(57)【要約】【課題】操作者が装置の先端に配置された対象物（ワーク）の部位に対して、位置や姿勢を装置の自由度の範囲内で設定すれば、所望の位置や姿勢となる駆動すべき関節の回転・移動量を迅速に演算することができるようにする。【解決手段】本発明の多関節リンク機構１０は、駆動源により駆動される駆動関節１１と、駆動関節１１の動きに伴って従動的に動く従動関節１２とを有するものであって、まず、多関節リンク機構１０から、ワークＷの位置・姿勢を変化させる開ループリンク機構を選び出し、選定した開ループリンク機構を構成する各関節の移動・回転量を導出し、導出された開ループリンク機構の各関節の移動・回転量を固定値として、開ループリンク機構の関節の少なくとも一部及び非選定とされた関節で構成された閉ループリンク機構の各関節の移動・回転量を導出する。【選択図】図１
2014231113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多関節型のロボットと、当該ロボットの周辺装置として配備された多関節リンク機構とからなるロボットシステムにおいて、前記多関節リンク機構に配置された対象物を所望の位置・姿勢に動かすために、当該多関節リンク機構の各関節の移動・回転量を決定する方法であって、
前記多関節リンク機構は、駆動源により駆動される駆動関節と、前記駆動関節の動きに伴って従動的に動く従動関節とを有しており、以下の(i)〜(iii)の工程を行うことで、前記駆動関節及び従動関節の移動・回転量を決定することを特徴とする多関節リンク機構の逆運動学解法。
(i)  前記多関節リンク機構から、前記対象物の位置・姿勢を変化させる最小限のリンク構成からなる開ループリンク機構を選定する。
(ii)  前記多関節リンク機構に載置された対象物の所望の位置・姿勢より、(i)で選定した開ループリンク機構を構成する各関節の移動・回転量を導出する。
(iii)  (ii)にて導出された開ループリンク機構の各関節の移動・回転量を固定値として、前記開ループリンク機構の関節の少なくとも一部及び非選定とされた関節で構成された閉ループリンク機構の各関節の移動・回転量を導出する。
【請求項２】
前記開ループリンク機構として、
前記対象物を起点とし、最短距離でリンク機構の固定側に達するリンク節及び関節から構成されるリンク機構を採用することを特徴とする請求項１に記載の多関節リンク機構の逆運動学解法。
【請求項３】
前記多関節リンク機構が、対象物が載置され且つ当該対象物の位置、姿勢を可変とするポジショナとされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の多関節リンク機構を有する装置の逆運動学解法。
【請求項４】
多関節型のロボットと、当該ロボットの周辺装置として配備された多関節リンク機構とが備えられたロボットシステムにおいて、前記ロボット及び多関節リンク機構の教示データを決定する教示データ作成装置であって、
前記教示データ作成装置が、請求項１〜３のいずれかに記載された多関節リンク機構の逆運動学解法を実行するように構成されていることを特徴とする教示データ作成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多関節リンク機構の逆運動学解法、及びこの逆運動学解法を基にして多関節リンク機構に対する教示データを作成する教示データ作成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンピュータに入力された多関節ロボットやポジショナ、走行台車といった周辺装置の機構に対して、駆動する関節の移動量、回転量を与えることで、３次元の図形データを移動、回転させ、ディスプレイ画面上に表示し、ロボットの動作軌跡を作成するオフライン教示システムがロボットの教示に用いられている。
多関節ロボットや、ポジショナなどの周辺装置は、各関節（ジョイント、軸）の回転動作や並進動作を行う軸方向や各関節間のつながりを定義したリンク機構で表現される。
【０００３】
特に、ポジショナなどの多関節リンク機構は、モータなどで駆動される駆動関節で構成されるが、ある種の多関節リンク機構は、駆動関節だけでなく、駆動関節の動きに連動して動く従動関節を有するものとなっている。
このような多関節リンク機構の動きを計算するに際しては、多関節リンク機構の動きを決定する必要十分な駆動関節の移動・回転量を与えると共に、従動関節の移動・回転量を幾何学的な解析手法による計算やヤコビ行列を用いた収束計算により導出するとよい。導出結果に従って図形データを移動・回転することで、教示データのグラフィック表示を可能としている。
【０００４】
上記した手法は、駆動関節の移動・回転量を与えることにより目的となる装置先端の位置・姿勢を決定するため、ロボット工学でいうところの広義の順変換（順運動学）に相当する。このような計算手法は、ＣＡＤソフトなどの機構解析などで、多関節リンク機構のループ機構（リンク同士を繋いでできる閉多角形）を自動定義し、所定の関節を動作させたときの挙動を計算するなどの従来技術として確立されている（例えば、非特許文献１などを参照）。
【０００５】
一方、コンピュータを用いたオフライン教示データの作成作業では、従動関節を含む装置の本来動かしたい部位、例えばワークを移動するポジショナであればその装置に搭載されているワークの位置や姿勢を装置の自由度の範囲内で所望の位置・姿勢の状態に動かすための駆動関節の回転・移動量の値を導出する必要がある。先ほどの駆動関節の移動・回転量を与えて装置の先端の位置・姿勢を決定する順変換に対して逆の問題であるためロボット工学では逆変換（逆運動学）といわれ、工学分野でのいわゆる逆問題である。
【０００６】
対象となる装置の多関節リンク機構が常に一定の構造を有するものであれば（固定的であれば）、逆変換を行うための計算は幾何学的（解析的）な解法が使用できるためさほど難しくない。
しかしながら、対象となる多関節リンク機構の構成は様々であり、ポジショナに限定したとしても、様々な構成のものが存在する（本実施形態の図２や図８など）。そのため、幾何学的な解法による逆変換では、多関節リンク機構の構成が異なるものに対しては使用できず、可能性のある全ての多関節リンク機構に対して事前に全ての幾何学的な解法を用意して対応できるようにしておく必要がある。
【０００７】
とはいえ、多関節リンク機構の組合せは無限にあり事前に全ての幾何学的な解法を用意しておくことは現実的では無く不可能である。どのように定義された多関節リンク機構でも対応できるような幾何学的（解析的）な解法はないため、駆動関節を少しずつ動かして順変換により装置を動作させ対象の部位が所望の位置や姿勢に対してある許容範囲内に入れば採用するといった計算時間がかかるもしくは操作者に負担のかかる方法で教示データを作成していた。
【０００８】
例えば、特許文献１には、多関節リンク機構の逆変換に用いることができると思われる機構解析モデリングシステムに関する技術が開示されている。
すなわち、特許文献１は、ＣＡＤ図の作成装置を用いて前記ＣＡＤ図で表示された機構部品形状をもとにリンク機構解析モデルを生成するシステムにおいて、入力された前記リンク機構解析モデルを、それと等価で、機構系の姿勢解析における独立変数を含むループで構成される前記リンク機構解析モデルに自動変換する機構解析モデリングシステムを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０５−２６６１４７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ロボット制御基礎論、吉川恒夫著，1988.11，コロナ社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述した如く、多関節リンク機構の組合せは無限にあり、事前に全ての幾何学的な解法を用意しておくことは現実的では無く不可能である。どのように定義された多関節リンク機構でも対応できるような幾何学的（解析的）な解法はないため、特許文献１に開示されたような機構解析モデリングシステムを用いつつ、駆動関節を少しずつ動かして順変換により装置を動作させ対象の部位が所望の位置や姿勢に対してある許容範囲内に入れば採用するといった計算時間がかかる乃至は操作者に負担のかかる方法で教示データを作成しなくてはならない。このような逆問題導出方法、教示データの決定手法が現実的でないことはいうまでもない。
【００１２】
そこで、本発明は、上記要望点に鑑み、操作者が装置の先端に配置された対象（ワーク）の部位に対して、位置や姿勢を装置の自由度の範囲内で設定すれば、所望の位置や姿勢となる駆動すべき関節の回転・移動量を迅速に演算する逆運動学解法、及びこの逆運動学解法を利用した教示データ作成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る多関節リンク機構の逆運動学解法は、多関節型のロボットと、当該ロボットの周辺装置として配備された多関節リンク機構とからなるロボットシステムにおいて、前記多関節リンク機構に配置された対象物を所望の位置・姿勢に動かすために、当該多関節リンク機構の各関節の移動・回転量を決定する方法であって、前記多関節リンク機構は、駆動源により駆動される駆動関節と、前記駆動関節の動きに伴って従動的に動く従動関節とを有しており、以下の(i)〜(iii)の工程を行うことで、前記駆動関節及び従動関節の移動・回転量を決定することを特徴とする。
【００１４】
(i)  前記多関節リンク機構から、前記対象物の位置・姿勢を変化させる最小限のリンク構成からなる開ループリンク機構を選定する。
(ii)  前記多関節リンク機構に載置された対象物の所望の位置・姿勢より、(i)で選定した開ループリンク機構を構成する各関節の移動・回転量を導出する。
(iii)  (ii)にて導出された開ループリンク機構の各関節の移動・回転量を固定値として、前記開ループリンク機構の関節の少なくとも一部及び非選定とされた関節で構成された閉ループリンク機構の各関節の移動・回転量を導出する。
【００１５】
好ましくは、前記開ループリンク機構として、前記対象物を起点とし、最短距離でリンク機構の固定側に達するリンク節及び関節から構成されるリンク機構を採用するとよい。
好ましくは、前記多関節リンク機構が、対象物が載置され且つ当該対象物の位置、姿勢を可変とするポジショナとされているとよい。
本発明に係る教示データ作成装置は、多関節型のロボットと、当該ロボットの周辺装置として配備された多関節リンク機構とが備えられたロボットシステムにおいて、前記ロボット及び多関節リンク機構の教示データを決定する教示データ作成装置であって、前記教示データ作成装置が、上記した多関節リンク機構の逆運動学解法を実行するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る多関節リンク機構の逆運動学解法技術を用いれば、操作者が装置の先端に配置された対象の部位に対して、位置や姿勢を装置の自由度の範囲内で設定すれば、所望の位置や姿勢となる駆動すべき関節の回転・移動量を迅速に演算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。
【図２】多関節リンク機構を有する装置を模式的に示した図である（第１実施形態）。
【図３】図２の多関節リンク機構をスケルトンで示した図である。
【図４】図２の多関節リンク機構に備えられた開ループリンクを示した図である。
【図５】図２の多関節リンク機構に備えられた閉ループリンクを示した図である。
【図６】図２の多関節リンク機構に備えられた閉ループリンクの教示データを計算することを示した図である。
【図７】図２の多関節リンク機構に備えられた閉ループリンクの教示データを計算することを示した図である。
【図８】多関節リンク機構を有する装置を模式的に示した図である（第２実施形態）。
【図９】（ａ）は、図８の多関節リンク機構をスケルトンで示した図であり、（ｂ）は、この多関節リンク機構に含まれる開ループリンクを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る多関節リンク機構を有する装置の逆運動学解法、及びこの逆運動学解法を基に多関節リンク機構に対する教示データを作成する教示データ作成装置の実施形態を、図を基に説明する。
そこで、まずは、本発明に係るロボットシステムの概略を述べ、続いて、本発明に係る多関節リンク機構を有する装置の逆運動学解法の説明を行う。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
［第１実施形態］
［ロボットシステム］
まず、本実施形態に係るロボットシステムの全体構成について説明する。
【００１９】
図１に示すように、ロボットシステム１は、溶接ロボット２と、溶接対象（対象物）となるワークＷを所定の姿勢で保持するポジショナ３と、溶接ロボット２およびポジショナ３を制御する制御装置４と、溶接ロボット２やポジショナ３に対する教示データをオフラインで作成するオフライン教示データ作成装置５と、からなる。溶接ロボット２は加工具として溶接トーチ６を把持する。なお、溶接ロボット２は産業用ロボットとして一般的な多関節型ロボットを図示しているが、他の形式のロボットでもよい。また、ポジショナ３に保持される対象物は、ワークＷには限定されない。
【００２０】
ところで、本発明の技術が適用される多関節リンク機構１０は、モータなどの駆動源により駆動される駆動関節１１を有すると共に、この駆動関節１１の動きに伴って従動的に動く従動関節１２とを備えている。このように駆動関節１１と従動関節１２を有する多関節リンク機構１０が、本願発明の適用対象となる。なお、関節と表現するものには、軸とジョイントの両方が含まれる。このような多関節リンク機構１０を有する装置として、本実施形態ではポジショナ３を例示して説明を進める。多関節リンク機構１０としては、溶接ロボット２を移動するスライダ（走行台車）や溶接ロボット２自体などであってもよい。
【００２１】
上記した溶接ロボット２、ポジショナ３およびスライダは、コンピュータを搭載した制御装置４により制御され、制御装置４ではあらかじめ動作を教示したプラグラム（教示データ）に従って溶接ロボット２を制御する。教示データは、制御装置４に附帯している教示ペンダント７を使用して作成する場合や、パソコンを利用したオフライン教示データ作成装置５を使用して事前に作成される。オフライン教示データ作成装置５により作成されたプログラムはメモリ装置やデータ通信を利用して制御装置４に転送される。
【００２２】
オフライン教示データ作成装置５は、表示装置としてグラフィックディスプレイを備え、入力装置としてキーボード、マウスを備えている。また、ワークＷのＣＡＤ情報を取り込むためのデータ入力手段として、記憶装置や通信装置が設けられている。これらを使用して溶接ロボット２の制御装置４に教示プログラム（作成された教示データ）の受け渡しを行うのは前述のとおりである。
【００２３】
上記したオフライン教示データ作成装置５では、本願発明の多関節リンク機構１０の逆運動学解法が実施され、その結果、ポジショナ３に対するオフライン教示データが算出されることとなる。  
以下、多関節リンク機構１０を有する装置の逆問題導出方法を用いた、ポジショナ３に対するオフライン教示データの算出方法について、述べることとする。
［関節、リンクの説明］
まず、図３には、対象となるポジショナ３（図２参照）がスケルトン表示されている。このスケルトンから明らかなように、対象となるポジショナ３を構成するリンク機構の中には、少なくとも１つの従動関節１２を備えるものとなっている。
【００２４】
具体的には、固定側Ｆ（基礎側）から延びる第１リンク１３があり、この第１リンク１３の先には第２リンク１４が設けられている。第２リンク１４は、水平軸回りに回動自在となっている回転従動関節１２ｃを介して第１リンク１３に接続されている。第２リンク１４の先端には、第２リンク１４の軸心と同軸状に回転する回転駆動関節１１ｂが設けられ、この回転駆動関節１１ｂを介して第２リンク１４の先端側に第３リンク１５が接続されている。この第３リンク１５には、ワークＷが取り付けられるワーク取り付け台８が設けられている。第２リンク１４の中途部からは第４リンク１６が水平突出状に張り出している。この第４リンク１６は第２リンク１４と一体に形成されており、第４リンク１６は第２リンク１４の一部と考えることができる。
【００２５】
一方で、第１リンク１３とは別の位置において、固定側Ｆ（基礎側）から延びる第５リンク１７が設けられており、第５リンク１７の先端と第４リンク１６の先端とは、並進駆動関節１１ａにより結合されている。並進駆動関節１１ａとしては、油圧シリンダのような伸縮自在に構成された部材が採用される。なお、並進駆動関節１１ａの両端と、第５リンク１７の先端及び第４リンク１６の先端とは、水平方向軸心回りに回動自在となっている回転従動関節１２ｅ，１２ｄにより連結されている。
【００２６】
ところで、図３の多関節リンク機構１０は、図４に示すような開ループリンクとなったリンク機構と、図５に示すような閉ループリンクとなったリンク機構とに分けて考えることができる。
すなわち、開ループリンク（開ループリンク機構）は、固定側Ｆ（基礎側）から延びる第１リンク１３、この第１リンク１３の先端に回転従動関節１２ｃを介してつながる第２リンク１４、第２リンク１４の先端に回転駆動関節１１ｂを介してつながる第３リンク１５及びワーク取り付け台８から構成されている。すなわち、開ループリンクとは、リンク部材と関節とから構成されており、その先端が自由端の状態となっているリンク機構のことである。
【００２７】
また、閉ループリンク（閉ループリンク機構）は、固定側Ｆ（基礎側）から延びる第１リンク１３、この第１リンク１３の先端に回転従動関節１２ｃを介してつながる第４リンク１６（第２リンク１４の基端側を含む）、第５リンク１７、そして、第５リンク１７の先端と第４リンク１６の先端とに回転従動関節１２ｄ，１２ｅを介して繋がっている並進駆動関節１１ａから構成されている。すなわち、閉ループリンクとは、リンク部材と関節とから構成されており、その先端が当該リンク機構を構成するいずれかの関節につながっていて、多角形の形状となっているリンク機構のことである。
［逆問題（逆運動学）の説明（概略）］
このような構成の多関節リンク機構１０の逆変換、すなわち、所望とするワークＷ（ワーク取り付け台８）の位置、姿勢を決定するために、並進駆動関節１１ａ及び回転駆動関節１１ｂをどの程度駆動させたらよいかを求め、その駆動量を教示データとして算出する方法は、以下の処理を行うことになる。
【００２８】
すなわち、以下の(i)〜(iii)の工程を行うことで、前記駆動関節１１及び従動関節１２の移動・回転量を決定し、教示データを求めることとしている。
(i)  多関節リンク機構１０から、ワークＷの位置・姿勢を変化させる最小限のリンク構成からなる開ループリンク機構を選定する。
(ii)  多関節リンク機構１０に載置されたワークＷの所望の位置・姿勢より、(i)で選定した開ループリンク機構を構成する各関節の移動・回転量を導出する。
【００２９】
(iii)  (ii)にて導出された開ループリンク機構の各関節の移動・回転量を固定値として、前記開ループリンク機構の関節の少なくとも一部及び非選定とされた関節で構成された閉ループリンク機構の各関節の移動・回転量を導出する。
以上の処理を行う前に、まずは、教示データの決定の概略について説明する。
まず、
（ＳＴＥＰ１）ワークＷ上の溶接部位に対して、所望の姿勢となるようにポジショナ３の値（関節値）を設定する。
【００３０】
（ＳＴＥＰ２）ワークＷ上の溶接部位に対して、溶接トーチ６の姿勢（溶接ロボット２の姿勢）を設定する。
（ＳＴＥＰ３）溶接ロボット２が動作範囲となりかつ干渉しないように、必要に応じてスライダ位置を設定する。
もし、干渉が発生したり、溶接ロボット２が動作範囲外に移動する時は、ＳＴＥＰ１やＳＴＥＰ２の設定値を変更し、適切な教示データが算出されるまで繰り返すようにする。
【００３１】
この作業を連続した作業となるように、教示点の前後のつながりを考慮しつつ設定していく。
上記のＳＴＥＰ１について、詳述すると、
（ＳＴＥＰ１−１）ワークＷ上の溶接部位として、溶接位置、溶接方向、溶接基準方向を指定し、その溶接姿勢が所望の溶接姿勢となるように左右上下の傾斜角度を指定する。
【００３２】
（ＳＴＥＰ１−２）オフライン教示データ作成装置５内にて、（ＳＴＥＰ１−１）にて指定された内容から、溶接線座標系を作成し、その溶接座標系が所望の姿勢となるときの、ポジショナ３のワークＷを取り付けているワーク取り付け台８の取るべき姿勢を演算する。
（ＳＴＥＰ１−３）オフライン教示データ作成装置５内にて、ポジショナ３のワーク取り付け台８の姿勢から、ポジショナ３の各関節の値を計算する。
【００３３】
（ＳＴＥＰ１−４）オフライン教示データ作成装置５内にて、計算されたポジショナ３の各関節の値に従い、グラフィック画面上にて、ポジショナ３およびポジショナ３に取り付けられているワークＷを移動し、表示する。
［逆問題（逆運動学）の説明（詳細）］
本実施形態において、本発明の技術は、上記した（ＳＴＥＰ１−３）において実施される。以下、（ＳＴＥＰ１−３）内の処理の詳細を説明する。
【００３４】
まず、最初に
（ＳＴＥＰ１−３−１）ワークＷを移動させる最小限のリンク構成として、ポジショナ３のワーク取り付け台８を先端に持つ開ループリンクを選び出す。このとき、開ループリンクとして、ワークＷを起点とし、最短距離でリンク機構の固定側Ｆに達するリンク節及び関節とから構成されるリンク機構を採用するとよい。
（ＳＴＥＰ１−３−２）前記した（ＳＴＥＰ１−３−１）で選定された開ループリンクに対して、ポジショナ３のワーク取り付け台８の姿勢より、当該開ループリンクを構成する各関節（ジョイント、軸の両方を含む）の移動・回転量を導出する。
（ＳＴＥＰ１−３−３）最小限のリンク機構の各関節の移動・回転量が決まれば、当業者が通常使用するＣＡＤソフトなどで行われている機構解析に用いられる計算を行うことが出来る。具体的には、（ＳＴＥＰ１−３−２）にて導出された各関節の移動・回転量を固定値として、残りの全ての関節を含む閉ループリンク（リンク同士を繋いでできる閉多角形）に対して、計算を行い、残りの全ての関節の移動・回転量を導出する。
【００３５】
図２に示すポジショナ３を基に、（ＳＴＥＰ１−３−１）〜（ＳＴＥＰ１−３−３）の処理を説明する。  
図２のポジショナ３は、並進駆動関節１１、回転駆動関節１１の２関節を駆動することが可能である。また、従動関節１２として回転従動関節を３関節保有している。駆動可能な２関節を動作させることによりワーク取り付け台８の先端に設置したワークＷの姿勢を２自由度の範囲で変更することが可能である。この装置のスケルトン表記したリンク機構を図３に示す。
【００３６】
このポジショナ３の目的は、ワーク取り付け台８先端に設置したワークＷの姿勢を変更することであり、その姿勢変更を可能とする開ループリンク（最小リンク構成）は、図４に示すとおり、回転従動関節１２ｃと回転駆動関節１１ｂの２関節からなるリンク機構で表現することが可能である。このワーク取り付け台８を先端とするリンク機構の構成を、事前に登録しておくか、装置自身を設置する基礎の部分からワーク取り付け台８先端までのリンク機構の繋がりとなる組合せのうち最小構成となる組合せを自動的に抽出するなどの方法で、演算時に取得できる（ＳＴＥＰ１−３−１）。
【００３７】
取得したリンク機構の構成と、ワーク取り付け台８の姿勢が与えられれば、この開ループリンクの各関節の移動・回転量は、ヤコビ行列などを用いた収束計算にて導出することが可能である。この方法は、非特許文献１に開示したロボット関連の学術書などに記載されているものを応用すれば簡単にできるので、詳細は割愛する。この計算により、回転従動関節１２ｃと回転駆動関節１１ｂの２つの関節の移動回転量が導出できる（ＳＴＥＰ１−３−２）。
【００３８】
図５に、ポジショナ３の閉ループリンクを表したスケルトン表記を示す。この閉ループリンクは、並進駆動関節１１ａと回転従動関節１２ｃ，１２ｄ，１２ｅの４関節からなる閉じた３角形より構成される。このうち、回転従動関節１２ｃの移動・回転量は、前出の方法により導出済みであるため、残りの３関節１１ａ，１２ｄ，１２ｅの移動・回転量を導出すればよい。この解法としては、いろいろあるが、例えば図６に示すように、閉じたループリンク機構を例えば従動関節１２ｅを先端とする閉じていないリンク機構と考え、回転従動関節１２ｅを元の位置に一致させるようにヤコビ行列を用いた収束計算などを行うことで導出可能である。図７に示すように回転従動関節１２ｃが決まれば、残りの３関節１１ａ，１２ｄ，１２ｅの移動・回転量が求まる（ＳＴＥＰ１−３−３）。
【００３９】
以上の方法にて、駆動関節１１および従動関節１２の全ての移動・回転量が求まったため、グラフィックによる表示にて、各関節やそれに付随するリンクを移動回転することで、正しく表示することが可能となる。
以上述べたように、本発明に係る多関節リンク機構１０を有する装置の逆運動学解法技術を用いれば、操作者が装置の先端に配置された対象の部位に対して、位置や姿勢を装置の自由度の範囲内で設定すれば、所望の位置や姿勢となる駆動すべき関節の回転・移動量を迅速に演算することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明に係る多関節リンク機構１０を有する装置の逆運動学解法の第２実施形態について述べる。
【００４０】
本実施形態は、第１実施形態と同様の考えで、ポジショナ３（多関節リンク機構１０）の教示データを決定するものであるが、第１実施形態の例示したポジショナ３とは、その構成が大きく異なるものとなっている。すなわち、本願発明は、ポジショナ３の構成が大きく異なる場合であっても、適用可能であり、操作者が装置の先端に配置された対象の部位に対して、位置や姿勢を装置の自由度の範囲内で設定すれば、所望の位置や姿勢となる駆動すべき関節の回転・移動量を迅速に演算することができる。
【００４１】
図８には、第２実施形態におけるポジショナ３が示されており、図９には、係るポジショナ３のスケルトンが示されている。
図９に示されているように、ポジショナ３は、固定側Ｆ（基礎側）から延びる第１リンク１３を有しており、この第１リンク１３の先には、並進駆動関節１１ａが取り付けられている。並進駆動関節１１ａの上端からは水平方向を向く第２リンク１４が延びている。並進駆動関節１１ａが作動することで、第２リンク１４が固定側Ｆに対して、上下に伸縮する。この第２リンク１４の先端には、第２リンク１４の先端と同軸で回転する回転駆動関節１１ｂが設けられ、この回転駆動関節１１ｂを介して第２リンク１４の先端側に第３リンク１５が接続されている。この第３リンク１５には、水平方向軸心回りに回転する回転従動関節１２ｄを介して、長尺のワークＷの一方側が取り付けられるようになっている。
【００４２】
一方、固定側Ｆ（基礎側）から延びる第４リンク１６を有しており、この第４リンク１６の基端側は、並進従動関節１２ｇを介して、固定側Ｆ上を水平方向に自由に移動可能となっている。第４リンク１６の先には、並進駆動関節１１ｃが取り付けられている。並進駆動関節１１ｃの上端からは水平方向を向く第５リンク１７が延びている。並進駆動関節１１ｃが作動することで、第５リンク１７が固定側Ｆに対して、上下に伸縮する。この第５リンク１７の先端には、第５リンク１７の先端の軸心と同軸に回転する回転従動関節１２ｆが設けられ、この回転従動関節１２ｆを介して第２リンク１４の先端側に第６リンク１８が接続されている。この第６リンク１８には、水平軸心回りに回動自在となっている回転従動関節１２ｅを介して、長尺のワークＷの他方側が取り付けられるようになっている。
【００４３】
図９（ａ）の多関節リンク機構１０は、図９（ｂ）の実線で示すような開ループリンクとなったリンク機構と、図９（ｂ）の実線及び破線に示すような閉ループリンクとなったリンク機構とに分けて考えることができる。
すなわち、開ループリンク（第１の開ループリンク）は、固定側Ｆ（基礎側）から延びる第１リンク１３、この第１リンク１３の先に設けられた並進駆動関節１１ａ、並進駆動関節１１ａの先端から水平方向にから延びる第２リンク１４、第２リンク１４の先端に設けられた回転駆動関節１１ｂ、この回転駆動関節１１ｂを介して第２リンク１４の先端側に第３リンク１５、第３リンク１５の先端に設けられた回転従動関節１２ｄと、から構成されている。
【００４４】
また、閉ループリンクは、前述した開ループリンク（第１の開ループリンク）と、この開ループリンクに対して一方側が取り付けられたワークＷと、ワークＷの他方側が取り付けられた開ループリンク（第２の開ループリンク）とからなる。
ワークＷの他方側が取り付けられた開ループリンク（第２の開ループリンク）は、固定側Ｆ（基礎側）から延びる第４リンク１６、この第４リンク１６の基端側を水平方向に自由に移動可能としている並進従動関節１２ｇ、第４リンク１６の先端に取り付けられた並進駆動関節１１ｃ、並進駆動関節１１ｃの上端から水平方向に延びる第５リンク１７、この第５リンク１７の先端に設けられた回転従動関節１２ｆ、この回転従動関節１２ｆを介して第５リンク１７の先端側に取り付けられた第６リンク１８、この第６リンク１８の先端に取り付けられた回転従動関節１２ｅから構成されている。
【００４５】
以上述べた、２つの開ループリンク、及びこの２つの開ループリンクを含む閉ループリンクにより構成された多関節リンク機構１０においても、本願の技術を適用可能である。
すなわち、第１実施形態の（ＳＴＥＰ１−３−１）〜（ＳＴＥＰ１−３−３）に対応するものとして、以下の（ＳＴＥＰ２−３−１）〜（ＳＴＥＰ２−３−３）を行うとよい。
まず、
（ＳＴＥＰ２−３−１）ワークＷを移動させる最小限のリンク構成として、ポジショナ３のワーク取り付け台８を先端に持つ開ループリンクを選び出す。この開ループリンクとしては、例えば、図９（ｂ）に示す第１の開ループリンク（第１リンク１３、並進駆動関節１１ａ、第２リンク１４、回転駆動関節１１ｂ、第３リンク１５、回転従動関節１２ｄ）を選ぶことができる。なお、第２の開ループリンクを選んでもよい。
（ＳＴＥＰ２−３−２）次に、（ＳＴＥＰ２−３−１）で選定された開ループリンクに対して、ポジショナ３のワーク取り付け台８の姿勢より、当該開ループリンクを構成する各関節（ジョイント、軸の両方を含む）の移動・回転量を導出する。
（ＳＴＥＰ２−３−３）最小限のリンク機構の各関節の移動・回転量が決まれば、当業者が通常使用するＣＡＤソフトなどで行われている機構解析に用いられる計算を行うことが出来る。具体的には、（ＳＴＥＰ２−３−２）にて導出された各関節の移動・回転量を固定値として、残りの全ての関節を含む閉ループリンク（第１の開ループリンク〜ワークＷ〜第２の開ループリンクでできる閉多角形）に対して、計算を行い、残りの全ての関節の移動・回転量を導出する。
【００４６】
以上の処理を行うことで、図８に示すような、第２実施形態に係るリンク機構においても、駆動関節１１および従動関節１２の全ての移動・回転量を求めることができるようになる。
以上まとめれば、本願発明に係る多関節リンク機構１０の逆運動学解法を用いることで、駆動関節１１以外に従動関節１２により拘束されたリンクを持つ多関節リンク機構１０を有する装置の目的となる先端位置・姿勢を、従来の所定の位置・姿勢になるまで駆動軸を変更して所定内に収まるまで試行する時間が無くなり、教示時間の短縮や精度よい位置・姿勢の指定が可能となる。また、ループリンク機構に含まれない関節に対しても最小リンク機構の構成を考えることにより導出することが出来、従来技術の多関節リンク機構１０の導出方法としてループリンク機構以外の軸に対してのアプローチも可能としている。
【００４７】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４８】
１    ロボットシステム
２    溶接ロボット
３    ポジショナ
４    制御装置
５    オフライン教示データ作成装置
６    溶接トーチ
７    教示ペンダント
８    ワーク取り付け台
１０  多関節リンク機構
１１  駆動関節
１２  従動関節
１３  第１リンク
１４  第２リンク
１５  第３リンク
１６  第４リンク
１７  第５リンク
１８  第６リンク
Ｗ    ワーク
Ｆ    固定側
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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