JPH0146276B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、工業用ロボツト等の作業機械のなら
い動作制御方法および装置に係り、特に、ならい
動作の対象物に曲率半径の小さい部分があつて
も、円滑なならい動作を行なうのに好適なならい
動作制御方法および装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来から行なわれているならい動作制御方法
は、一定の基本動作方向に作業機械を動作させ、
それと直角方向の対象物の凹凸をセンサにより検
出し、この凹凸の形状に応じて、センサまたは作
業機械に取付けた作業工具を駆動する方式が一般
的であつた。この方法において、センサまたは作
業工具は、対象物の形状に応じて、基本動作方向
と直角な方向に駆動される。そこで、対象物の形
状が部分的に基本動作方向と直角または直角に近
いような個所を含んでいる場合は、ならい動作が
進まなくなる。また、対象物に対するセンサや作
業工具の姿勢や対象物に沿つた動作速度を一定に
保つことができないという欠点があつた。この欠
点は、例えば溶接ロボツトにおいては、均一な溶
接ができないという問題として現れる。

これらの問題を解決する方法として、出願人
は、すでに、特開昭55−188376号および特開昭58
−34781号等を提案している。これらの方法では、
センサの検出結果として得られる対象物の接線方
向の情報に着目し、変化する接線方向にならい動
作の基本動作方向を耐えず一致させるという考え
かたが基本になつていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、これらの方法は、対象物表面の形状を
折れ線として近似しており、この折れ線の各々の
長さは対象物の曲率にかかわらず一定であつた。
したがつて、対象物表面の接線方向の変化が大き
いすなわち曲率半径が小さい部分においても接線
方向の変化が小さい部分においても一定の移動距
離ごとに曲率検出を行なうことになるため、特に
曲率半径が小さく接線の方向が急激に変化する個
所においては、ならい動作そのものの誤差が大き
くなつたり、はなはだしい場合はならい動作中に
センサで検出できる範囲を外れ、ならい動作が進
まなくなり、更には対象物とセンサとの干渉が発
生する等の欠点があつた。

本発明の目的は、ならい動作中に対象物の接線
方向の変化量すなわち曲率半径が大幅に変化して
も、ならい動作を円滑に継続できるならい動作制
御方法および装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、移動体
の先端に取付けられ対象物との相対距離を検出す
るセンサを対象物近傍で指定面内の接線の指定方
向に設定移動距離だけ移動させ、センサと対象物
との相対距離および移動体の３次元空間内の位置
に基づき指定面内の接線を演算し、この接線の指
定方向の延長上で前記設定移動距離だけ離れた点
に次の動作目標点を設定し、センサをその動作目
標点に向けて移動させるならい制御方法におい
て、前記センサと対象物との相対距離を常に監視
し、前記設定移動距離だけ離れた動作目標点に到
達するかまたは前記センサと対象物との相対距離
が所定値を超える毎に前記接線を演算し直し動作
目標点を新たに設定するならい制御方法を提案す
るものである。

前記センサを前記指定面と交わる面内に複数個
設け、当該センサの出力に基づき３次元形状の対
象物の前記交わる面内における法線方向を演算
し、前記３次元形状の対象物上の点における接平
面の法線を求め、当該法線に対して一定の角度以
内となるように前記センサの方向を規制すること
もできる。

前記センサは、前記接線に対する法線方向に正
確に向いている必要はなく、距離測定に所定値以
上の誤差を招かない範囲で一定の角度を保ちつつ
移動するようにしてもよい。

本発明は、また、移動体の先端に取付けられ対
象物との相対距離を検出するセンサを対象物近傍
で接線方向に設定移動距離だけ移動させる駆動手
段と、前記センサと対象物との相対距離および移
動体の３次元空間内の位置に基づき対象物の位置
および当該対象物の位置における指定面内の接線
を求め前記駆動手段に動作目標点を出力する第１
演算手段と、前記移動体の先端が前記設定移動距
離だけ離れた動作目標点に到達するかまたは前記
移動途中における前記センサと対象物との相対距
離が所定値を超える毎に前記対象物の位置および
その位置における接線を演算し直し動作目標点を
新たに設定させる指令を第１演算手段に出力する
第２演算手段とを含むならい制御装置を提案する
ものである。

［作用］ 本発明においては、センサを対象物表面の接線
方向に基準サンプリング距離だけ移動させる際
に、移動途中でセンサと対象物との相対距離が所
定値を超えた場合、前記基準サンプリング距離に
かかわらず、対象物の位置とその位置における接
線とを演算し直し動作目標点を新たに設定するの
で、接線の方向が徐々に変わる比較的なだらかな
対象物表面は勿論のこと、接線の方向の変化量が
大きいすなわち曲率半径が小さいコーナ部等にお
いても、常に安定した正確なならい制御が可能と
なる。

また、このならい動作の指定面と交差する（例
えば直交する）方向の断面内に複数のセンサを配
置し、この断面内ではこれらセンサの出力の差に
基づき３次元形状の対象物の前記断面内の法線方
向に前記センサの方向を規制すると、前記断面方
向にも曲面となつている３次元対象物のならい動
作がより正確になされる。

［実施例］ 次に、図面を参照して、本発明の実施例を説明
する。

第１図は、本発明のならい動作の対象物Ｗのひ
とつの断面形状を示す図である。この場合、曲率
半径はその両端部で小さく、中央部で大きくなつ
ている。このような形状の対象物としては、第２
図に示すような水車のランナブレード等がある。
この種の対象物の表面に沿つて、形状計測作業、
塗付け作業、グラインダ作業等を行なうことが考
えられる。このような各種作業を行なう作業機械
の代表例として、ここでは第３図に示す産業用ロ
ボツトを取り上げて説明する。

第３図において、ロボツト１は、油圧シリンダ
２により第１コラム３の上を水平方向すなわちＸ
軸方向に往復移動する第１移動体４と、第１移動
体４の上に直立に設けられた第２コラム５に沿つ
て油圧シリンダ６により上下方向すなわちＺ軸方
向に移動する第２移動体７と、第２移動体７に取
付けられ油圧シリンダ８によりＸ軸と直交する水
平方向すなわちＹ方向に往復移動する第３移動体
９と、第３移動体９の先端に固定され垂直軸すな
わちSW軸の回りに回転する振り手首ブロツク１
０と、振り手首ブロツク１０に固定され水平軸す
なわちBD軸回りに回転する曲げ軸シヤフト１１
とを備えている。曲げ軸シヤフト１１には、作業
対象物との近接距離を検出するためのセンサ１２
および１３が、センサ取付板１４を介して取付け
られている。２つのセンサ１２および１３は、互
いにその主軸線１２１および１３１が平行になる
ように配置されており、しかも、センサ主軸線１
２１，１３１を水平になるように曲げ軸シヤフト
１１を回転させたときに、互いに同一の鉛直平面
内で上下に位置するように、距離Ldだけ隔てた
位置に配置されている。センサ１２および１３と
しては、渦電流により対象物との近接距離を磁気
的に検出するものを図示してある。

第４図は、ロボツト１の制御系のブロツク図で
ある。図において、マイクロコンピユータ等から
なる制御用計算機１５からの位置指令は、インタ
ーフエイス１６において、所定の軸に振分けら
れ、各軸の位置決め装置１７〜２１に送られる。
さらに例えばＸ軸の位置決め装置１７に送られた
位置指令は、減算回路１７１において位置検出器
１７４から送られたロボツトＸ軸の現在位置との
差を算出され、その結果はサーボ回路１７２に送
られる。サーボ回路１７２の出力はサーボ弁やシ
リンダ２などを含むロボツト本体Ｘ軸機構１７３
を駆動させる。その位置は、位置検出器１７４に
よつてフイードバツクされるとともに、計算機１
５に読み込むことができる。また、センサ１２，
１３から得られる近接距離情報は、センサ用イン
ターフエイス２２を経て、計算機１５に取り込ま
れる。

第５図は、センサ用インターフエイス２２の詳
細を示す図である。センサ１２，１３の信号は、
センスアンプ１２２，１３２により線形化され増
幅される。またセンスアンプ１２２の出力は、基
準信号発生回路１８１からの出力とともに、比較
回路２０１に送られる。センスアンプ１２２およ
び１３２の出力は、ともに比較回路２００に送ら
れ、その出力は絶対値算出回路１９０を介して、
基準信号発生回路１８２の出力とともに、比較回
路２０２に送られる。さらに、比較回路２０１，
２０２の出力は、計算機１５に取り込まれるよう
になつている。

次に、第６図〜第９図を参照して、本発明によ
るならい動作制御方法の一例を説明する。第６図
は本発明による水平断面方向のならい動作を示す
図、第７図および第８図は第６図対象物の縦断面
方向のセンサの位置決め方法の一例を示す図であ
る。

第６図により、本発明の基本的考えかたを説明
する。なお、初期に調節するロボツト１と対象物
との相対距離Ssは、センサ１２の検出可能距離
範囲の上限Smaxおよび下限Sminのほぼ中間の
値であるとし、以下の説明では、これを標準検出
距離という。

まず、ロボツト１をスタート点Q₀に位置決め
する。それには、センサ１２，１３を対象物Ｗの
表面に対してほぼ直角方向に向け、センサ１２，
１３の出力がともに標準検出距離Ssとなるまで、
手首曲げ軸を含むロボツト１の各軸を駆動する。

ここで、対象物Ｗ上の点の位置は、センサ１２
の検出距離およびセンサ自身の位置から計算によ
り求めることができる。また、対象物Ｗの垂直断
面内における傾きは、センサ１２および１３から
得られた対象物Ｗ上の２点の位置をもとに、これ
らの点を結ぶ直線の傾きとして近似的に求められ
る。

ならい動作は、水平面内において、センサ１２
の主軸線１２１と直角方向に、ロボツト１を所定
の基準サンプリング距離L₀だけ離れた点R₁に向
けて移動させて開始する。ならい動作は、点Q₀
と点R₁との間を直線補間することにより均一速
度でかつ円滑になされる。この動作の途中で、対
象物Ｗの形状に応じて、センサ１２，１３の出力
は時々刻々と変化する。ロボツト１が点R₁に到
達するまでにセンサ１２，１３の出力が大きく変
化し、第５図の比較回路２０１，２０２の出力が
変化すれば、その時点でこれらセンサ１２，１３
の出力データをもとに対象物Ｗ上の点Q₁の位置
を求める。また、点R₁に到達するまでに、もし
センサ１２，１３の出力が大きくは変わらず、比
較回路２０１，２０２の出力が変化しなければ、
第９図に示すように、点R₁に到達した時点で、
対象物Ｗ上の位置Q₁を求める。

これらいずれの場合も、点Q₀と点Q₁とを結ぶ
直線を点Q₁における近似的な接線とする。また、
同様にセンサ１２，１３の２つの出力データを用
いることにより、点Q₁における垂直断面内の近
似的な接線を求めることができる。したがつて、
点Q₀と点Q₁とを結ぶ直線の延長上に、点Q₁から
基準サンプリング距離L₀だけ離れた点R₂を動作
目標点として定めることができる。

ならい動作は、第６図および第９図に示すよう
に、点Q₁から点R₂に移動するロボツト１の動き
として継続されることになる。この動作の途中に
おいても、比較回路２０１，２０２の出力を監視
し、いずれかの出力が変化した時点または動作目
標点R₂に到達した時点で、対象物Ｗ上の点Q₂の
位置を求め、さらに点Q₂における近似的な指定
面内の接線方向または接平面を演算し、同様に点
Q₁と点Q₂とを結ぶ直線上で、点Q₂から基準サン
プリング距離L₀の点R₃を動作目標点として定め、
この点に向かつて移動を続ける。

なお、点Qiを検出した位置から点Ri＋１に向
かう間のセンサ主軸１２１，１３１の姿勢の変化
量は、水平面内における変化量がロボツト１の振
り軸回転角ΔSWに対応し、また垂直面内におけ
る変化量が同じく曲げ軸回転角ΔBDに対応して
いる。したがつて、点Ri＋１において振り軸回
転角ΔSWは、センサ主軸１２１が直線QiRi＋１
に直角になるように、また曲げ軸回転角ΔBDは
同じくセンサ軸１２１が点Qiにおける垂直断面
内の接線に対して直角になるように駆動するため
の回転量として求めることができる。なお、ロボ
ツト１は、その構造上、手首振り軸または曲げ軸
を動作させると、そのセンサが狙う手先位置Ｐが
変化するが、手首軸を駆動するのに合わせて、ロ
ボツト１の本体のＸ、Ｙ、Ｚ軸を補正駆動するこ
とにより、手先位置Ｐが変化しないように制御す
る。

ここで、比較回路２０１，２０２の働きについ
て詳細に説明する。まず、比較回路２０１は、入
力としてセンサ１２の出力信号すなわち対象物Ｗ
とセンサ１２との距離を与え、これらが接近しす
ぎてその距離が設定下限値Snear以下となつた場
合、または両者が離れすぎその距離が設定上限値
Sfar以上となつた場合に、これを判定するための
回路である。ここで、 Smin＜Snear＜Ss＜Sfar＜Smax という関係が成立するように、各数値を定めるべ
きことはいうまでもない。したがつて、比較回路
２０１は、対象物Ｗにおけるならい動作方向と実
際の対象物Ｗの表面の接線方向との相違がある程
度大きくなり、センサと対象物との相対距離が所
定値を超えたことを判定する回路である。また、
比較回路２０２は、センサ１２と１３との出力の
差すなわち２つのセンサの主軸方向と、対象物Ｗ
表面の垂直断面内における接線方向との相違に対
応する量を与え、両方のセンサの出力S₁₂とS₁₃の
差ΔSが所定しきい値ΔS₀より大きくなつた場合
に、これを判定する回路である。

以上のことから、これら比較回路２０１，２０
２を用いることにより、実際のならい動作におい
てセンサ検出結果に基づいて想定されている対象
物Ｗの接線方向と、実際の対象物Ｗの接線方向と
が異なつているか否かを判定でき、従来提案され
ているならい動作制御方法と比較して、対象物の
曲率半径の小さい部分のならい動作を少ない誤差
でより高精度に実行できる。

比較回路２０１，２０２の出力が変化しなくと
も、基準サンプリング距離L₀の移動毎に新たに
接線を求める計算を行なうことは、曲率半径が大
きいすなわち対象物のゆるやかな形状の部分にお
いても、きめ細かな接線近似により、高精度のな
らい動作を行なうに役立つ。

かりに、従来例で、微小なサンプリング距離毎
に接線を常時求めることにすると、センサの計測
誤差が累積して接線計算の精度に大きく影響を及
ぼし、安定したならい動作ができないのに対し、
本発明の方法では、曲率半径が大きい部分でも小
さい部分でも常に安定したならい制御が可能であ
る。

なお、上記実施例では、２個のセンサを備え、
水平方向にならう例を示したが、ならい動作とし
ては、水平面内に限定されるものではなく、任意
の平面または曲面内においてならい動作を行なう
ものであつても、本発明を適用可能である。ただ
し、ならい動作を行なう平面または曲面内に、２
つのセンサが同時に含まれないように、センサを
配置する必要がある。

また、直交座標系のロボツトを例に本発明を説
明したが、多関節形その他任意の構成のロボツト
または走行台車等の作業機械であつても、本発明
を適用できることは明らかである。

さらに、本発明の実施例に述べたならい動作の
機能としては、ならい動作面内における接線検出
と、ならい動作面とは異なる面（上記実施例では
垂直面内）における接線検出との２つが含まれて
いるが、これらのうち、ならい動作面内における
接線検出の機能のみを実現するものであつてもよ
い。

センサ１２，１３はこの実施例に示した近接距
離センサのみならず、ポテンシヨメータ等をバネ
などにより付勢した触針式センサ、超音波方式の
距離センサ、レーザ光線等を用いた距離センサ、
さらには、テレビカメラとスポツト光を用いて画
像処理により距離を検出するセンサ方式などを採
用することもできる。

上記実施例においては、センサ出力信号の比較
回路等を具体的な電子回路で構成した例を示した
が、計算機１５におけるソフトウエアの形でこの
ような信号処理演算を実行することも可能であ
る。

ここでは、作業工具を図示していないが、例え
ば塗布用弾性体、溶接トーチ、グラインダその他
の作業工具をロボツトの手先に配置し、これら工
具の作業点位置をロボツト１の手先位置Ｐに一致
させるか、手先位置と一定の位置関係を保つよう
に配置しておき、工具作業点位置をロボツト１の
手先位置とみなして演算制御することにより、作
業工具によるならい作業が可能となる。

［発明の効果］ 本発明によれば、対象物の表面形状が複雑に変
化し、曲率が部分的に大きく変化するような場合
でも、その曲率に応じた長さの線分で接線を近似
することになり、曲率半径が大きい個所では安定
したならい動作ができるのは勿論のこと、曲率半
径が小さいすなわち接線の方向の変化が激しい部
分でも高精度のならい動作が可能であり、対象物
の形状によらず、安定かつ円滑なならい制御が可
能である。

さらに、センサの出力すなわち対象物とセンサ
の距離を常に監視しているため、センサが対象物
を見失つたり、センサが対象物と干渉したりする
ことがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のならい動作の対象物の一例を
示す断面図、第２図は同じく対象物の一例の外観
を示す図、第３図は本発明を適用すべき作業機械
の一例としてのロボツトの斜視図、第４図は本発
明ならい制御装置の制御回路を示すブロツク図、
第５図は本発明のならい制御装置を構成するセン
サの回路図、第６図は曲率半径が小さくなる部分
における本発明のならい動作の原理を示す図、第
７図および第８図は第６図ならい面と交差する方
向の傾きを制御する動作を示す図、第９図は曲率
半径が大きい部分における本発明のならい動作を
説明する図である。 Ｗ…対象物、Ｐ…手先の位置、１…ロボツト、
２…油圧シリンダ、３…第１コラム、４…第１移
動体、５…第２コラム、６…油圧シリンダ、７…
第２移動体、８…油圧シリンダ、９…第３移動
体、１０…手首ブロツク、１１…曲げ軸シヤフ
ト、１２，１３…センサ、１４…センサ取付板、
１５…計算機、１６…インターフエイス、１７〜
２１…位置決め装置、２２…センサ用インターフ
エイス、１２１，１３１…センサ主軸線、１２
２，１３２…センスアンプ、１７１…減算回路、
１７２…サーボ回路、１７３…ロボツト本体Ｘ軸
機構、１７４…位置検出器、１８１，１８２…基
準信号発生回路、１９０…絶対値演算回路、２０
０，２０１，２０２…比較回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 移動体の先端に取付けられ対象物表面との相
   対距離を検出するセンサを指定面内における対象
   物表面の接線に沿つて指定方向に設定移動距離だ
   け移動させ、センサと対象物表面との相対距離お
   よび移動体の３次元空間内の位置に基づいて対象
   物表面の位置を求め、 前記接線に沿つた移動距離両端に対応する対象
   物表面の位置から当該対象物表面の指定面内にお
   ける接線を演算し直し、当該接線の指定方向の延
   長上で前記設定移動距離だけ離れた点に次の動作
   目標点を設定し、センサを当該動作目標点に向け
   て移動させるならい制御方法において、 前記センサと対象物表面との相対距離を常に監
   視し、前記設定移動距離だけ離れた動作目標点に
   到達するかまたは前記センサと対象物表面との相
   対距離が所定値を超える毎に前記接線を演算し直
   し動作目標点を新たに設定することを特徴とする
   ならい制御方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のならい制御方法
   において、 前記指定面と交わる面内に前記センサを複数個
   設け、当該センサの出力に基づき３次元形状の対
   象物表面の前記交わる面内における法線方向を演
   算し、前記３次元形状の対象物表面の法線に対し
   て一定の角度以内となるように前記センサの方向
   を規制することを特徴とするならい制御方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載のならい制御方
   法において、 前記センサの姿勢を前記指定面内における前記
   接線に対して一定の角度となるように規制するこ
   とを特徴とするならい制御方法。 ４ 移動体の先端に取付けられ対象物表面との相
   対距離を検出するセンサと、 前記移動体を制御して前記センサを指定面内に
   おける対象物表面の接線に沿つて動作目標点に向
   けて移動させる制御手段と、 前記センサと対象物表面との相対距離および移
   動体の３次元空間内の位置に基づき当該位置に対
   応した対象物表面の位置を求め、前記接線に沿つ
   た移動距離両端に対応する対象物表面の位置から
   指定面内における対象物表面の接線を求め、当該
   接線の指定方向の延長上で設定移動距離だけ離れ
   た点を次の動作目標点に設定して前記制御手段に
   出力する第１演算手段と、 前記移動体の先端が前記設定移動距離だけ離れ
   た動作目標点に到達するかまたは前記移動途中に
   おける前記センサと対象物表面との相対距離が所
   定値を超える毎に前記対象物表面の位置および対
   象物表面の接線を演算し直し動作目標点を新たに
   設定させる指令を第１演算手段に出力する第２演
   算手段と を含むならい制御装置。