(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業者が作業工具を把持して実作業を行う工程と並行して、作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測・演算する装置を用いて、作業中の作業工具の位置・姿勢の時系列データを入力し記憶させ、これと同時に作業中の作業データを別手段により時系列で入力し記憶させ、作業工具の位置・姿勢の時系列データから作業者の動作パターンを抽出するとともに、作業データの時系列データから作業データパターンを抽出し、別途入力した工具パラメータと合わせて、作業仕様をキーとして動作パターン、作業データパターン及び工具パラメータが検索できるデータベースを構築し、意図する作業仕様を入力して得られたデータに基づきロボットの教示を行うことを特徴とするロボットの技能教示方法。
【請求項２】
作業者が作業工具を把持して実作業を行う工程と並行して、作業中の作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測・演算する位置・姿勢計測装置と、
作業中の作業データをリアルタイムで計測する計測手段と、
作業工具の位置・姿勢の時系列データを入力するとともに、作業データの時系列データを入力して、これらの時系列データを記憶するデータ記憶装置と、
記憶された作業工具の位置・姿勢の時系列データから作業者の動作パターンを抽出するとともに、記憶された作業データの時系列データから作業データパターンを抽出する動作パターン・作業データパターン抽出装置と、
動作パターン及び作業データパターンが入力され、別途入力された工具パラメータとともに、作業仕様をキーとしてこれらのデータが検索できるように構築された、ロボットに作業者の技能を教示するデータを得るためのデータベースと、を備えたことを特徴とするロボットの技能教示装置。
【請求項３】
位置・姿勢計測装置が、アームの先端部に取り付けた作業工具を作業者が把持して力を加えて動かすことにより、該先端部を任意の位置・姿勢に位置決めすることができるように、６以上の自由度を有するアームを備え、アームの関節部の各軸に位置検出器を設けた操作機構と、各軸の位置検出器からの信号を入力して座標変換を行うことにより、作業工具の位置・姿勢を演算する位置・姿勢演算装置とからなる接触式の３次元測定機である請求項２記載のロボットの技能教示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接、加工、組立て、仕上げ作業などの熟練作業者の作業技能をデータベース化し、これを活用することによりロボットに熟練作業者の作業技能を教示することができる技能教示方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のロボットの教示装置としては、特開平９−１９３０６４号公報に、姿勢検出手段と運動伝達部材を介した３次元座標位置検出手段をダミー工具に取り付け、これを作業者が持って教示を行い、この教示データをロボットの教示データに座標変換する装置が開示されている。
また、特開平１０−２６４０５９号公報には、塗装ロボットのティーチング装置として、作業者が持ったトレーサロッドの両端を画像センサで検出し、その位置・姿勢を演算することによりロボットの教示を行う装置が開示されている。
また、特開平６−２５０７３０号公報には、産業用ロボットの教示装置として、作業者の作業をワークの動きとして画像データの形で時系列的にとらえ、この入力データに基づいてワークの３次元位置・姿勢を算出し、この結果に基づいてロボットの動作プログラムを自動生成する装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来技術は、単にロボットへの位置・姿勢の教示を簡易化するためのツールの提案に過ぎず、当該ワークに対する作業者の動作をロボットに教示するだけの構成であり、教示されたデータは一品限りとなり、作業者の技能として獲得していないため、後で活用することができない。
また、特開平９−１９３０６４号公報記載の装置は、作業者の動作を実工具で直接教示できるものであるが、運動伝達部材の動作範囲内での使用に限られるという問題がある。
また、特開平１０−２６４０５９号公報、特開平６−２５０７３０号公報に記載された装置は、作業者の動作を非接触で教示できるものであるが、分解能の点で広範囲に計測しようとすれば精度が低下し、このため、測定範囲が制限されるという問題がある。
【０００４】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、作業者が実作業を行って教示した作業工具の位置・姿勢から作業者の動作パターンを抽出し、作業仕様から獲得した動作パターン及び別途入力した工具パラメータを検索できるようなデータベースを構築することにより、熟練作業者の技能をロボットに埋め込むことができ、その結果、ロボットの能力向上を図ることが可能となる技能教示方法及び装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、作業者が実作業を行って教示した作業工具の位置・姿勢から作業者の動作パターンを抽出すると同時に、別手段で計測・入力した作業データから作業データパターンを抽出し、作業仕様から獲得した動作パターン及び作業データパターン並びに別途入力した工具パラメータを検索できるようなデータベースを構築することにより、熟練作業者の技能をロボットに埋め込むことができ、その結果、ロボットの能力向上を図ることが可能となる技能教示方法及び装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のロボットの技能教示方法は、作業者が作業工具を把持して実作業を行う工程と並行して、作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測・演算する装置を用いて、作業中の作業工具の位置・姿勢の時系列データを入力し記憶させ、この時系列データから作業者の動作パターンを抽出し、別途入力した工具パラメータと合わせて、作業仕様をキーとして動作パターン及び工具パラメータが検索できるデータベースを構築し、意図する作業仕様を入力して得られたデータに基づきロボットの教示を行うように構成されている（図１〜図５参照）。
【０００６】
また、本発明のロボットの技能教示方法は、作業者が作業工具を把持して実作業を行う工程と並行して、作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測・演算する装置を用いて、作業中の作業工具の位置・姿勢の時系列データを入力し記憶させ、これと同時に作業中の作業データを別手段により時系列で入力し記憶させ、作業工具の位置・姿勢の時系列データから作業者の動作パターンを抽出するとともに、作業データの時系列データから作業データパターンを抽出し、別途入力した工具パラメータと合わせて、作業仕様をキーとして動作パターン、作業データパターン及び工具パラメータが検索できるデータベースを構築し、意図する作業仕様を入力して得られたデータに基づきロボットの教示を行うことを特徴としている（図６参照）。
【０００７】
本発明のロボットの技能教示装置は、作業者が作業工具を把持して実作業を行う工程と並行して、作業中の作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測・演算する位置・姿勢計測装置と、作業者が把持した作業工具の位置・姿勢の時系列データを入力して記憶するデータ記憶装置と、記憶された作業工具の位置・姿勢の時系列データから作業者の動作パターンを抽出する動作パターン抽出装置と、動作パターンが入力され、別途入力された工具パラメータとともに、作業仕様をキーとしてこれらのデータが検索できるように構築された、ロボットに作業者の技能を教示するデータを得るためのデータベースとを備えたことを特徴としている（図１参照）。
【０００８】
また、本発明のロボットの技能教示装置は、作業者が作業工具を把持して実作業を行う工程と並行して、作業中の作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測・演算する位置・姿勢計測装置と、作業中の作業データをリアルタイムで計測する計測手段と、作業工具の位置・姿勢の時系列データを入力するとともに、作業データの時系列データを入力して、これらの時系列データを記憶するデータ記憶装置と、記憶された作業工具の位置・姿勢の時系列データから作業者の動作パターンを抽出するとともに、記憶された作業データの時系列データから作業データパターンを抽出する動作パターン・作業データパターン抽出装置と、動作パターン及び作業データパターンが入力され、別途入力された工具パラメータとともに、作業仕様をキーとしてこれらのデータが検索できるように構築された、ロボットに作業者の技能を教示するデータを得るためのデータベースとを備えたことを特徴としている（図６参照）。
【０００９】
これらの本発明のロボットの技能教示装置においては、位置・姿勢計測装置として、アームの先端部に取り付けた作業工具を作業者が把持して力を加えて動かすことにより、該先端部を任意の位置・姿勢に位置決めすることができるように、６以上の自由度を有するアームを備え、アームの関節部の各軸に位置検出器を設けた操作機構と、各軸の位置検出器からの信号を入力して座標変換を行うことにより、作業工具の位置・姿勢を演算する位置・姿勢演算装置とからなる接触式の３次元測定機を用いることが好ましい（図１、図２、図６参照）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。
図１は、本発明の実施の第１形態によるロボットの技能教示装置を示している。図２は、本実施形態で用いる作業工具を任意の位置・姿勢に位置決めすることができる装置の一例を示している。本実施形態では、作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測できる装置として、例えば、図１、図２に示すような、接触式の３次元測定機を用いているが、作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測する装置は、接触方式、非接触方式（カメラ、レーザ、超音波を用いる方法等）のいずれでもよい。
図２に示すように、操作装置１０は、剛性の高い６以上の自由度を有するアーム１２と、各関節部に高精度の位置検出器１４（例えば、エンコーダ）を有する操作機構であり、作業者が先端部１６を把持して力を加えて動かすことにより、先端部１６を動作範囲内の任意の位置・姿勢に位置決めすることができるものである。
【００１１】
図１に示すように、作業者１８はこの操作装置１０の先端部１６に作業工具２０を取り付け、作業者１８が作業工具２０を把持して実際のワーク２２に対して作業を行う。本実施形態では、一例として、作業工具２０にグラインダを用いた場合の仕上げ作業について説明する。
入力装置２４には、作業者１８の作業時における操作装置１０の各軸の位置検出器１４からの信号が入力される。これに座標変換行列を乗じることにより、作業工具２０の位置・姿勢が計測することができる。すなわち、作業者１８の作業時における位置検出器１４からの各軸位置データが入力装置２４に入力され、これらのデータが位置・姿勢演算装置２６で座標変換されて作業工具２０の位置・姿勢の時系列データが得られる。この時系列データを、一旦、データ記憶装置２８に記憶させ、予め与えたいくつかの動作パターンとのマッチングを行い、マッチングした動作パターンのパラメータを抽出する。上記の処理は動作パターン抽出装置３０で行われる。
【００１２】
動作パラメータを抽出する手法としては、例えば、図３に示すように、動作パターンが定ピッチずらしの往復直線運動である場合、ワーク３２上を移動する作業工具２０（ここでは、グラインダ）の動作軌跡から、工具の送り速度（Ｖ）、移動ピッチ（ｄ）及び工具の動作方向（θv）を求める。具体的には、動作軌跡上の点列をＰj（ｊ＝１，２，…，ｎ）としたとき、
Ｖ＝（Σ｜Ｐk−Ｐk-1｜／Δｔ）／（ｎ−１）
ｄ＝２（Ｐt−Ｐ1）y
（ここに、Δｔは時系列データの入力周期、Ｐtはベクトル（Ｐt+1−Ｐt）とベクトル（Ｐt−Ｐt-1）の内積が負となる点、（）yはｙ成分を示す。）
により、送り速度Ｖ、移動ピッチｄを求めることができる。動作方向θvは、ワーク面に対する基準の工具姿勢を予め定め、この基準姿勢における動作方向を算出する。
【００１３】
これらは、仕上げ作業品質に直接関わるデータであり、熟練技能のひとつである。これをデータベース化するためには、作業仕様との関連付けが必要である。ここで作業仕様とは、作業分類（研磨、研削、面取り、バリ取り等）、除去量、仕上げ精度などの目標とするパラメータと、ワークの形状パターン、ワーク材質などのワークパラメータとからなるものである。作業仕様は作業に応じて予め入力されている。そして、これらの作業仕様をキーとして入力したときに、前述の動作パターン（動作パラメータを含む）と工具パラメータ（使用刃具、回転数など）が検索できるようなデータベース３４を構築する。
作業仕様におけるワークの形状パターンは、例えば、図４に示すように、ワークの代表的形状に応じていくつか用意し、また、同じ平面であっても縦横比、面の傾きなどのパラメータを持たせる。図４では、面の傾き（θw）、曲率半径（ｒ）、縦横比（ａ＞ｂ、ａ＜ｂ、ａ＝ｂ）等によって、いくつかの形状パターンのワーク（パターン１のワーク３６、パターン２のワーク３８、パターン３のワーク４０、…）が用意されている。
【００１４】
以上のようにして種々のワーク、作業工具の組合せで様々な実作業を行うことにより、作業仕様をキーとして動作パターン及び工具パラメータが検索できるデータベース３４が構築できる。図５は、このようなデータベースの一例を示している。これは作業者の作業技能のうち動作に関する技能を教示により獲得できたことを意味する。
ロボットを用いて仕上げ作業の自動化を図る場合には、マンマシン部（操作部）４２に意図する作業仕様を入力すれば、データベースの中からその仕様に近い作業仕様を判断し、それに基づき作業者の動作パターンと工具パラメータがマンマシン部４２に表示される。そして、表示されたデータに基づきロボットの教示を行うことにより、作業者の技能をロボットに埋め込むことができる。ロボットへの教示は、通常のオフライン教示の手法が用いられる。
【００１５】
図６は、本発明の実施の第２形態によるロボットの技能教示装置を示している。
図６に示すように、作業者１８は操作装置１０の先端部１６に作業工具４４を取り付け、作業者１８が作業工具４４を把持して実際のワーク４６に対して作業を行う。操作装置１０の構成等は、実施の第１形態と同様である。また、実施の第１形態では、グラインダを用いた仕上げ作業について説明したが、本実施形態では、一例として、作業工具４４にトーチを用いた場合の溶接作業について説明する。
入力装置２４には、作業者１８の作業時における操作装置１０の各軸の位置検出器１４からの信号が入力される。これに座標変換行列を乗じることにより、作業工具４４の位置・姿勢が計測することができる。すなわち、作業者１８の作業時における位置検出器１４からの各軸位置データが入力装置２４に入力され、これらのデータが位置・姿勢演算装置２６で座標変換されて作業工具４４の位置・姿勢の時系列データが得られる。この時系列データを、一旦、データ記憶装置４８に記憶させ、予め与えたいくつかの動作パターンとのマッチングを行い、マッチングした動作パターンのパラメータを抽出する。
【００１６】
本実施形態では、図６に示すように、動作パターン（動作パラメータを含む）の獲得に加えて、作業データも同時に、別途設けた計測手段（図示略）と入力装置５０を用いて時系列で入力することにより、作業データパターンを抽出してデータベースに加えることができる。すなわち、得られた時系列データを、一旦、データ記憶装置４８に記憶させ、作業データが作業中の動作パターンに応じて、あるいは時間に応じてパターン化できる場合は、パターンのパラメータを求める。ここで、作業データとは、溶接作業の場合は溶接電流、溶接電圧などであり、実施の第１形態の仕上げ作業の場合は工具の押付け力などである。また、ギャップ量なども、ワーク部位に応じて変化する場合は、作業データと同様に、時系列で入力する構成とすることが可能である。
前述した動作パターンを抽出する処理及び作業データパターンを抽出する処理は、動作パターン・作業データパターン抽出装置５２で行われる。
【００１７】
溶接作業の場合は、作業仕様におけるワークパラメータとして形状パターン、材質の他に、開先種類、ギャップ量等を入力し、動作パターンとしてウィービングパターン、ウィービング幅、周波数、トーチ角度、あるいは多層盛り溶接における積層パターン等を出力し、また、工具パラメータとして使用トーチ、ワイヤ等を出力する。
作業仕様をキーとして入力したときに、動作パターン、作業データパターン及び工具パラメータが検索できるようなデータベース５４が構築される点は、実施の第１形態の場合と同様である。
ロボットを用いて溶接作業の自動化を図る場合には、マンマシン部４２に意図する作業仕様を入力すれば、データベースの中からその仕様に近い作業仕様を判断し、それに基づき作業者の動作パターン、作業データパターン及び工具パラメータがマンマシン部４２に表示される。そして、表示されたデータに基づきロボットの教示を行うことにより、作業者の技能をロボットに埋め込むことができる。
他の構成及び作用は、実施の第１形態の場合と同様である。
【００１８】
ここで、作業データのパターン化について、実施の第１形態で述べた仕上げ作業を例にとって説明する。作業データが作業中の動作パターンに応じて、あるいは時間に応じてパターン化できる場合は、パターンのパラメータを求める。図７は、仕上げ作業における工具の押付け力のパターンの例を示している。ここでは、図７に示すような繰り返し矩形パターンとして、押付け力のオフセット量（ｆ0）、押付け力の幅（ｆ1）及び繰り返し周期（Ｔf）をパターンのパラメータとして抽出する。なお、実施の第１形態で説明した仕上げ作業の場合も、作業データの入力を行う構成としてデータベースにパターン化したデータを加えることが可能である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１）  熟練作業者の作業技能を教示することができ、これをデータベース化して活用することにより、作業の自動化を図りたいときに、作業技能としてロボットに埋め込むことができる。
（２）  熟練作業者の技能をロボットに埋め込むことができ、その結果、ロボットの能力向上を図ることが可能となる。
（３）  作業工具の位置・姿勢をリアルタイムで計測する装置として、接触式の３次元測定機を使用する場合は、精度の高い教示データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態によるロボットの技能教示装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施の第１形態における作業工具を任意の位置・姿勢に位置決めすることができる装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施の第１形態における動作パラメータの抽出例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施の第１形態におけるワークの形状パターンの一例を示す構成図であり、上段が側面図、下段が平面図である。
【図５】本発明の実施の第１形態におけるデータベースの表示例を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の第２形態によるロボットの技能教示装置を示す概略構成図である。
【図７】作業データのパターン化の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  操作装置
１２  アーム
１４  位置検出器
１６  先端部
１８  作業者
２０、４４  作業工具
２２、３２、３６、３８、４０、４６  ワーク
２４、５０  入力装置
２６  位置・姿勢演算装置
２８、４８  データ記憶装置
３０  動作パターン抽出装置
３４、５４  データベース
４２  マンマシン部
５２  動作パターン・作業データパターン抽出装置
【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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