも１つの動作軸をもつ手首とを備えたロボットに
   おいて、前記手首先端位置の教示指令値を与える位置レ
   ジスタと、前記手首姿勢の教示指令値を与える姿勢レジ
   スタと、前記手首の姿勢に関する信号を用いて前記位置
   レジスタの信号を前記アームの先端位置を決めるための
   信号に変換する変換手段と、前記変換手段の出力信号と
   前記姿勢レジスタの信号を入力信号として前記アームの
   動作軸、前記手首の動作軸を駆動位置決めする駆動手段
   とを有することを特徴とするロボット。