(57)【要約】【課題】改善された冗長ロボットを制御する方法を提供する。【解決手段】冗長ロボットのアームを制御するための方法は、ロボットプロセスを実行するためのアプリケーションを選択するステップと、アームの動作に制約を定義するステップとを備える。教示モードおよびプログラムモードの一方においてアームを動作することによって、アームに取り付けられたロボット工具のための経路を示す、選択されたアプリケーションに基づいて、命令セットが生成される。ロボットプロセスの間にアームの移動を制御される。アームの予め定められた点を、ロボットエンベロープにおける特定の制約上とし、該特定の制約の近傍とし、および、該特定の制約を避けることの少なくとも一方とするように維持すべく、制約アルゴリズムが生成される。特異点の発生を避けるために、特異点アルゴリズムが生成される。【選択図】図５
2014050952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冗長ロボットのアームを制御するための方法であって、
ワークに対してロボットプロセスを実行するためのアプリケーションを選択するステップと、
前記ワークに前記ロボットプロセスを実行するように、教示モードおよびプログラムモードの一方において前記冗長ロボットのアームを操作することによって、前記冗長ロボットのアームに取り付けられたロボット工具のための経路を示す命令セットを、選択された前記アプリケーションに基づいて生成するステップと、
前記冗長ロボットのアームの予め定められた点を、ロボット可動範囲における特定の制約上とし、該特定の制約の近傍とし、および、該特定の制約を避けることの少なくとも一方とするように維持すべく、前記ロボットプロセスの間に前記冗長ロボットのアームを制御するステップと、を備える、方法。
【請求項２】
コンベア上にて移動する前記ワークを追跡するように前記工具の工具中心点を制御するステップをさらに備え、
前記特定の制約は、前記コンベアに対して固定されているか、または、前記ワークに付与されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記制御するステップは、前記教示モードの間に、直交座標空間におけるジョグ操作によって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記予め定められた点を含む少なくとも１つの平面が、該予め定められた点を、前記ロボット可動範囲における前記特定の制約上とし、該特定の制約の近傍とし、および、該特定の制約を避けることの少なくとも一方とするように維持すべく、用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記工具の予め定められた工具中心点に関して、前記冗長ロボットのアームは、前記ロボット可動範囲における如何なる障害物との衝突を防止するように制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記特定の制約は、前記ロボット可動範囲における領域またはスペースである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記特定の制約は、前記ロボット可動範囲における障壁または障害物である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記予め定められた点を維持すべく制御するステップは、前記冗長ロボットのアームの少なくとも１つの軸を固定することによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記冗長ロボットのアーム、前記ワーク、および前記特定の制約を視覚的に表示するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記表示するステップは、前記予め定められた点の自己運動の軌道の３Ｄ曲線を表示することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記冗長ロボットのアームは、７つの回転軸を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
冗長ロボットのアームを制御するための方法であって、
ワークに対してロボットプロセスを実行するためのアプリケーションを選択するステップと、
前記ロボットプロセスを実行するように、教示モードおよびプログラムモードの一方において前記冗長ロボットのアームを操作することによって、前記冗長ロボットのアームに取り付けられたロボット工具のための経路を示す命令セットを、選択された前記アプリケーションに基づいて生成するステップと、
前記冗長ロボットのアームの特異点の位置を避けるように、該冗長ロボットのアームの肘点の経路を修正するステップと、
前記冗長ロボットのアームが前記ワークに対してロボットプロセスを実行している間に前記特異点の位置が回避されるように、修正された前記肘点の経路に従って該冗長ロボットのアームを制御するステップと、を備える、方法。
【請求項１３】
コンベア上にて移動する前記ワークを追跡するように前記工具の工具中心点を制御するステップをさらに備え、
特定の制約は、前記コンベアに対して固定されているか、または、前記ワークに付与されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記肘点を含む少なくとも１つの平面が、該肘点を、ロボット可動範囲における特定の制約上とし、該特定の制約の近傍とし、および、該特定の制約を避けることの少なくとも一方とするように維持すべく、用いられる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記工具の予め定められた工具中心点に関して、前記冗長ロボットのアームは、ロボット可動範囲における如何なる障害物との衝突を防止するように制御される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
特定の制約は、ロボット可動範囲における領域、スペース、障壁、または障害物である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記肘点を維持すべく制御するステップは、前記冗長ロボットのアームの少なくとも１つの軸を固定することによって実行される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記冗長ロボットのアーム、前記ワーク、特定の制約、および、前記肘点の自己運動の軌道の３Ｄ曲線を視覚的に表示するステップをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記冗長ロボットのアームは、７つの回転軸を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
冗長ロボットのアームを制御するための方法であって、
ワークに対して前記冗長ロボットのアームによってロボットプロセスを実行するためのアプリケーションを選択するステップと、
前記冗長ロボットのアームの動作に少なくとも１つの制約を定義するステップと、
前記ワークに前記ロボットプロセスを実行するように、教示モードおよびプログラムモードの一方において前記冗長ロボットのアームを操作することによって、前記冗長ロボットのアームに取り付けられたロボット工具のための経路を示す命令セットを、選択された前記アプリケーションに基づいて生成するステップと、
前記ロボットプロセスの間に前記冗長ロボットのアームの移動を制御するステップと、
前記冗長ロボットのアームの移動の間に、前記冗長ロボットのアームの予め定められた点を、ロボット可動範囲における特定の制約上とし、該特定の制約の近傍とし、および、該特定の制約を避けることの少なくとも一方とするように維持すべく、制約アルゴリズムを生成するステップと、
前記冗長ロボットのアームの移動の間に特異点の発生を避けるために、特異点アルゴリズムを生成するステップと、を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１２年９月１０日に出願された米国特許仮出願シリアルＮｏ．６１／６９９，０２８号、および、２０１２年１０月５日に出願された米国特許仮出願シリアルＮｏ．６１／７１０，０８２号に対して優先権を主張するものである。なお、これらの出願の内容は、この参照により本稿に含まれるものとする。
【０００２】
本発明は、概して、ロボットコントローラに関するものであって、特に、冗長ロボットの移動を制御するための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
産業用ロボットは、歴史的に、６つ（またはそれ以下）の関節軸を備えてきた。可能性のある（ｘ，ｙ，ｚ，ｗ，ｐ，ｒによって示される）６つのデカルト自由度（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ  ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  ｆｒｅｅｄｏｍ）があることから、典型的には、自由度の各々に対して１つの関節軸を有していることが望ましい。
【０００４】
しかしながら、６つ（またはそれ以下）の関節軸を用いる慣習によって、特定のロボットアプリケーションにおいて困難がもたらされている。それ故に、第７軸を加えることに多くの利点がある。特にライン追跡アプリケーション（例えば、コンベアによって移動するラインとして）においては、十分な自由度がないことから、ロボットの衝突を回避するように６軸ロボットを制御することができない。塗装アプリケーションに関して、ライン追跡アプリケーションは、塗装対象のワークを移動中のコンベア上で移動可能とするのに、大変重要である。したがって、ライン追跡アプリケーションは、塗装アプリケーションの産業において、広く用いられている。これまでに、塗装ロボットシステムは、第７軸を加えるために、線形レールを使用してきた。しかしながら、線形レールは、スペースを要するとともに、塗装作業においてコストを増大させてしまう。
【０００５】
１つの解決手段は、線形レールを用いることなく、ロボットに第７軸を加えることである。そこには依然として、可能性のある６つのデカルト自由度が存在するので、このようなロボットは、冗長と見做される追加の自由度を提供する。冗長ロボットは、デカルト自由度よりも多い関節軸を有する。７つ（またはそれ以上）の関節軸を有するロボットは、冗長ロボットであり得る。事実、第７軸を加えることには、多くの利点がある。例えば、米国特許第５，４３０，６４３号公報を参照されたい。冗長ロボットは、プログラムされたタスクを実行しつつ、例えば衝突回避のような多くの目的のために用いることができる柔軟な器用さを提供する。また、冗長ロボットは、６以下の軸および６自由度を有するロボットに適用することもできる。例えば、自らのタスク用に４自由度を要する、５軸の開扉ロボットも、冗長である。
【０００６】
現在、第７軸として線形レールを有する６軸ロボットは、ライン追跡アプリケーションにおいて、しばしば用いられている。この利点は、線形レールがラインコンベアの移動を補償することにある。ラインコンベアとともに移動するワーク上の所与のポイントに関して、６軸ロボットの関節角度は、ラインコンベアの位置に関わらず、反復可能となり得る。線形レール上の６軸ロボットによって、使用者にとって、所望のタスクを達成するためにプログラムされたロボットの経路を教示して再現させるのが容易となる。しかしながら、線形レールは、高価であり、且つスペースを要する。また、塗装アプリケーションにおいて、線形レールを補うための塗装ブースのサイズは、コストを増大させてしまう。
【０００７】
したがって、レールに置き換わる冗長第７軸を有するロボットを備えることが望ましい。塗装アプリケーションに関して、７軸冗長ロボットは、線形レール上の従来の６軸ロボットと比べて遥かに小さな塗装ブースサイズ内でタスクを実行しつつ、衝突回避といった多くの目的のために用いることができる柔軟な器用さを提供する。同様に、レールに置き換わる第５の冗長軸を有する開扉ロボットを備えることが望ましい。
【０００８】
しかしながら、冗長軸は課題を呈する。第１に、冗長ロボットによって占有されたコンパクトなスペースは、障害物、ワーク、および領域内の他の装備と衝突する虞を増大させる。第２に、ワークは移動しているので、ロボットとワークとの間に衝突が生じ得るか否かを使用者が予測するのは、非常に困難である。第３に、ロボットの関節角度は、ラインコンベアとともに移動する所与のポイントに、繰り返して到達することができない。第４に、７軸冗長ロボットのプログラミングは、非常に複雑且つ困難である。使用者は、６位置：ｘ、ｙ、ｚ、ｗ、ｐ、ｒに係る６軸ロボットをプログラミングするのに慣れている。使用者は、典型的には、７軸ロボットから得られる追加の自由度をプログラミングするのには慣れてはいない。第５に、冗長軸は、主軸と一直線上に整列したときに、特異点（ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ）を形成する。この特異点は、ロボットの予測不能な動きおよび速度を発生させ得る。特異構造に接近する一方で、ロボットのタスクレベルコントローラは、高いロボット関節トルクを発生させる。その結果、タスクスペースにおける不安定性または大きなエラーがもたらされる。タスクレベルコントローラは、特異構造にて不安定であるのみならず、特異構造の近傍においても不安定となる。特異点が生じたとき、ロボットは、依然として６自由度を有し得る。すなわち、ロボットの工具中心点（ＴＣＰ）は、依然として、いずれの方向にも移動することができる。しかしながら、特異点は、軸に関するロボットの制御性に影響を与え、その結果、ロボットが主軸回りに非常に高速で移動してしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術は、多くの方法において不適切であった。第１に、従来技術は、通常、ヤコビ行列に基づいている。このヤコビ行列は、複雑且つ不安定であった。衝突および特異点の課題に対する、より安定した手段が、求められている。第２に、従来技術は、ライン追跡アプリケーションに対処していなかった。第３に、従来技術は、７軸ロボットをプログラムすることの複雑性および困難性を解決していなかった。冗長ロボットを制御する方法が改善されることは、有益である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、冗長ロボットのアームを制御するための方法は、ワークに対してロボットプロセスを実行するためのアプリケーションを選択するステップと、ワークにロボットプロセスを実行するように、教示モードおよびプログラムモードの一方において冗長ロボットのアームを操作することによって、冗長ロボットのアームに取り付けられたロボット工具のための経路を示す命令セットを、選択されたアプリケーションに基づいて生成するステップと、冗長ロボットのアームの予め定められた点を、ロボット可動範囲（ｒｏｂｏｔ  ｅｎｖｅｌｏｐｅ）における特定の制約上とし、該特定の制約の近傍とし、および、該特定の制約を避けることの少なくとも一方とするように維持すべく、ロボットプロセスの間に冗長ロボットのアームを制御するステップとを備える。
【００１１】
本発明の他の実施形態によれば、冗長ロボットのアームを制御するための方法は、ワークに対してロボットプロセスを実行するためのアプリケーションを選択するステップと、ロボットプロセスを実行するように、教示モードおよびプログラムモードの一方において冗長ロボットのアームを操作することによって、冗長ロボットのアームに取り付けられたロボット工具のための経路を示す命令セットを、選択されたアプリケーションに基づいて生成するステップと、冗長ロボットのアームの特異点の位置を避けるように、該冗長ロボットのアームの肘点の経路を修正するステップと、冗長ロボットのアームがワークに対してロボットプロセスを実行している間に特異点の位置が回避されるように、修正された肘点の経路に従って該冗長ロボットのアームを制御するステップとを備える。
【００１２】
本発明のさらに他の実施形態によれば、冗長ロボットのアームを制御するための方法は、ワークに対して冗長ロボットのアームによってロボットプロセスを実行するためのアプリケーションを選択するステップと、冗長ロボットのアームの動作に少なくとも１つの制約を定義するステップと、ワークにロボットプロセスを実行するように、教示モードおよびプログラムモードの一方において冗長ロボットのアームを操作することによって、冗長ロボットのアームに取り付けられたロボット工具のための経路を示す命令セットを、選択されたアプリケーションに基づいて生成するステップと、ロボットプロセスの間に冗長ロボットのアームの移動を制御するステップと、冗長ロボットのアームの移動の間に、冗長ロボットのアームの予め定められた点を、ロボット可動範囲における特定の制約上とし、該特定の制約の近傍とし、および、該特定の制約を避けることの少なくとも一方とするように維持すべく、制約アルゴリズムを生成するステップと、冗長ロボットのアームの移動の間に特異点の発生を避けるために、特異点アルゴリズムを生成するステップとを備える。
【００１３】
本発明の、上述のおよび他の利点は、添付の図面を斟酌すれば、後述する好ましい実施形態の詳細な説明から、当業者に容易に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る７軸冗長ロボットの概略側方図である。
【図２】図１に示す７軸冗長ロボットの側とは反対側から見たロボットアームの側方斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る７軸冗長ロボットにおける、角度αの定義の図である。
【図４】塗装アプリケーションに用いられている、本発明の一実施形態に係るロボットの概略斜視図であって、該ロボットは、コンベア上にて移動する車体ボディーを塗装している。
【図５】本発明の一実施形態に係る方法のフローチャートである。
【図６】角度αとしての肘部の軌道を示す図であって、該肘部の軌道は、本発明の一実施形態に係る７軸ロボットのために変化する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明、および添付の図面は、本発明の種々の例示的実施形態を説明し、図示している。これらの記載および図面は、本発明を作製し、使用することを可能とするためのものであって、如何なる事項であれ、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。開示されている方法に関して、提示されているステップは、本質的に例示的なものであり、それ故に、これらステップの順序は、必須または重要ではない。
【００１６】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る７軸冗長ロボット１０の概略側方図が示されている。ロボットアーム２０は、図１に概略的に示すように、ロボット可動範囲１２内で動作する。図示された実施形態においては、ロボットアーム２０は、塗装アプリケーション用に構成されている。しかしながら、ロボットアーム２０は、所望により、如何なる製造アプリケーション用に構成されてもよいことを理解されたい。ロボット可動範囲１２は、その内部にてロボットが移動することができる、画定されたスペースであって、例えば、塗装アプリケーションにおける塗装ブースであってもよいし、または、所望により、他の如何なるロボットセル（もしくは画定されたスペース）であってもよい。
【００１７】
引き続き図１を参照して、ロボットアーム２０は、７軸関節アームであり、モジュラベースシステム２１に設置されている。モジュラベースシステム２１は、様々な設置状態に適応可能となっている。図示された実施形態においては、モジュラベースシステム２１は、鉛直面（図示せず）への取り付けのために、方向付けられている。このような鉛直面としては、例えば、ロボット可動範囲１２内の壁、ロボット可動範囲１２内の鉛直ポスト（もしくは柱）、または、ロボット可動範囲１２にて設置するために構成された他の如何なる構造といったものが挙げられる。非限定的な実施例において、ベースシステム２１は、塗装ブースの壁、塗装ブースの鉛直ポスト（もしくは柱）、または、塗装ブースにて設置するために構成された他の如何なる構造への取り付けのために、方向付けられてもよい。
【００１８】
図１に示すように、モジュラベースシステム２１は、ロボットアーム２０の第１の回転方向Ｒ１を有する。第１の回転方向Ｒ１によって、ロボットアーム２０の他のコンポーネントが、第１の回転軸Ａ１の周りを回転可能となる。回転軸Ａ１は、モジュラベースシステム２１に対して鉛直な軸であり、ロボットアーム２０が水平面において移動するのを可能とする。ロボットアーム２０の他のコンポーネントは、モジュラベースシステム２１から延びており、モジュラベースシステム２１に隣接する第１アーム部（または内側アーム部）２２と、第１アーム部（または内側アーム部）２２に隣接するコネクタ２６と、コネクタ２６に隣接する第２アーム部（または外側アーム部）２３と、外側アーム部２３に隣接する手首部２４とを含む。ロボット工具（エンドエフェクタ）２５は、手首部２４に回転可能に連結される。図示された実施形態においては、ロボット工具２５は、塗装アプリケーション用の塗装塗布器である。しかしながら、ロボット工具２５は、例えば、材料操作、機械ツーリング、塗装、ペレット化、または、他の如何なる産業用ロボットの作業といった、如何なるロボット作業に用いられる、如何なるロボット工具であってもよいことを、理解されたい。
【００１９】
肩回転軸（または第２の回転軸）Ａ２は、第１の回転軸Ａ１と重なり、且つ第１の回転軸Ａ１と交差して延びる。内側アーム部２２は、湾曲したツーピース構造となっており、端部２２ｂおよびアーム２２ｃを有し、左手および右手の構造と、ロボットアーム２０の最適化された到達距離を提供する。内側アーム部２２のアーム２２ｃは、第２の回転軸Ａ２の周りを、第２の回転方向Ｒ２へ回転するように、モジュラベースシステム２１の第１の端部２２ａに回転可能に取り付けられる。なお、第２の回転方向Ｒ２への回転によって、ロボットアーム２０は、鉛直面において移動可能となる。外側アーム部２３は、第１の端部２３ａを有している。この第１の端部２３ａは、肘回転軸（または第４の回転軸）Ａ４の周りを第４の回転方向Ｒ４へ回転するように、コネクタ２６によって、内側アーム部２２の端部２２ｂに回転可能に取り付けられている。なお、肘回転軸（または第４の回転軸）Ａ４は、一般的には、第２の回転軸Ａ２と平行である。手首部２４は、ロボット工具２５を、外側アーム部２３の第２の端部２３ｂに回転可能に連結する。手首部２４は、第５の回転軸Ａ５の周りを、第５の回転方向Ｒ５へ回転する。なお、第５の回転軸Ａ５は、第４の回転軸Ａ４を横切る方向に延びている。手首部２４は、ロボット工具２５を、角度調整軸（または第６の回転軸）Ａ６の周りを第６の回転方向Ｒ６へ回転させるように構成される。なお、角度調整軸（または第６の回転軸）Ａ６は、第５の回転軸Ａ５に対して鈍角で延びている。また、手首部２４は、ロボット工具２５を、第７の回転軸Ａ７の周りを第７の回転方向Ｒ７へ回転可能とするように、構成され得る。第７の回転軸Ａ７は、第６の回転軸Ａ６に対して鋭角で延びている。
【００２０】
ロボットアーム２０は、第４の回転軸Ａ４と交差して延びる冗長回転軸（または第３の回転軸）Ａ３を有する。内側アーム部２２の第２の端部２２ｂは、内側アーム部２２のアーム２２ｃに回転可能に連結されており、第３の回転軸Ａ３の周りを第３の回転方向Ｒ３へ回転可能となっている。これにより、外側アーム部２３、手首部２４、およびロボット工具２５は、第３の回転軸Ａ３の周りを第３の回転方向Ｒ３へ回転可能となる。第３の回転軸Ａ３は、第１の回転軸Ａ１と第２の回転軸Ａ２との交差点を通過し、且つ、第１の回転軸Ａ１と同じ平面上にて延在している。内側アーム部２２は、第２の回転軸Ａ２の周りを、特異点の位置まで回転することができる。この特異点の位置において、第１の回転軸Ａ１と第２の回転軸Ａ２とが整列する。このような状態においては、逆運動学を解く場合、関節角度１と関節角度３の和のみを解くことが可能であるが、関節角度１および関節角度３の各々を解くことはできない。特異点の位置は、７軸冗長ロボット１０の２以上の軸が同一直線状に整列することによって特異点を生じさせる位置である。特異点は、望ましくないことには、高いロボットの動きおよび速度に繋がる。
【００２１】
また、（第５の回転軸Ａ５によって示される）外側アーム部２３の長手方向の軸は、コネクタ２６によって、（第３の回転軸Ａ３によって示される）内側アーム部２２の長手方向の軸に対してオフセットされる。コネクタ２６の一方の端部は、内側アーム部２２の端部２２ｂに回転可能に連結されており、第４の回転軸Ａ４の周りを回転する。コネクタ２６の第１の端部と反対側の、コネクタ２６の第２の端部は、外側アーム部２３の第１の端部２３ａに固定される。コネクタ２６によってもたらされるオフセットは、ロボット２０の近傍到達能力（ｎｅａｒ  ｒｅａｃｈ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を改善する。図示された実施形態においては、７軸冗長ロボット１０が塗装用に用いられており、ホースルームにおける塗装ライン（または供給ホース）２７は、ロボットアーム２０との干渉を防止するために、ロボットアーム２０の外側部に沿って配管される。
【００２２】
図１に概略的に示すように、ロボットアーム２０は、ロボット可動範囲１２の外側に配置されたロボットコントローラ２８に接続される。コントローラ２８は、命令セットを生成および記録し、この命令セットは、制御信号を生成する。この制御信号は、ロボットアーム２０のコンポーネントに、記録された１セットの命令に従って、所望の経路に沿ってロボット工具２５を移動させるように、要求されたものである。コントローラ２８は、ロボットアーム２０の移動を、教示モードまたはプログラムモードにおいて、制御する。また、コントローラ２８は、ロボットアーム２０からフィードバック信号を受信する。また、コントローラ２８は、７軸冗長ロボット１０とともに動作する他の装置から、フィードバック信号を受信する。例えば、塗装アプリケーションにおいて、塗装中のワークは、コンベア２９上にて所望の方向に移動し得る。コントローラ２８は、コンベア２９からフィードバック信号を受信し、必要に応じて、コンベア２９上のワークの位置に対するロボット工具２５の位置を調整してもよい。教示ペンダント３０は、ロボット制御命令を入力するとともに、使用者にディスブレイ３１上にて提示される情報を受信するために、コントローラ２８に接続されている。ディスブレイ３１は、教示ペンダント３０と一体に設けられてもよいし、または、独立したモニターであってもよい。
【００２３】
図２は、冗長ロボット１０のロボットアーム２０の側方斜視図であって、第１の回転軸Ａ１と、冗長回転軸の第３の回転軸とを含む特異点の回避を示している。７軸冗長ロボット１０のロボットアーム２０は、使用可能なロボット可動範囲１２を増大させることによって、ロボットシステムのサイズの減少を容易とする。冗長軸は、障害物、コンベア上のワーク、および、ロボット１０と協働して使用される他の装置を避けるために用いられる。例えば、塗装されるワークが車体ボディーであるような塗装アプリケーションにおいては、冗長軸は、車体ボディーと、車体ボディー上のドアを開扉するように構成された開扉装置とを避けるために用いられる。
【００２４】
ロボットアーム２０は、肘点ＥＰを有しており、この肘点ＥＰは、図２に示す第３の回転軸Ａ３と第４の回転軸Ａ４との交差点の位置である。本発明の一実施形態に係る方法は、第１の回転軸Ａ１および第３の回転軸Ａ３の双方が同一直線に沿って整列する（すなわち、肘点ＥＰが第１の回転軸Ａ１上に配置される）特異点を回避し、第１の回転軸Ａ１と第３の回転軸Ａ３との間の関節角度に大きな変化が生じるのを避ける。ロボットアーム２０の工具中心点（ＴＣＰ）が、移動するコンベア上に配置された移動中のワークを追跡するように要求されているような、ライン追跡アプリケーションにおいては、特異点を事前に予測することは、非常に困難である。したがって、リアルタイムの特異点回避が必要となる。
【００２５】
ロボットアーム２０における冗長性は、７軸冗長ロボット１０における肘点ＥＰの自己運動として、特徴付けることができる。直交座標空間（ｃａｒｔｅｓｉａｎ  ｓｐａｃｅ）にてＴＣＰおよびロボットアーム構造が与えられると、ロボットアーム２０の肘点ＥＰは、３次元（３Ｄ）曲線に沿って移動し得る。したがって、スカラー因子αは、異なるタイプの７軸ロボットを考慮することによって、７軸冗長ロボット１０の冗長性を完全に表現するために用いられ得る。例えば、７軸冗長ロボット１０は、１セットの６軸ロボットとして扱うことができる。７軸ロボットと従来の６軸ロボットとの違いは、７軸ロボットが追加軸を有することにある。例えば、図２に示す実施形態においては、追加軸は、第３の回転軸Ａ３である。第３の回転軸Ａ３が固定された（または、０に設定された）場合、７軸ロボットは、６軸ロボットと同じである。そして、６軸ロボットは、事実上、選択されたベクトルの周りで回転することができ、これにより、７軸ロボットは、無数の６軸ロボットのファミリーとして扱われる。
【００２６】
図３を参照すると、本発明の一実施形態に係る方法においては、αは角度である。７軸冗長ロボット１０の機械的構造に基づいて冗長性を特徴付けるべくαを定義するための多くの方法がある。非例示的実施形態において、αを用いる１つの方法は、冗長性を特徴付けるために、肘点ＥＰ、原点Ｏ、および手首中心点（ＷＣＰ）によって形成される平面を決定することである。そして、Ｏ、ＷＣＰ、および、ロボットベースフレームのｚ−ベクトルＺによって形成されるレファレンス平面２００を特定する。レファレンス平面２００と、ロボットアーム２０の回転後の肘点ＥＰ、原点Ｏ、および、ＷＣＰによって形成される平面との間に形成される角度が、αとなり得る。そして、αは、逆運動学を解くために、直交座標空間にて与えられたロボットアーム２０の位置とともに用いられる。αとしてこの角度を用いることによって、肘点ＥＰの直接制御とともに、教示および再生を行うのが容易となる。所望により、他の様々なバージョンの逆運動学が、７軸冗長ロボット１０にて発生し得ることを理解されたい。
【００２７】
図３は、本発明の一実施形態に係る角度αの定義の図である。原点Ｏから、ロボットアーム２０の手首中心点ＷＣＰまで、ベクトルが定義されている。なお、原点Ｏにおいて、第１の回転軸Ａ１と第２の回転軸Ａ２とが交差する。そして、肘点ＥＰのような点が定義される。なお、肘点ＥＰは、図１に示す第３の回転軸Ａ３と第４の回転軸Ａ４とが交差する位置である。平面（または、肘平面）１００は、肘点ＥＰ、原点Ｏ、および手首中心点ＷＣＰを含む。また、肘平面１００は、肘点ＥＰ、原点Ｏ、および点Ｐを含む平面として定義され得る。この点Ｐは、第４の回転軸Ａ４と第５の回転軸Ａ５との交差点である。固定された直交座標系のレファレンス平面２００は、αが０に等しいときに定義される。固定された直交座標系のレファレンス平面２００と肘平面１００との間に定義される角度は、図３に示すように角度αであり、ロボットアーム２０の冗長性を特徴付け得る。この角度αの定義は、１つのタイプの冗長ロボットにおける冗長性を完全に表していることを理解されたい。なお、所望により、他の点、他のベクトル、および他の平面を、αを定義するために用いてもよい。
【００２８】
図４を参照して、ロボットアーム２０は、ライン追跡を伴うアプリケーションに用いられ得る。ここでは、ロボットアーム２０のＴＣＰは、移動中のコンベア上に配置された移動中のワークを追跡するように要求される。例えば、塗装塗布器のロボット工具２５は、車体ボディー５０を追跡するように要求される。車体ボディー５０を追跡するために、塗装塗布器のロボット工具２５は、図２に示すように、直線経路４０に沿って、矢印によって示される方向に移動する必要がある。モジュラベースシステム２１は、例えば塗装ブースの壁のような、ロボット可動範囲１２の壁、鉛直ポスト、または柱に固定されているので、ロボット工具２５は、第２の回転軸Ａ２周りの回転によって、直線経路４０に沿って移動される。ＴＣＰが直線経路４０に沿って移動するにつれて、肘点ＥＰ（第３の回転軸Ａ３と第４の回転軸Ａ４との交差点）は、経路４１に沿って移動する。このような移動によって、第３の回転軸Ａ３が、経路４１に沿って矢印の方向へ移動することになる。経路４１が完全な直線である場合、第１の回転軸Ａ１と第３の回転軸Ａ３とが同じ直線に沿って整列する点が存在することになり、これにより、特異点が生じる。特異点の発生を回避し、関節角度が第１の回転軸Ａ１および第３の回転軸Ａ３に沿って短時間で大きく変化してしまうのを回避するために、本発明に係る方法は、経路４１を半円部分４２によって修正することを求める。この半円部分４２は、第１の回転軸Ａ１周りの回転円筒部４３の外側部で延在する。回転円筒部４３は、半径Ｒを有する。本発明の一実施形態によれば、特異点を回避するために、ロボットアーム２０は、半円部分４２を辿るように第１の回転軸Ａ１周りに回転され、これにより、第１の回転軸Ａ１と第３の回転軸Ａ３との間の角度αを維持する。半円部分４２は、特異点の潜在的な課題を認識している使用者によって経路教示セッションを行っている間に、または、例えば塗装アプリケーションのようなロボットアプリケーションの間にコントローラ２８にて実行されるアルゴリズムによってリアルタイムで、生成され得る。アルゴリズムは、ロボットアーム２０のリアルタイムでの移動の間に特異点の潜在的な位置を認識するために、コントローラ２８上で実行され、特異点を避けるべく、肘点ＥＰの経路４１を自動的に変更する。
【００２９】
一旦、使用者によってαが定義されると、所望のロボットアプリケーション用のロボットアーム２０の制御を達成すべく、ロボット工具２５の動作の自由に対する制約または禁止が定義される。図４に示すように、ロボットアーム２０の動作の間に、ロボットアーム２０は、例えば、コンベア２９とともに移動している車体ボディー５０に関して示された制約を満足するように、制御される必要がある。図４に示された例に関して、与えられたＴＣＰにおける、可能性のある全ての肘点ＥＰは、３Ｄ曲線４４を形成する。この３Ｄ曲線４４は、肘点ＥＰの自己運動の軌道である。肘点ＥＰは、第３の回転軸Ａ３と第４の回転軸Ａ４との交差点の位置として特定され得る。しかしながら、この軌道は、対応するロボットアプリケーションに依存して、所望により、如何なる形状、曲線、または線となり得ることを、理解されたい。ロボットアーム２０は、肘点ＥＰを所望の制約平面４５上に維持するように制御される。所望の制約平面４５以外の多くの制約が、７軸冗長ロボット１０を制御するために用いられ得ることを、理解されたい。例えば、制約は、固定平面、またはコンベア上の移動するワークに付与された平面として、定義されてもよい。他の制約は、例えばオープンカーのドアによって形成されたスペースのような、領域またはスペースであってもよい。他の制約は、例えばロボット可動範囲１２またはワークにおける他の装備のような、障壁または障害物であってもよい。他の制約は、７軸冗長ロボット１０の消費動力の最小化であってもよい。他の制約は、関節軸リミットであってもよい。さらに、他の制約は、特異点の回避、または特異点からの特定の距離であってもよい。
【００３０】
ライン追跡が要求されるロボットアプリケーションにおける、冗長ロボットアーム２０の肘点ＥＰのさらなる制御は、以下のステップによって達成される。
ａ．ライン追跡における案内として、教示経路を用いるステップであって、該ライン追跡においては、コンベア上のワークの実際の位置が、コンベアの動きに依存し、且つ、ワークの位置が、該教示経路が教示された位置とは異なっている、ステップ。
ｂ．コンベア上にある移動中のワークに関して、肘点ＥＰに対する制約を示すステップ。例えば、ライン追跡の間に衝突を避けるために、平面が、肘点ＥＰを制約するように示され得る。
ｃ．ロボットアーム２０の所与のＴＣＰに関して、ロボットアーム２０とワークとの間に衝突が発生しないように、肘点ＥＰを制御するステップ。
ｄ．以下の制約を考慮するステップ。すなわち、
ｉ．種々の形状を有するワークとロボットアーム２０との間の衝突の回避、
ｉｉ．ロボットアーム２０と、ロボット可動範囲１２における壁または構造との間の衝突の回避、および、
ｉｉｉ．ロボットアーム２０の動作の円滑性および制御
である。
【００３１】
図４に示すように、ロボットアーム２０は、コンベア２９に近接して設置される。コンベア２９は、ロボットアーム２０を通過するように車体ボディー５０を移動させている。本発明の一実施形態に係る方法においては、全ての肘点ＥＰと所望の制約平面４５は、例えば、ロボットアーム２０の肘点ＥＰの制御を使用者に対して可視化するために、教示ペンダント３０のディスプレイ３１上に表示されてもよい。しかしながら、肘点ＥＰと所望の制約平面４５は、独立したモニターのような、如何なるディスプレイに表示されてもよいことを理解されたい。冗長性によって、ロボットアーム２０は、所与のＴＣＰに対して自己運動を有する。図４に示すように、教示ペンダント３０のディスプレイ上にて可視化することによって、使用者は、αが変化するにつれて、曲線４４に沿った、可能性のある全ての肘点ＥＰを視認することができる。また、可視化することによって、使用者は、所望の制約平面４５を視認することもできる。したがって、使用者は、ディスプレイ３１上で、ロボットアーム２０の肘点ＥＰの所望の制約を視認することができる。特に、追跡アプリケーションにおいては、ロボットの肘点ＥＰの所望の制約は、コンベア２９とともに移動するワークに関して表される。この可視化によって、要求された動きを教示することが、簡単且つ直感的となる。使用者は、肘制御がアプリケーションにおいて機能しているか否か、および、如何にして機能させるかについて、容易に知ることができる。教示ペンダント３０上のタッチスクリーンディスプレイ（または他の器具もしくは装置）が、教示ペンダント３０と協働して用いられてもよい。これにより、使用者は、ロボットアーム２０の肘点ＥＰを、所望の位置に容易に移動させることができる。
【００３２】
図５は、本発明の一実施形態に係る方法のフローチャートである。ステップ６０において、使用者は、ロボットアーム２０のためのアプリケーションを選択する。例えば、アプリケーションは、図４に示すような塗装アプリケーションであってもよい。しかしながら、アプリケーションは、所望により、如何なるロボットアプリケーションであってもよい。ステップ６１において、使用者は、例えばαのような、ロボットアーム２０のための１以上の制約を定義する。ステップ６２において、使用者は、教示ペンダント３０のディスプレイ３１に示された情報を用いて、所望のロボット経路をロボットコントローラ２８に教示し、記録する。次いで、ステップ６３において、コントローラ２８は、教示モードまたはプログラムモードにおいて所望の経路を辿るように、ロボットアーム２０を動作させる。ステップ６５に示すように、経路に沿って特異点が生じた場合、ステップ６４において、特異点回避アルゴリズムが生成され、ロボットアーム２０の如何なる特異点の位置を自動的に回避する。特異点が生じなかった場合、ステップ６６において、リアルタイムアルゴリズムが、定義された制約を満たすように用いられる。
【００３３】
図６を参照して、オフセット手首部を備える冗長ロボットにおいて、図６に示すように、肘点ＥＰの軌道は、手首部中心点ＷＣＰに依存し、制限され、且つ空間にて閉じられた曲線にはならない場合がある。図示するように、ロボットの肘点ＥＰの対応する軌道Ｔは、既に円曲線ではない。手首部中心点ＷＣＰが与えられると、肘点ＥＰの軌道は、空間における固定された３次元曲線となるが、該曲線を公式として定めることは困難である。この課題は、上述した本発明に係る方法によって解決される。
【００３４】
特許法の規定に従って、本発明を、その好ましい実施形態を示すものと考えられる事項において説明した。しかしながら、本発明の概念または範囲を逸脱することなく、特に図示および記載されたもの以外の形態で、本発明を実施することができることに留意されたい。
【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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【外国語明細書】
2014050952000001.pdf