(57)【要約】【課題】ロボットの作業部位へのアプローチやワークからの離脱の際のロボットやツールの軌跡をも考慮した治具の設計が行え、さらにはティーチングデータの修正も可能で、ロボットによる作業を総合的な視点から最適化することができるロボットシミュレータを提供する。【解決手段】オペレータからの入力を受け付ける入力装置２と、入力装置２からの入力に応じて多関節ロボットの動作をシミュレートする処理装置４と、処理装置４による処理結果を３次元グラフィックによって表示する表示装置３とを備えるロボットシミュレータにおいて、処理装置４は、多関節ロボットの動作を表示装置３上においてティーチングするオフラインティーチング手段８と、多関節ロボットの作業対象となるワークを支持または固定する治具を設計する３次元ＣＡＤ手段９とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オペレータからの入力を受け付ける入力装置と、前記入力装置からの入力に応じて多関節ロボットの動作をシミュレートする処理装置と、前記処理装置による処理結果を３次元グラフィックによって表示する表示装置とを備えるロボットシミュレータにおいて、
前記処理装置は、前記多関節ロボットの動作を前記表示装置上においてティーチングするオフラインティーチング手段と、
前記多関節ロボットの作業対象となるワークを支持または固定する治具を設計する３次元ＣＡＤ手段とを備えたことを特徴とするロボットシミュレータ。
【請求項２】
前記オフラインティーチング手段は、前記多関節ロボットと前記多関節ロボットの先端に取り付けられたツールと前記ワークの３次元グラフィックを前記表示装置上に表示することを特徴とする請求項１に記載のロボットシミュレータ。
【請求項３】
前記オフラインティーチング手段は、前記オペレータによって作成されたティーチングデータから前記ツールの動作軌跡の３次元データを作成し、前記３次元ＣＡＤ手段によって読み込み可能な形式で出力することを特徴とする請求項１に記載のロボットシミュレータ。
【請求項４】
前記３次元ＣＡＤ手段は、前記ツールの動作軌跡の３次元データを読み込み、前記表示装置上に表示することを特徴とする請求項３に記載のロボットシミュレータ。
【請求項５】
前記３次元ＣＡＤ手段は、前記表示装置上に表示された前記ツールの動作軌跡の３次元データのうち一部または全部について表示・非表示を切り替えることを特徴とする請求項４に記載のロボットシミュレータ。
【請求項６】
前記３次元ＣＡＤ手段は、前記オペレータによって設計された前記治具の３次元ＣＡＤデータを前記オフラインティーチング手段によって読み込み可能な形式で出力することを特徴とする請求項１に記載のロボットシミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボットシミュレータに関し、特に産業用ロボットによる作業対象物（ワーク）を支持したり固定したりする治具の設計に適用されるシミュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の製造ラインなどにおいては従来から産業用ロボットによる溶接作業が広く行われている。ロボットを用いて溶接を行う場合、アーク溶接であれば多関節ロボットの先端部に溶接トーチを取り付け、スポット溶接であれば多関節ロボットの先端部に溶接ガンを取り付け、ロボットの各関節を適当に動かすことにより溶接トーチ／溶接ガン（以下ツール）を被溶接物（ワーク）の近くまで移動させる。その後ワーク上の所定の溶接線や溶接点に従ってツールを移動させつつ溶接を行う。
こうした溶接を行う際にはワークを支持したり固定したりするために治具が用いられるのが一般的である。治具はワークの形状や溶接部位、ロボット先端に取り付けられたツールの形状や溶接時の姿勢などに応じて多くの種類が存在するが、溶接作業の邪魔にならないようロボット本体やツールと干渉しない形状に設計する必要がある。
そこで適切な形状の治具設計を簡易に行うことを目的として、自動車ボディにスポット溶接を施す作業において、溶接部位を３次元的に表す加工基準面データを３次元ＣＡＤ・ＣＡＭシステムに入力し、さらにロボット先端に取り付けられる溶接ガンと溶接治具のデータとから溶接ガンと溶接治具とが干渉するか否かを判断し、干渉する場合には溶接治具の設計を変更するという方法があった（例えば特許文献１）。
また特許文献１のように離散的な位置ではなく、連続的に移動しながら溶接を行う場合において、溶接トーチの３次元形状データとユーザが指定した溶接部位の３次元形状から溶接作業中に溶接トーチが存在する領域（３次元軌跡）を算出し、溶接治具が溶接トーチの３次元軌跡と干渉するか否かをＣＡＤシステム上で確認し、干渉する場合には溶接治具の設計を修正する溶接治具設計装置があった(例えば特許文献２)。
【特許文献１】特開平７−３２１６１号公報
【特許文献２】特開２００２−１５３９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１や特許文献２に記載された発明では、溶接部位の位置や溶接部位の形状からツールの３次元位置や３次元軌跡を求め、それらが溶接治具と干渉するか否かによって溶接治具の設計の確認や変更を行っていた。すなわちワークに対して溶接作業を行う間の干渉の有無だけで溶接治具設計の良否を判断していた。
しかしながら実際のロボットによる溶接作業では、溶接の前後に溶接部位へのアプローチ、溶接完了後のワークからの離脱といった過程が必要である。また１つのワークに複数の溶接部位がある場合には、それらの間を移動する過程が必要である。
溶接ラインの生産性向上のためにはこうしたロボットの溶接部位へのアプローチ、溶接部位間の移動、ワークからの離脱に要する時間を短縮することが重要となる。特許文献１や特許文献２に記載の発明では、こうしたアプローチ、移動、離脱の際にロボットが最短経路を通過した際の干渉の有無まで確認できるものではなく、その意味では特許文献１や特許文献２によって設計された溶接治具も最適のものであるとは言えなかった。
【０００４】
また、特許文献１や特許文献２に記載の発明はあくまで治具の設計の検討や修正を行うものであって、ロボットのティーチングについての検討を行えるものではなかった。例えば溶接部位へのアプローチの際に治具との干渉が発生することが判明したが、治具の干渉部位の形状を変更すると多大なコストが発生するといった場合は、ティーチングデータに迂回点を設けてロボットの移動時間が伸長したとしても総合的な生産性の面からは結局得策であるということがありうる。
こうしたトレードオフの検討はティーチングデータと治具設計の双方を修正しながら行う必要があるが、特許文献１や特許文献２に記載の発明ではティーチングデータについては修正手段がなく総合的な検討を行うことができなかった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットの作業部位へのアプローチやワークからの離脱の際のロボットやツールの軌跡をも考慮した治具の設計が行え、さらにはティーチングデータの修正も可能で、ロボットによる作業を総合的な視点から最適化することができるロボットシミュレータ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】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載のロボットシミュレータは、オペレータからの入力を受け付ける入力装置と、前記入力装置からの入力に応じて多関節ロボットの動作をシミュレートする処理装置と、前記処理装置による処理結果を３次元グラフィックによって表示する表示装置とを備えるロボットシミュレータにおいて、前記処理装置は、前記多関節ロボットの動作を前記表示装置上においてティーチングするオフラインティーチング手段と、前記多関節ロボットの作業対象となるワークを支持または固定する治具を設計する３次元ＣＡＤ手段とを備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載のロボットシミュレータは、前記オフラインティーチング手段は、前記多関節ロボットと前記多関節ロボットの先端に取り付けられたツールと前記ワークの３次元グラフィックを前記表示装置上に表示することを特徴とするものである。
請求項３に記載のロボットシミュレータは、前記オフラインティーチング手段は、前記オペレータによって作成されたティーチングデータから前記ツールの動作軌跡の３次元データを作成し、前記３次元ＣＡＤ手段によって読み込み可能な形式で出力することを特徴とするものである。
請求項４に記載のロボットシミュレータは、前記３次元ＣＡＤ手段は、前記ツールの動作軌跡の３次元データを読み込み、前記表示装置上に表示することを特徴とするものである。
請求項５に記載のロボットシミュレータは、前記３次元ＣＡＤ手段は、前記表示装置上に表示された前記ツールの動作軌跡の３次元データのうち一部または全部について表示・非表示を切り替えることを特徴とするものである。
請求項６に記載のロボットシミュレータは、前記３次元ＣＡＤ手段は、前記オペレータによって設計された前記治具の３次元ＣＡＤデータを前記オフラインティーチング手段によって読み込み可能な形式で出力することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のロボットシミュレータによれば、オフラインティーチング手段によって作成したロボットの動作データから、そのロボット先端に取り付けられたツールの一連の動作軌跡を得ることができるので、溶接などの作業部分のみならず、アプローチや離脱の動作についても考慮した形状の治具設計が可能となり、ロボットの移動時間を短縮でき作業効率を向上させることができる。
また設計した治具のデータをオフラインティーチング手段に読み込ませ作業をシミュレートすることによって必要に応じてティーチングデータの方を修正し、ラインの総合的な生産性を向上することができる。
また治具設計の検討や修正を即座に行うことができ、設計に要する時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明のロボットシミュレータ１の全体構成を示すブロック図である。
図１において、２はマウスやキーボードといった入力装置、３は例えばＣＲＴモニタや液晶モニタといった表示装置である。４は処理装置で、記憶装置５と、ＣＰＵ６、メモリ７を備えている。記憶装置５は例えばハードディスクであって、オフラインティーチングプログラム８、３次元ＣＡＤプログラム９を記憶している他、様々な種類のロボット、ツール、ワークの３次元形状データを記憶している。またロボットについては形状データに加え、実際のロボットと同様のリンクパラメータや各軸の動作可能範囲などの情報も記憶装置５に予め記憶されている。
本発明のロボットシミュレータはパーソナルコンピュータやワークステーションと同様の構成をもって提供される。記憶装置５に予め記憶されたオフラインティーチングプログラム８や３次元ＣＡＤプログラム９は、入力装置２を介したユーザからの入力によって記憶装置５からメモリ７にロードされてＣＰＵ６によって実行される。オペレータは入力装置２によってオフラインティーチングプログラム８、３次元ＣＡＤプログラム９に指示を行い、表示装置３にてその成果を確認しながら作業を進めることができる。
なお、図１は本発明のロボットシミュレータの主要な部分だけを描いたもので入力装置２や表示装置３と処理装置４との間のインターフェース部などについては省略している。
【０００９】
図２に本発明のロボットシミュレータの処理過程のフローチャートを示す。
まず、オペレータが入力装置２を使って記憶装置５からオフラインティーチングプログラム８を呼び出して起動させる。
オフラインティーチングプログラム８は記憶装置５からロボットやツール、ワークの３次元形状データを読み込んで表示装置３上に３次元モデルとして表示し、入力装置２を介して行われるオペレータからの指示に従って各モデルの配置やモデルに対する視点を自在に変更することができる。ただしツールの３次元モデルは実際のロボットと同様、ロボットの先端部に固定される。
【００１０】
オフラインティーチングプログラム起動後、オペレータはまず治具設計の対象となる作業で使用されるロボット、ツール、ワークの３次元形状データを記憶装置５から読み込んで実際のラインと同様に配置し模擬的な作業環境を表示装置３上に構築する（図２のＳ１）。
図３にオフラインティーチングプログラム８によって構築した作業環境の例を示す。ツールとしてアーク溶接用のトーチ１０をロボット先端に取り付け、ワーク１１を溶接する作業の例である。
【００１１】
３次元モデルの配置が完了すると、続いてオフラインティーチング作業を行う。実際のロボットを用いたティーチング作業では、ロボット制御装置に接続されたプログラミングペンダントを使ってロボットを動作させながら適当な教示点を記録していくが、オフラインティーチングではプログラミングペンダントの代わりに表示装置３上にプログラミングペンダント状の操作パネルを表示させ、入力装置２によって操作パネル上のボタンを押したり数値を入力したりする。
図４はオフラインティーチングプログラムによって表示装置３上に表示された操作パネルの例である。操作パネル上のＪＯＧ動作ボタン１２や動作速度指定用のラジオボタン１３をマウスでクリックすることで、実際のプログラミングペンダントと同様にロボットモデルの操作や動作速度の設定が行える。
オフラインティーチングプログラム８はキネマティクス演算処理機能を内蔵しており、前述のリンクパラメータやロボット各軸の動作可能範囲を参照して実際のロボットと同様の演算処理を行い、オペレータの入力に対して表示装置３上のロボットのモデルを動作させる。
図５にオフラインティーチングプログラム８によるティーチングの具体例を示す。図５（ａ）〜（ｄ）は図３と同じく先端にアーク溶接用のトーチ１０を取り付けたロボットについて、ワーク１１に対してアーク溶接を行う動作のティーチングの様子を示している。オペレータは操作パネルによりロボットモデルを操作してワーク１１の溶接部位へのアプローチ、溶接作業、ワーク１１からの離脱といった一連の動作をティーチングする（図２のＳ２）。具体的には、ロボットモデルを図５（ａ）〜（ｄ）のように表示装置３上でＪＯＧ動作させティーチングしたい動作軌跡上の適当な位置まで誘導する。誘導後、操作パネルの「入力」ボタンを押せば、その時点のロボットの位置が教示点として記憶装置５に記録される。また同時にロボットの動作速度や、前の教示点から移動する際の補間方法も指定する。
補間方法とは、前の教示点から現在の教示点へと移動する際のロボット先端の動作軌跡を規定するもので、ロボット先端が教示点間を直線的に移動する直線補間や、３つ以上の教示点から構成される円弧に沿って移動する円弧補間の他、ロボットの各軸が各々次の教示点位置へと移動するリンク補間も選択可能である（リンク補間の場合はロボット先端の移動軌跡は不定となる）。
【００１２】
ティーチングの段階においては治具のモデルは表示装置３上に表示されておらず、オペレータは治具の形状を考慮する必要はなくロボットの動作時間が最短になるように溶接部位へのアプローチやワーク１１からの離脱の軌跡をティーチングする。なお、図５ではワーク１１に対する溶接作業のティーチングの部分を抜き出して示している。
一連のティーチング作業が完了すると、記憶装置５には溶接部位へのアプローチ、溶接作業、ワーク１１からの離脱といった一連の動作軌跡を実現するティーチングデータが記録される。
【００１３】
オフラインティーチングプログラム８によるティーチング作業完了後、オペレータはオフラインティーチングプログラム８に対しツール（溶接トーチ１０）の３次元モデルの動作軌跡データを出力させる（図２のＳ３）。
前述のようにオフラインティーチングプログラム８は予め準備されたツールの３次元形状データを記憶装置５から読み出すことができ、さらにティーチング作業によって決定した各教示点におけるロボットの先端位置と姿勢が分かるので、両者を組み合わせることによってワークモデルへのアプローチ、溶接作業、ワークからの離脱といった一連の動作に関する各教示点でのツール（溶接トーチ１０）の３次元モデルの位置と姿勢のデータ、すなわち動作軌跡を得ることができる。
オフラインティーチングプログラム８によって出力されたツール（溶接トーチ）の３次元モデルの動作軌跡データは後述する３次元ＣＡＤプログラム９で読み込むことができる形式になっており、記憶装置５に出力される。
【００１４】
続いて、オペレータは入力装置２を使って３次元ＣＡＤプログラム９を呼び出して起動させる。３次元ＣＡＤプログラム起動後、オペレータはツール（溶接トーチ１０）の３次元モデルの動作軌跡データを記憶装置５から読み込む（図２のＳ４）。さらにワーク１１の３次元モデルのデータも読み込む。図６に３次元ＣＡＤプログラム９でツール（溶接トーチ１０）の３次元モデルの動作軌跡１４とワーク１１を表示させた例を示す。
ここで、既にワーク１１に対応する治具の３次元ＣＡＤデータが存在している場合は、治具の３次元ＣＡＤデータを読み込んでツール（溶接トーチ１０）の３次元モデルの動作軌跡１４との干渉が発生していないか確認する（図２のＳ５）。干渉する部分があれば、３次元ＣＡＤプログラムによって治具の設計を変更する（図２のＳ６）。新規に治具を設計する場合であれば、図２のＳ５の過程は省略される。図７に３次元ＣＡＤプログラム９を使って治具１５を設計する様子を示す。
干渉しないように治具１５の設計が完了したらオペレータは３次元ＣＡＤプログラム９に治具１５の３次元ＣＡＤデータを出力させる（図２のＳ７）。
なお、図６、図７はツール（溶接トーチ１０）の３次元モデルの動作軌跡データのうち、ワーク１１に対する溶接作業の部分のみを表示した例である。ツール（溶接トーチ１０）の３次元モデルの動作軌跡データを全て３次元ＣＡＤプログラム９で表示すると治具の設計の邪魔になるような場合に、オペレータはツール（溶接トーチ１０）の３次元モデルの動作軌跡データのうち任意の部分について表示、非表示を切り替えることができる。
【００１５】
その後、オペレータは再度オフラインティーチングプログラム８を操作して治具１５の３次元ＣＡＤデータを読み込ませる（図２のＳ８）。
Ｓ１と同様にロボットやツール、ワークのモデルデータを呼び出し、ティーチング作業時と同様に配置して表示装置上に表示する。さらにＳ２でティーチングしたデータを呼び出してオフラインティーチングプログラム上で実行させる（図２のＳ９）。図８（ａ）〜（ｃ）にその際の様子を示す。
ティーチングした一連の動作中にロボット本体およびツール（溶接トーチ１０）と、治具１５との間で干渉が発生しないかを確認する（図２のＳ１０）。干渉が発生しないことが確認できれば、治具１５の設計は完了する。
ロボットの動作軌跡と治具１５との間で干渉が発生した場合は治具１５の設計に誤りがあったことになり、再度３次元ＣＡＤプログラム９にて治具設計を修正する必要がある。
ただし、干渉しないように治具の設計を修正すると治具の製造コストが上がったり所定の剛性を確保できなくなったりする場合もある。このような場合は、作業時間短縮と治具の設計変更に起因するコストや悪影響を比較検討し、ティーチングデータを修正する方が得策であると判断した場合には、ティーチングデータの方を修正する（図２のＳ１１）。オフラインティーチングプログラム９ではティーチングデータ修正後、図２のＳ９に戻って即座に新しい動作軌跡と治具との干渉の確認を行うことができる。
干渉しないことが確認できれば、治具の設計が確定し、修正したティーチングデータを実際のロボットに適用することとする。
まだ干渉が発生する場合は再度治具設計の変更かティーチングデータの修正か適当な方を選択して干渉の確認を行う。
【００１６】
以上ではアーク溶接用のトーチ１０を例として説明したが、本発明のロボットシミュレータは同然ながら他の作業に適用可能である。図９ではスポット溶接用の溶接ガンをロボット先端に取り付けた場合において、３次元ＣＡＤプログラム９にて溶接ガンの３次元モデルの動作軌跡１６を表示させ、治具の設計を行っている様子を示している。
【実施例２】
【００１７】
実施例１では、オフラインティーチングプログラム８と３次元ＣＡＤプログラム９とが同一のパーソナルコンピュータやワークステーションで動作していたが、オフラインティーチングプログラム８と３次元ＣＡＤプログラム９とが異なるパーソナルコンピュータやワークステーションで動作するように構成してもよい。
そうした場合、図１０のようにオフラインティーチングプログラム８が出力したツールの動作軌跡の３次元モデルデータをフロッピーディスク（登録商標）やＵＳＢメモリを介して３次元ＣＡＤプログラム９が動作するパーソナルコンピュータやワークステーションへと送ればよい。また３次元ＣＡＤプログラム９で設計した治具の３次元ＣＡＤデータをオフラインティーチングプログラム８が動作するパーソナルコンピュータやワークステーションへと送って治具設計の検証を行うこともできる。
また両者がネットワークで接続されていれば、図１１のようにフロッピーディスク（登録商標）やＵＳＢメモリを介さずにツールの動作軌跡の３次元モデルデータや治具の３次元ＣＡＤデータを互いにやりとりすることができる。
例えばティーチングを行う部門と治具設計を行う部門とが離れている場合でも即座にツールの動作軌跡の３次元モデルデータを送ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のロボットシミュレータの全体構成を示すブロック図
【図２】本発明のロボットシミュレータの処理過程を表すフローチャート
【図３】オフラインティーチングプログラムによって構築した作業環境の例
【図４】オフラインティーチングプログラムによって表示装置上に表示された操作パネルの例
【図５】オフラインティーチングプログラムによるティーチングの様子を示す図
【図６】３次元ＣＡＤプログラムでツールの３次元モデルの動作軌跡とワークを表示させた図
【図７】３次元ＣＡＤプログラムによって治具を設計する様子を示す図
【図８】オフラインティーチングプログラムで治具の干渉を確認する様子を示す図
【図９】３次元ＣＡＤプログラムで溶接ガンの３次元モデルの動作軌跡を表示させた図
【図１０】本発明の別の実施例におけるロボットシミュレータの全体構成を示すブロック図
【図１１】本発明の別の実施例におけるロボットシミュレータの全体構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００１９】
１  ロボットシミュレータ
２  入力装置
３  表示装置
４  処理装置
５  記憶装置
６  ＣＰＵ
７  メモリ
８  オフラインティーチングプログラム
９  ３次元ＣＡＤプログラム
１０  溶接トーチ
１１  ワーク
１２  ＪＯＧ動作ボタン
１３  動作速度指定用のラジオボタン
１４  溶接トーチの３次元モデルの動作軌跡
１５  治具
１６  溶接ガンの３次元モデルの動作軌跡
【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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【図１０】
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【図１１】
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