(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットのアームの先端部を被押圧物体の表面に沿って移動させるためのロボット軌跡を予め当該ロボットに教示するロボット軌跡の教示方法において、
予め設定しておいた目標とする移動量を発生し、
前記移動量を第１の速度指令値に変換し、
操作者が操作部を操作した操作量を取得し、
前記操作量を前記アームの先端部の姿勢変更量に変換し、
前記姿勢変更量に基いて第２の速度指令値に変換し、
前記アームの移動後の押圧力が予め設定した値に近似するように前記アームの先端部と前記被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から算出した補正量を発生し、
前記補正量を第３の速度指令値に変換し、
前記第１の速度指令値と前記第２の速度指令値と前記第３の指令値とを加算することにより、第４の速度指令値を算出し、
前記第４の速度指令値を関節角速度指令値に変換し、
前記関節角速度指令値を前記ロボットのサーボコントローラに入力する
ことを特徴とするロボット軌跡の教示方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットのアームの先端部を被押圧物体の表面に沿って移動させるためのロボット軌跡を予めロボットに教示するロボット軌跡の教示方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のロボット軌跡の教示方法としては、教示ペンダントによる教示方法が広く知られている。これは、操作者が教示ペンダントを用いて被押圧物体の表面上の多数の座標値を入力していく方法である。かかる教示ペンダントを用いた教示方法は、ロボットに塗装、溶接、シーリング等の作業を行わせる場合には、ロボットのアームの先端の軌跡を制御するだけなので有効な教示方法ではある。
【０００３】
しかし、教示ペンダントによる教示方法は、入力作業が煩雑であり、非常に多くの教示点を入力しなければ信頼性の高い軌跡を得ることは困難であった。
【０００４】
そのため、近年においては、実際に使用するロボットを用いて操作者が被押圧物体の表面に沿わせてアームを移動させ、その軌跡を記憶させるダイレクト教示方法が考えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の教示ペンダントを用いた教示方法では、教示時にロボットのアームの先端と被押圧物体との間に作用する押圧力を操作者が認識することができないために、押圧力を制御しながら教示作業を行うことは不可能であった。
【０００６】
また、上記従来のダイレクト教示方法でも、教示時にロボットのアームの先端と被押圧物体との間に作用する押圧力を操作者が認識することは極めて困難であるため、押圧力を一定に保持しながらアームの先端を移動させることは、よほど操作者が熟練したとしても殆ど不可能に近かった。
【０００７】
したがって、ロボットに研磨作業を行わせる場合等のように、ロボットのアームの先端と被押圧物体との間に作用する押圧力を略一定に保持するようにロボットのアームの先端の軌跡を制御する必要がある場合には、そのような押圧力の力制御が困難な教示ペンダントによる教示方法やダイレクト教示方法は実用的な教示方法とはいえなかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、ロボットのアームの先端部を被押圧物体の表面に沿って移動させるためのロボット軌跡を予め当該ロボットに教示するロボット軌跡の教示方法において、倣い経路制御装置によって予め設定しておいた目標とする移動量を発生し、前記移動量を第１の速度指令値に変換し、操作者が操作部を操作した操作量を取得し、前記操作量を前記アームの先端部の姿勢変更量に変換し、前記姿勢変更量に基いて第２の速度指令値に変換し、アームの移動後の押圧力が予め設定した値に近似するようにアームの先端部と被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から算出した補正量を発生し、前記補正量を第３の速度指令値に変換し、前記第１の速度指令値と前記第２の速度指令値と前記第３の指令値とを加算することにより、第４の速度指令値を算出し、前記第４の速度指令値を関節角速度指令値に変換し、前記関節角速度指令値を前記ロボットのサーボコントローラに入力することとした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るロボット軌跡の教示方法は、予め設定しておいた目標とする移動量を倣い経路制御器で発生する一方、ロボットのアームの先端部の姿勢を変更するための姿勢変更手段としてのジョイスティック姿勢制御器によってアームの先端部の姿勢を変更し、更には、ロボットのアームの移動後にアームの先端部と被押圧物体との間に作用する押圧力が予め設定した値に近似するようにアームの先端部と被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から算出した補正量を力制御器で発生し、目標とする移動量、補正量、アームの姿勢とに基づいてアームの先端部の実際の移動量を算出し、それによりアームの先端部を被押圧物体の表面に沿わせて移動させ、その際のアームの軌跡を軌跡蓄積器に記憶させるようにしたものである。
【００１１】
このように、本発明では、予め設定しておいた目標とする移動量と、アームの移動後の押圧力が予め設定した値に近似するようにアームの先端部と被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から算出した補正量とに基づいてアームの先端部を被押圧物体の表面に沿わせて移動せしめ、その軌跡を記憶させているため、アームの先端部と被押圧物体との間に作用する押圧力を略一定に保持しながらアームの先端部が被押圧物体の表面に沿って移動するロボット軌跡を容易に得ることができ、このようにして得られたロボット軌跡に基づいてロボットを制御することによって、ロボットに研磨作業等を行わせることができるものである。
【００１２】
しかも、アームの先端部の姿勢を変更するための姿勢変更手段によって変更された姿勢を保持しながら、アームの移動後の押圧力が予め設定した値に近似するようにアームの先端部と被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から補正量を算出しているため、操作者はアームの姿勢制御だけに集中して教示作業を行うことができ、教示作業を容易なものとすることができるものである。
【００１３】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係るロボット軌跡の教示方法を示すブロック線図であり、同図に示すように、本発明では、予め設定しておいた目標とする移動量を倣い経路制御器２で発生する一方、ロボット１のアームの先端部の姿勢を変更するための姿勢変更手段としてのジョイスティック姿勢制御器３によってアームの先端部の姿勢を変更し、更には、ロボット１のアームの移動後にアームの先端部と被押圧物体との間に作用する押圧力が予め設定した値に近似するようにアームの先端部と被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から算出した補正量を力制御器４で発生し、目標とする移動量、補正量、アームの姿勢とに基づいてアームの先端部の実際の移動量を算出し、それによりアームの先端部を被押圧物体の表面に沿わせて移動させ、その際のアームの軌跡を軌跡蓄積器５に記憶させている。
【００１５】
すなわち、倣い経路制御器２では、被押圧物体のサイズやアーム先端に取付けた工具（例えば、研磨装置）の大きさに応じて、アームの先端部をジグザグ状又は渦巻き状に移動させるジグザグ経路や渦巻き経路等を発生する。この倣い経路制御器２では、アーム先端の位置ベクトル［ｘ、ｙ、ｚ］を発生する。
【００１６】
例えば、図２に示すように、被押圧物体の前端から後端に向けてアームの先端部を所定量（例えば、１０ｍｓごとに１０μｍ）ずつ移動させ、その後、被押圧物体の左右幅方向に所定幅（例えば、１ｍｍ）だけ所定量（例えば、１０ｍｓごとに１０μｍ）ずつ移動させ、その後、被押圧物体の後端から前端に向けてアームの先端部を所定量（例えば、１０ｍｓごとに１０μｍ）ずつ移動させることを繰り返して、アームの先端部をジグザグ状に移動させるジグザグ経路を発生する。
【００１７】
尚、図２に示すジグザグ経路では、アームの先端部を被押圧物体の前後方向（Ｘ方向）及び左右幅方向（Ｙ方向）にのみ移動させる経路としており、アームの先端部を被押圧物体の上下方向（Ｚ方向）には移動させていない。これは、表面形状が未知の様々な被押圧物体に対応できるようにしたものであり、また、倣い経路制御器２によって発生する移動量を２方向に簡素化できるようにしたものである。従って、概略の表面形状が既知の被押圧物体の場合には、倣い経路制御器２によってアームの先端部を被押圧物体の上下方向（Ｚ方向）にも移動させる３方向の移動量を発生させてもよい。
【００１８】
この倣い経路制御器２で発生する移動量は、あくまで目標とする移動量であって、そのままの移動量でロボット１のアームを移動させているのではない。実際にロボット１のアーム先端の移動量は、倣い経路制御器２で発生する移動量に、後述する力制御器４で発生する補正量を加えたものである。
【００１９】
また、ジョイスティック姿勢制御器３では、操作者が操作するジョイスティックの傾斜角度に対応したアーム先端の姿勢を発生する。このジョイスティック姿勢制御器３では、Ｚ−Ｙ−Ｚオイラー角で表される姿勢ベクトル［φ、θ、ψ］を発生する。
【００２０】
尚、ジョイスティック姿勢制御器３では、操作者が操作するジョイスティックの操作量よりもアーム先端の姿勢変更量のほうが少なくなるようにしている。例えば、操作者が操作するジョイスティックの操作量の１／５の変更量でアーム先端の姿勢が変わるようにして、ジョイスティックをφ方向に３０度傾斜させた場合には、アーム先端がφ方向に６度傾斜するようにしている。これにより、操作者がジョイスティックを用いてアーム先端の姿勢を容易に微調整できるようにしている。
【００２１】
また、力制御器４では、倣い経路制御器２で発生した位置（位置ベクトル［ｘ、ｙ、ｚ］）とジョイスティック姿勢制御器３で発生した姿勢（姿勢ベクトル［φ、θ、ψ］）とに基づいて次のようにして補正量を発生する。
【００２２】
まず、デカルト座標系における目標とするインピーダンス特性を次式で定義する。
【数１】
0004447746.tif 000002
【００２３】
ここで、
【数２】
0004447746.tif 000003
は、それぞれロボット１のアーム先端に取付けた研磨工具等の位置ベクトル、速度ベクトル、加速度ベクトルを表す。また、
【数３】
0004447746.tif 000004
は、それぞれ目標慣性行列、目標粘性行列、目標剛性行列であり、これらをインピーダンスパラメータと呼ぶ。また、
【数４】
0004447746.tif 000005
は、
【数５】
0004447746.tif 000006
で定義される工具と被押圧物体との間に作用する押圧力ベクトル
【数６】
0004447746.tif 000007
とモーメントベクトル
【数７】
0004447746.tif 000008
である。また、
【数８】
0004447746.tif 000009
は力フィードバックゲイン行列である。また、
【数９】
0004447746.tif 000010
と
【数１０】
0004447746.tif 000011
は、目標とする位置ベクトル、速度ベクトル、加速度ベクトル及び力／モーメントベクトルである。ＳとＥはスイッチ行列及び単位行列である。ただし、Ｍd、Ｂd、Ｋd及びＫfは正定の対角行列とする。
【００２４】
式（１）は、Ｓ＝Ｅのとき全方向インピーダンス制御系、Ｓ＝０のとき全方向力制御系となる。
【００２５】
全方向力制御系（Ｓ＝０）のとき、式（１）において
【数１１】
0004447746.tif 000012
とおくと、次の状態方程式が得られる。
【数１２】
0004447746.tif 000013
【００２６】
この式（２）を解くと、次式が得られる。
【数１３】
0004447746.tif 000014
【００２７】
ここで、サンプリング幅Δｔを用いた離散時間ｋを考える。まず、
【数１４】
0004447746.tif 000015
の時間において、Ｍd、Ｂd、Ｋf、Ｆ及びＦdが全て一定であると仮定し、
【数１５】
0004447746.tif 000016
とすると、次式のような離散時間ｋでの解が得られる。
【数１６】
0004447746.tif 000017
【００２８】
前定義により
【数１７】
0004447746.tif 000018
であり、また、力制御を行う方向における目標の速度を
【数１８】
0004447746.tif 000019
に設定すると、次式に示すデカルト座標系における解が得られる。
【数１９】
0004447746.tif 000020
【００２９】
ここで、ｘ(ｋ)は、位置ベクトル［ｘ(ｋ)  ｙ(ｋ)  ｚ(ｋ)]TとＺ−Ｙ−Ｚオイラー角で表される姿勢ベクトル[φ(ｋ)  θ(ｋ)  ψ(ｋ)]Tとから構成している。
【００３０】
式（５）に積分操作を加えると次式が得られる。
【数２０】
0004447746.tif 000021
【００３１】
ここで、
【数２１】
0004447746.tif 000022
は、積分制御ゲインである。
【００３２】
式（６）で得られる速度指令値
【数２２】
0004447746.tif 000023
をサンプリング時間ごとにサーボ系の目標値として与えることで、アーム先端に設けた力センサーで検出される押圧力Ｆを予め設定した目標値Ｆdに追従させることができる。
【００３３】
次に、教示プロセスについて図１に基づいて説明すると、まず、倣い経路制御器２によって予め設定しておいたジグザグ経路等の目標とする移動量を発生し、それを速度指令値
【数２３】
0004447746.tif 000024
に変換する。また、ジョイスティック姿勢制御器３によってアームの先端部の姿勢を操作者が操作するジョイスティックに対応した姿勢となるように姿勢変更量を発生し、それを速度指令値
【数２４】
0004447746.tif 000025
に変換する。更には、力制御器４によってロボット１のアームの移動後にアームの先端部と被押圧物体との間に作用する押圧力が予め設定した値に近似するようにアームの先端部と被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から算出した補正量を発生し、それを速度指令値
【数２５】
0004447746.tif 000026
に変換する。
【００３４】
尚、図１において、Ｓp＝diag(Ｓp1,Ｓp2,Ｓp3,０，０，０)、Ｓo＝diag(０,０,０,Ｓo1,Ｓo2,Ｓo3)、Ｓf＝diag(Ｓf1,Ｓf2,Ｓf3,Ｓf4,Ｓf5,Ｓf6)は、それぞれ倣い経路制御器、ジョイスティック姿勢制御器、力制御器の動作を各方向ごとにオン又はオフにするスイッチ行列であり、
【数２６】
0004447746.tif 000027
の関係を有する。また、
【数２７】
0004447746.tif 000028
はサンプリング間隔の逆数、Ｋν=diag(Ｋν1,・・・,Ｋν6)は速度変換ゲインである。
【００３５】
そして、上記の各速度指令値を加算したデカルト座標系での速度指令値は、次式で与えられる。
【数２８】
0004447746.tif 000029
【００３６】
ここで、
【数２９】
0004447746.tif 000030
は、逆ヤコビアンにより関節座標系での関節角速度指令値
【数３０】
0004447746.tif 000031
に変換された後、オープンアーキテクチャ型産業用ロボット1のサーボコントローラへ入力され、アーム先端が移動する。そして、その際のアームの軌跡は、軌跡蓄積器5に記憶される。
【００３７】
このように、本発明では、予め設定しておいた目標とする移動量と、アームの移動後の押圧力が予め設定した値に近似するようにアームの先端部と被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から算出した補正量とに基づいてアームの先端部を被押圧物体の表面に沿わせて移動せしめ、その軌跡を記憶させているため、アームの先端部と被押圧物体との間に作用する押圧力を略一定に保持しながらアームの先端部が被押圧物体の表面に沿って移動するロボット軌跡を容易に得ることができ、このようにして得られたロボット軌跡に基づいてロボット1を制御することによって、ロボット1に研磨作業等を行わせることができる。
【００３８】
しかも、アームの先端部の姿勢を変更するための姿勢変更手段によって変更された姿勢を保持しながら、アームの移動後の押圧力が予め設定した値に近似するようにアームの先端部と被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から補正量を算出しているため、操作者はアームの姿勢制御だけに集中して教示作業を行うことができ、教示作業を容易なものとすることができる。
【００３９】
本発明の有用性を検証するために、オープンアーキテクチャ型産業用ロボットとして川崎重工業製のJS-10を用い、ジョイスティックとしてサンワサプライ製の3自由度ジョイスティックJY-DV17を用いて教示実験を行った。その際の各制御パラメータは表1に示すとおりであり、また、倣い経路制御器2によって図2に示すジグザグ経路を発生させている。
【００４０】
【表１】
0004447746.tif 000032
【００４１】
その結果を図3及び図4に示す。図3は、研磨工具の傾斜角度の変化を示しており、図4は、研磨工具先端のZ座標値の変化を示している。
【００４２】
本実験により、研磨用のロボットを高速かつ高精度に自動制御するために必要となる最適な軌道を簡易かつ安全に得られることが確認された。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００４４】
すなわち、本発明では、倣い経路制御装置によって予め設定しておいた目標とする移動量を発生し、前記移動量を第１の速度指令値に変換し、操作者が操作部を操作した操作量を取得し、前記操作量を前記アームの先端部の姿勢変更量に変換し、前記姿勢変更量に基いて第２の速度指令値に変換し、アームの移動後の押圧力が予め設定した値に近似するようにアームの先端部と被押圧物体との間に作用している実際の押圧力から算出した補正量を発生し、前記補正量を第３の速度指令値に変換し、前記第１の速度指令値と前記第２の速度指令値と前記第３の指令値とを加算することにより、第４の速度指令値を算出し、前記第４の速度指令値を関節角速度指令値に変換し、前記関節角速度指令値を前記ロボットのサーボコントローラに入力するため、アームの先端部と被押圧物体との間に作用する押圧力を略一定に保持しながらアームの先端部が被押圧物体の表面に沿って移動する軌跡を容易に得ることができ、しかも、教示時に操作者はアームの姿勢制御だけに集中することができ、教示作業を容易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るロボット軌跡の教示方法を示すブロック線図。
【図２】倣い経路制御器で発生するジグザグ経路を示す説明図。
【図３】研磨工具の傾斜角度の変化を示すグラフ。
【図４】研磨工具のZ座標値の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
1 ロボット
2 倣い経路制御器
3 ジョイスティック姿勢制御器
4 力制御器
5 軌跡蓄積器
【図１】
0004447746.tif 000033
【図２】
0004447746.tif 000034
【図３】
0004447746.tif 000035
【図４】
0004447746.tif 000036