JPH01283603A - ロボットオフラインティーチング方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、グラフィックディスプレイ装置を利用しＣロ
ボットの姿勢を教示するロボットオフラインティーチン
グ方式に関する。

従来の技術 ロボットのオフラインティーチング方式は、ロボットの
導入ラインとは別な場所で、ロボットへの教示データ、
即ら教示ブ［１グラムを作成するものであるが、ロボッ
ト自体を動かすことなく、グラフィックディスプレイ装
置を利用してロボットに任意の姿勢をとらせることは、
かなり困難なことで、従来は、ロボットに姿勢をとらせ
るために、ロボットの姿勢データ、即ち、直交座標系に
おけるツール先端点の座標値Ｘ、Ｙ、Ｚとツール（ツー
ル座標系）の傾き（Ｗ、Ｐ、Ｒ）を手動で入力するか、
又は、ロボットの各軸の値、例えば６軸のロボットであ
ると、６軸の各軸の値（θ、Ｗ。

Ｕ、Ｙ、β、α）を手動で入力していた。そのため、結
局人間が手計算によってロボットの姿勢を求めて教示デ
ータを作成する場合が多い。

発明が解決しようとする課題 ツール先端点の座標値とツールの傾きによってロボット
の姿勢（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗ、Ｐ、Ｒ＞を入力する方法や、
ロボットの各軸（θ、Ｗ、Ｕ、Ｙ。

β、α）を入力する方法では、教示データを作成するオ
ペレータにとって負担が大きく、教示データ作成に多大
／２時間を要する。

そこで、本発明の目的は、グラフィックディスプレイ装
置を使用して、ロボットの姿勢を簡単に入力できるオフ
ラインティーチング方式を提供することにある。

特に、スポット溶接等のロボットの作業点の教示に適し
たオフラインティーチング方式を提供することにある。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明のロボットオフライ
ンティーチング方式は、ロボットの作業対象のワークを
多面体で近似し、各面の頂点及び辺のデータを予めオフ
ラインプログラミング装置に記憶させておき、グラフィ
ックディスプレイ画面上に上記ワークを表示させて、作
業点を指定する而を部面を構成する３つの頂点をグラフ
ィックディスプレイ画面上で指定することにより面を特
定すると共に、該特定された面におけるローカル座標系
を定義し、該特定された面上におけるロボットの作業点
をグラフィックディスプレイ画面上で教示し、該教示さ
れたロボットの作業点を画面座標系から上記ローカル座
標系に変換することによってロボットの姿勢を教示する
ようにしたものである。

作用 オフラインプログラミング装置のグラフィックディスプ
レイ画面上に多面体で近似されたワークを描画させ、ロ
ボットに作業させようとする面、即ち、作業点を指定す
る面を構成する３つの頂点をグラフィックアイスプレイ
画面上で指定することにより特定し、かつ、部面におけ
るローカル座標系をも所定の決められた方法により定ｆ
ｉでる。

そして、該特定した面上に作業点を指定して教示すれば
、該教示点は、グラフィックディスプレイ装置が三次元
画像を画面上の二次元の画面座標系に変換した変換行列
の逆行列により、ロボットとワークの共通座標系である
ワールド座標系に変換し、さらに、ワールド座標系から
上記ローカル座標系に変換し、ロボットの姿勢は指定さ
れた面上のローカル座標系で定義されることとなる。

実施例 第２図は、本発明の一実施例を実施するオフラインプロ
グラミング装置の要部ブロック図で、１０は該オフライ
ンプログラミング装置の処理を実行する中央処理装置（
以下、ＣＰＵという）で、該ｃＰｔＪ１０には、該オフ
ラインプログラミング装置を制御する制御プログラムが
格納されているＲＯＭ１１．データの一時記憶や演算処
理のためのデータ記憶に利用されるＲＡＭ１２．後述す
る座標変換のための行列式の演算を行うための浮動小数
点演算用ブロセッ丈１３．入出力ボート１４゜ハードデ
ィスクコントローラ１５．フレームバッファを有し、画
像の画面位置を記憶する表示用メモリ１６がパス１７で
接続されている。また、必要に応じて拡張用ＲＡＭ１８
．拡張用ＲＯＭ１９が該バス１７に接続される。入出力
ボート１４には、各種指令キーや数字キーを有するキー
ボード２０及びグラフィックディスプレイ画面上のカー
ソルを移動させ画面上の位置を教示するためのマウス２
１が接続され、また、Ｒ３−２３２０のインターフェイ
ス端子を介して、ロボット制御装置に接続されるように
なっている。

また、ハードディスクコントローラ１５には、該オフラ
インプログラミング装置によって、ロボットの動作プロ
グラムを作成しようとするロボットの作業対象である車
のボデー等のワークの形状アークが予め格納され、また
、教示データが格納されるハードディスク２２が接続さ
れている。

該ハードディスク２２に格納されたワークの形状データ
はワーク形状を多面体近似した境界表現（Ｂｏｕｎｄａ
ｒｙ−Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ　）形式のデータ
で格納されており、各面を構成する頂点と辺及び面の法
線ベクトルのデータがロボットとワークの共通座標系で
あるワールド座標系に基づいて格納されている。

一方、表示用メモリ１６にはグラフィックディスプレイ
装置のＣＲＴ制御装置２２に接続され、ＣＲＴ　ｉｌ制
御装置２２にはワークの画像及び教示した点の座標位置
データ等を表示するＣ　ＲＴ表示装置２３が接続されて
いる。

以上の構成において、キーボード２０を操作し、教示モ
ードにすると、ＣＰＵ１０はハードディスクコントロー
ラ１５を介してハードディスク２２からワーク形状デー
タを読取り、透視投影変換ｐｅｒあるいは平行投影変換
Ｐａ１等の三次元データを二次元データに変換する変換
処理を行って、ワーク形状を二次元データに変換し表示
用メモリ１６に格納する。ＣＲＴ　ｉｔ、１１　ｔｌｌ
装置２２は該表示用メモリ１６よりワーク画像データを
読取り、ＣＲ１表示装置２０に描画する。

そこで、まず、本実施例における、作業点を教示するた
めの面の指定及びローカル座標系の定義及び作業点の教
示原理について説明する。

例えば、ワークの形状を第１図に示すような直方体とす
ると、該直方体の各面は、各面を構成する頂点と辺のデ
ータがハードディスク２２に記憶されており、このワー
ク形状をグラフィックディスプレイ画面上に描画させ、
作業点を教示する面を、例えば、頂点Ｖ１．Ｖ２．Ｖ３
とこの順でマウスでビックすると、該３つの頂点Ｖ１．
Ｖ２゜■３を構成する面Ｆが特定される。そして、本実
施例では、而を特定するために最初にビックした点■１
をローカル座標系りの原点として予め決めており、最初
にビックした点Ｖ１と次にビックした点Ｖ２を結ぶ辺を
ローカル座標系りのＹ軸、また、特定した面の法線ベク
トルをＺ軸、Ｘ軸をＹ軸ベクトルとＺ軸ベクトルの外積
ぐ得られる方向、即ち、右手系によってローカル座標系
りを定義し、上記３つの頂点Ｖ１．Ｖ２．Ｖ３より次の
各式によってローカル座標系Ｌ　（ＸＬ　、　ＹＬ　、
　ＺＬ　）が得られる。

（Ｎ：面Ｆの法線ベクトル） 原点：　■１　　　　　　　　　　　・・・・・・（４
）なお、本実施例では、面Ｆを特定するために最初にビ
ックした頂点位置をローカル座標系Ｌ　（ＸＬ　、　Ｙ
Ｌ、　ＺＬ　）（７）原点とし、Ｙ軸方向を最初にビッ
クした頂点■１から次にビックした頂点Ｖ２方向とした
が、必ずしも、このような定義ではなくてもよく、例え
ば、２番目にビックした頂点■２を原点としてもよく、
また、ビックした頂点Ｖ１．Ｖ２．Ｖ３の内どれを原点
にするか再度入力するようにしてもよい。また、特定し
た面の法線方向をローカル座標系りの１つの軸とし、他
の１つの軸をビックした頂点の２つの頂点を結ぶベクト
ル方向として定義し、もう１つの軸は、こうして決めら
れた２つの軸に対し右手系になるように決めればよい。

こうして、作業点を教示する面Ｆと部面Ｆにおけるロー
カル座標系を決めた後、該面Ｆ上の作業点をマウス２１
でビックして教示する。この教示点Ｐの画面座標系Ｓ　
（Ｘｓ、Ｙｓ）における位置をＰｓ　（ｘ、ｙ）とする
と、この二次元の画面座標系Ｓでの教示点Ｐｓ　（ｘ、
ｙ）を、ロボットとワークとの共通座標系である三次元
のワールド座標系（ワークを多面体で近似した各面の頂
点、辺のデータはこのワールド座標系によって定義され
ている）に変換する。この場合、本オフラインプログラ
ミング装置がワークを二次元で表示するためにワークの
三次元データを画面座標系Ｓの二次元データに変換する
ために採用している方式が、透視投影変換Ｐｅｒか、ま
たは、平行投影変換Ｐａ１等の変換方式に応じて、オフ
ラインプログラミング装置が採用している変換方式変換
行列の逆行列によって、ビックされた画面座標系におけ
る教示点Ｐｓ　（ｘ、ｙ）をワールド座標系Ｗの教示点
Ｐｗ（ｘ、ｙ、ｚ）に変換する。即ら、次式によって変
換される。

透視投影変換ｐｅｒの場合 Ｐｗ（ｘ、ｙ、ｚ）＝Ｐｅｒ−’Ｐｓ　（ｘ、ｙ）・・
・・・・（５） 平行投影変換Ｐａ１の場合 Ｐｗ（ｘ、ｙ、７）＝ＰａＪ−１Ｐｓ　（ｘ、ｙ）・・
・・・・（６） 次に、ローカル座標系りからワールド座標系Ｗへの変換
行列をＭとするとくこの変換行列Ｍは上記第（１）〜（
４）式の定義から導びかれる）、教示点Ｐのローカル座
標系りの座標位置は次式で導びかれる。

ＰＬ（ｘ、ｙ、ｚ）＝Ｍ”Ｐｗ（ｘ、ｙ、ｚ）・・・・
・・（７） かくして、特定した而Ｆと法面Ｆのローカル座標系りの
座標位１１ＰＬ（Ｘ、Ｖ、Ｚ）によって指定した作業点
のツール先端点の位置が決定される。

また、ツールの傾き（Ｗ、ｒ’、Ｒ）は、ローカル座標
系りの座標軸と同じ（Ｗ、Ｐ、Ｒ）＝　（０゜０．０）
とすれば、教示点Ｐのロボット姿勢はＰＬ（ｘ、ｙ、ｚ
、Ｏ，Ｏ，Ｏ）として教示され、該姿勢データＰＬ（ｘ
、　ｙ、ｚ、Ｏ，Ｏ，Ｏ）はＣＲＴ表示装置２３の画面
に表示される。

特に、ロボットの作業がスポット溶接のようなツールの
２つの指で作業を行う場合には、指間の方向をｙ軸、即
ち、ワークの面の法線１ノ向にすれば、ツールの傾きを
表すパラメータ（Ｗ、Ｐ、Ｒ）のｙ軸まわりの回転量を
表すＲの値のみを教示するのみでよい。例えば、第４図
に示すような２つの指３１．３２を有するツール３０で
、法相３１゜３２で作業を行う場合、該指３１．３２間
のアプローチベクトル百方向をＺ軸方向とすればよい。

なお、第４図おいて、σはオリエンデージョンベクトル
、百はノーマルベクトルを表し、Ｔはツール先端点の位
置ベクトルである。

次に、本実施例における教示処理について第３図（ａ）
、（ｂ）の処理フローチャートと共に説明する。

前述したように、教示モードにするとＣＰＵ１０はハー
ドｆイスク２２からワークデータを読取り二次元データ
に変換し、表示用メモリに該二次元データを格納し、Ｃ
ＲＴ表示装画２３の画面にワーク形状を描画させる。そ
して、指標ｉを「０」にセットしくステップＳ１）、マ
ウス２１からビック入力が有るか否か判断しており（ス
テップＳ２）、オペレータが、作業点を教示するための
面を指定するためにマウス２１を操作し、ＣＲＴ画面上
のカーソルを移動させ、指定しようとする面の１つの頂
点（例えば第１図のＶＬ以下、第１図の例を参照しなが
ら説明する）にカーソルを合せ、マウス２１のボタンを
操作し、頂点ｖ１をビックすると、ビックされた座標値
、即ち、画面座標系Ｓにおける頂点ｖ１の座標値（ｘ、
ｙ）をレジスタＲｉ（＝Ｒｏ）に格納する（ステップＳ
３）。次に指標ｉが「２」であるか否か判断しくステッ
プ３４）、「２」でなければ指Ｆｉｉをインクリメント
しくステップＳ５）、再びステップＳ２に戻り、次のビ
ック入力があるか否か判断し、ビック入力があればその
ビック点の座標値をレジスタＲｉに格納する。かくして
、３つの頂点■１゜Ｖ２．Ｖ３がビックされ、指標ｉが
「２」になると、レジスタＲＯ，Ｒ１，Ｒ２に格納され
た頂点座標系によって而Ｆを構成する面があるか否か、
表示用メモリ１６に格納されているデータより判断しく
ステップＳ６）、誤ってビックされ、そのような面がな
ければＣＲＴ画面上に面が特定できない旨を表示すると
共に、レジスタＲＯ〜Ｒ２をクリアしくステップＳ７）
、再びステップＳ１に戻り、面を特定する処理を行う。

かくして、面Ｆが特定されると、最初にビックされた頂
点■１を原点とし、該頂点Ｖ１から２番目にビックされ
た頂点Ｖ２への単位ベクトルをｙ軸、特定された面Ｆの
法線方向を７＠及び右手系で決まる方向をＸ軸、即ち、
第（１）〜第（４）式で示す処理によってローカル座標
系しも決定する。

そして、ＣＰＵ１０は特定された面Ｆ上の点がビックさ
れたか否か判断しくステップＳ８）、オペレータが希望
する作業点を教示点Ｐとしてビックすると、ＣＰＵ１０
は、浮動小数点演算用プロセッサ１３に画面座標系にお
けるビック点ｐｓ（ｘ、ｙ）をワールド座標系Ｗの位置
ｐｗ（ｘ。

ｙ、ｚ）に変換するよう指令を出し、浮動小数点演算用
プロセッサ１３はまず本オフラインプログラミング装置
が採用している三次元から二次元への変換行列の逆行列
により、画面座標系のビック点ＰＳ　（Ｘ、Ｖ）をワー
ルド座ね系の教示点ｐｗ（ｘ、ｙ、ｚ）に変換する。即
ち、透視投影変換ｐｅｒであれば第（５）式の演韓を行
うことにより、また、平行投影変換Ｐａ１であれば第（
６）式の演Ωを行うことにより、ビック点である教示点
ｐｓ（ｘ、ｙ）をワールド座標系の点ＰＷ（Ｘ、’ｌ／
。

２）に変換する。そして、このワールド座標系における
教示点ｐｗ（ｘ、ｙ、ｚ）を第（７）式の演算を行って
ローカル座標系における教示点ｐＬ（Ｘ。

ｙ、ｚ）を求める（ステップ８９）、ＣＰＵ１０は、浮
動小数点部枠用プロセッサ１３の処理によって得られた
ローカル座標系の教示点ＰＬ（Ｘ、Ｖ。

Ｚ）を表示用メモリに書込み、この教示点におけるロボ
ットの姿勢のデータをＣＲＴ画面上に表示する（ステッ
プ５１０）。なお、このときツール姿勢を表わす（Ｗ、
Ｐ、Ｒ）は、ローカル座標系りの座標軸と同じとして、
［１ボツト姿勢データはＰＬ（ｘ、ｙ、ｚ、Ｏ，Ｏ，Ｏ
）が表示される。そして、ＣＲＴ画面上に「姿勢データ
修正するか」といった旨の表示を行い（ステップ５１１
）、オペレータがキーボード２０よりｒＹＥｓＪと入力
すれば（ステップ５１２）、指定面Ｆのデータと姿勢デ
ータＰＬ（ｘ、ｙ、ｚ、Ｗ、Ｐ、Ｒ）をハードディスク
２２に格納する（ステップ＄１５）。

又、ステップ８１２でｒＮＯＪと入力されると、痛止終
了指令が入力されるまでオペレータがキーボード２０を
操作して入力される指令に応じて、ロボット姿勢のデー
タＰＬ（ｘ、Ｖ、ｚ、Ｗ、Ｐ。

Ｒ）の修正を行い（ステップ３１３．１４）、修正終了
指令が入力されると、該姿勢ｆ−夕と指定面のデータを
ハードディスクに格納する。このデータの修正は、ツー
ル姿勢のパラメータｗ、ｐ。

Ｒ（スポット溶接等においては前述したようにＲのみで
、Ｗ、Ｐは「０」のままにされる）を変えたり、または
、すでに同一指定面に教示点が教示されていてその教示
点と整合させるため、例えば、教示点がローカル座標系
のＹ軸に平行に移動するような場合は、Ｘ軸の値はどの
教示点においても同じ値になるべきであるが、ビックさ
れた位置がずれて同一とならなかった場合等にこのＸ＠
の値を修正する。

そして、ＣＰＵ１０はＣＲＴ画面上に同一指定面上に続
けて作業点を教示するかといった旨のメツセージを表示
しくステップ８１６）、オペレータがｒＹＥｓＪと入力
すれば（ステップ５１７）、ステップＳ８に移行し、ス
テップ８８〜Ｓ１６の処理を行い、また、「ＮＯ」と入
力すれば１つの面Ｆへの作業点教示を終了し、教示モー
ドが切換えられなければ、再びステップＳ１からの処理
を開始する。

以上のようにして、ロボットの姿勢は順次教示され、オ
フラインで簡単に教示プログラムを作成することができ
る。

なお、ＣＲＴ画面上の位置を、本実施例ではマウスを使
用して教示するようにしたが、カーソルを移動させてカ
ーソル位置を教示する他の手段でもよく、例えば、ライ
トペンを用いて教示するようにしてもよい。

発明の効果 オフラインでロボット姿勢を教示する場合、本発明は簡
単にロボット姿勢を入力できるから、オフラインプログ
ラミング作成が容易となる。特に、本発明においては、
スポット溶接等のように、ツールの作業方向がワーク面
に垂直なロボット作業の教示に最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の作業面の指定、ローカル座標系の定義
、作業点の教示原理を説明する説明図、第２図は本発明
の一実施例を実施するオフラインプログラミングｇｉＭ
の要部ブロック図、第３図（ａ）、（ｂ）は同実施例に
おけるロボット姿勢教示処理のフローチャート、第４図
は本発明のディーヂング方式に適したツールの説明図で
ある。 １・・・ワーク、Ｆ・・・面、Ｖｌ、Ｖ２．Ｖ３・・・
頂点、Ｌ　（ＸＬ　、　ＹＬ　、　ＺＬ　）・・・ロー
カル座標系、Ｓ　（Ｘｓ、Ｙｓ）・・・画面座標系、Ｗ
　（ＸＷ、ＹＷ、ＺＷ）・・・ワールド座標系。 特許出願人　　ファナック株式会社 代　理　人　弁理士　竹本松司 （ばか２名） 第１０ 一 第　３　図（０） 第　３　図ｆｂｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロボットの作業対象のワークを多面体で近似し、各面の
   頂点及び辺のデータを予めオフラインプログラミング装
   置に記憶させておき、グラフィックディスプレイ両面上
   に上記ワークを表示させて、作業点を指定する面を該面
   を構成する３つの頂点をグラフィックディスプレイ画面
   上で指定することにより面を特定すると共に、該特定さ
   れた面におけるローカル座標系を定義し、該特定された
   面上におけるロボットの作業点をグラフィックディスプ
   レイ両面上で教示し、該教示されたロボットの作業点を
   画面座標系から上記ローカル座標系に変換することによ
   ってロボットの姿勢を教示することを特徴とするロボッ
   トオフラインティーチング方式。