JPH07205068A - ロボットの座標系設定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットの座標系設定方法において、力制御
に必要な直交座標系を容易に生成する共に、操作の安全
性および再生時の動作精度を向上する。 【構成】 ２以上の自由度を有し、任意の位置と姿勢に
設定可能であり、アーム先部に３軸方向について並進と
回転の各方向の力を検出する力センサ３を備え、この力
センサの先側部分に手先効果器を装着し、力制御により
動作可能である多関節型ロボットに適用される座標系設
定方法であり、力制御中の力方向の指示で必要とされる
直交座標系を１方向のベクトル41と作業に関する目標軌
道54とで生成するための位置パラメータとによって設定
し、さらに、１方向のベクトル41の設定を手先効果器32
をワーク35に押し付けること、または手で力を加えるこ
とによって行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロボットの座標系設定方
法に関し、特に、制御手段で位置制御と共に力制御が実
行され、この制御に基づき動作することによって任意の
位置および姿勢にされる２以上の自由度を有した多関節
型ロボットに適用され、設定操作が容易な座標系設定方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットの座標系設定方法の従来例を開
示する文献として、例えば特開昭６１−４９２０５号を
挙げる。この文献に開示されるロボット制御方式では、
構成要素として、ロボット絶対座標系における２点を用
いて１つの局所座標系（すなわち任意の座標系）を定義
する手段を含んでいる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のロボット制御方
式における任意座標系の設定方法によれば、ロボット本
体を動作させながら２点を任意に選択し、これらの２点
の座標情報の教示に基づき座標軸方向を教示することが
必要である。ロボット本体を動作させることから、概し
て任意座標系の設定のための操作が繁雑となる。また、
ワークの設置位置の都合により、２点の座標情報の教示
を行うことが困難な場合があり、このような場合には１
軸の方向ベクトルを設定することが不可能となるという
不具合があった。

【０００４】本発明の目的は、適宜な姿勢をとるように
ロボットを動作させ複数の点を実際に教示することな
く、簡単な操作でかつ短時間で１軸方向ベクトルを設定
でき、このベクトルと作業に関する目標軌道を生成する
ための位置パラメータとから力制御に必要な直交座標系
を生成する共に、操作の安全性および再生時の動作精度
を向上したロボットの座標系設定方法を提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るロボット座
標系設定方法は、２以上の自由度を有し、任意の位置と
姿勢に設定可能であり、アーム先部に３軸方向について
並進と回転の各方向の力を検出する力センサを備え、こ
の力センサの先側部分に手先効果器を装着し、力制御に
より動作可能である多関節型ロボットに適用される方法
であり、力制御中の力方向の指示で必要とされる直交座
標系を１方向のベクトルと作業に関する目標軌道を生成
するための位置パラメータとによって設定し、１方向の
ベクトルの設定を手先効果器をワークに押し付けること
によって行う方法である。

【０００６】また前記の方法において、手先効果器をワ
ークに押し付ける代わりに、作業者自身が手で手先効果
器を押すことによって前記の１方向のベクトルの設定を
行うこともできる。

【０００７】

【作用】本発明によるロボットの座標系設定方法では、
手先効果器を装備する力センサをロボット本体のアーム
の手首部に備え、ロボット本体の動作に関して位置と力
の制御を行い得る制御手段を備えるロボットにおいて、
力センサに対して１つの方向に力を加えることによって
当該力センサおよび制御手段が、加えられた力の値から
押圧された方向の力に関するベクトルを求め、このベク
トルを利用し、かつ作業を行うための目標軌道を生成す
るための位置パラメータ（作業前に教示される）を用い
て、力制御に必要な直交座標系が設定される。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【０００９】図１は本発明に係る座標系設定方法が適用
されるロボットの制御装置の構成を概念的に表すブロッ
ク図で、この図には機械的構成部分およびセンサ部等の
ハード構成を併せて示している。図２はロボット本体の
外観斜視図である。

【００１０】図１において、１はロボット機構（または
ロボット本体）であり、機械的機構部と、この機械的機
構部の各可動部（関節部）に配置される駆動装置と、当
該機械的機構部のアーム先部に取り付けられた作業工具
（一般的に手先効果器）とから構成される。ロボット機
構１は、可動部に配置された各駆動装置が力制御演算部
２０から与えられるロボット機構１の姿勢および動作を
決定するための各種制御信号をサーボ回路２を通して受
取ることにより、全体として制御信号に従って動作し作
業工具で図示しないワークに対し必要な作業を行う。ロ
ボット機構１と作業工具による作業動作の中には力制御
に基づく力作業動作が含まれる。従って作業工具がワー
クに対して研削等の力作業を行うとき、作業工具は当該
ワークから反作用としての力を受ける。作業工具は、そ
の取付け構造上力センサ３の先側部分に固定されるの
で、作業工具に加わる力（モーメントを含む）は力セン
サ３によって検出される。

【００１１】力センサ３で検出された力に関するデータ
は力制御演算部２０に送給され、その後の力制御におい
て制御状況に関する力データとして使用される。また同
様にしてロボット機構１の各可動部には動作量を検出す
るためのセンサを備えており、対応する駆動装置により
可動部が動作したとき、各センサはその動作量を測定
し、サーボ回路２を介して力制御演算部２０に動作量デ
ータとして送給する。これらの動作量データは、現実の
位置データとしてその後の位置および力の制御に使用さ
れる。

【００１２】一点鎖線で示されたブロック５はロボット
制御装置の部分である。このロボット制御装置が適用さ
れるロボットシステムではティーチングプレイバック
（教示再生）方式が採用されている。従って図１のロボ
ット制御装置５は、複数の制御パラメータの教示および
設定に関係する部分（教示・設定部）と、設定された複
数の制御パラメータを取り出して制御を実行する部分
（制御実行部）とから構成される。ロボット制御装置５
において、教示されたプログラムおよびデータ等の転送
ルートに関して、基本的に図中左側の前段部に教示・設
定部が位置し、右側の後段部に制御実行部が位置する。
すなわち、教示・設定部は、力制御パラメータ格納１
４、ユーザプログラム格納部１３、位置パラメータ格納
部１０、座標系パラメータ格納部１１、ワーク座標系軸
方向格納部１２、押付け力方向演算部２１からなる。他
方、制御実行部は、ユーザプログラム解析部１６、力制
御パラメータ転送部１７、位置パラメータ転送部１５、
ワーク座標系演算部１８、力制御演算前処理部１９、前
述の力制御演算部２０からなる。

【００１３】力制御パラメータ格納部１４、ユーザプロ
グラム格納部１３、位置パラメータ格納部１０、座標系
パラメータ格納部１１のそれぞれには、ユーザにおける
オペレータが、ロボット制御装置５を備えるロボット機
構１に対して所要作業（作業工具の動作に関し位置制御
と力制御が必要な作業）を行わせようとする場合に、事
前に教示操作を行うことにより、当該作業の制御に必要
な力制御および位置制御の各制御パラメータに関するデ
ータおよび必要なユーザプログラムが格納される。オペ
レータによる教示操作では、例えばハンディタイプの教
示操作器４が使用される。この教示操作器４は、プログ
ラム言語を用いて制御指令と複数のデータを入力するた
めの入力機能部４ａと、所定の表示面積を有しかつオペ
レータが入力された制御指令等の内容を視覚で確認する
ための表示機能部４ｂを有している。この教示操作器４
を用いることにより実際の作業の前に当該作業を倣うご
とくロボット機構１に試し動作を行わせ、複数の制御パ
ラメータに関し作業中のそれぞれの区間で必要とされる
データを、前記の力制御パラメータ格納部１４、ユーザ
プログラム格納部１３、位置パラメータ格納部１０、座
標系パラメータ格納部１１のそれぞれに与えることがで
きる。

【００１４】またワーク座標系軸方向格納部１２におけ
るワーク座標系軸方向の設定は、後述するように、所定
の押圧操作により力センサ３で検出された力信号に基づ
き押付け力方向演算部２１が力方向ベクトルを求め、こ
の力方向ベクトルをワーク座標系軸方向格納部１２に対
し転送することにより行われる。

【００１５】位置パラメータ転送部１５、力制御パラメ
ータ転送部１７、ワーク座標系を計算するワーク座標系
演算部１８、力制御演算前処理部１９、力制御演算部２
０等は、制御を実行する時に、ユーザプログラム格納部
１３からユーザプログラムを取り出してこれを解析する
ユーザプログラム解析部１６で得られたユーザプログラ
ムに基づいて起動される。

【００１６】次に教示・設定部の各部の構成および作用
について、図４〜図８を参照して詳述する。

【００１７】力制御パラメータ格納部１４に格納される
パラメータには、例えば図４に示すように複数の各種制
御パラメータの設定値が含まれる。これらの制御パラメ
ータは、力制御座標系指定、送り速度、力目標値、仮想
ばね定数、仮想粘性係数、力の不感帯である。送り速
度、力目標値、仮想ばね定数、仮想粘性係数、力の不感
帯には、それぞれ設定値ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅが与えられ
ている。これらの制御パラメータは、力制御方式として
例えば特開昭６１−７９０５号に記載された仮想コンプ
ライアンス制御を使用した場合の例を示している。送り
速度、力目標値、仮想ばね定数、仮想粘性係数の各制御
パラメータと制御状態のイメージとの関係を図に示す
と、図５のようになる。図５において５１は作業工具、
５２はロボット機構１のアーム先部のロボット手首部、
５３はワークである。

【００１８】次に各力制御パラメータについて説明す
る。「力制御座標系指定」とは、力制御を行う基準座標
系を指定するものである。力目標値、仮想ばね定数、仮
想粘性係数、力の不感帯の各制御パラメータは、基準座
標系の各軸方向ごとに設定される。力制御座標系として
は、ロボット機構１の本体部を設置するベースに設定さ
れるベース座標系、作業工具（作業ツールともいう）に
設定されるツール座標系、予め任意の箇所に対応して設
定することができる任意座標系、およびワーク座標系の
うちいずれかが適宜に選択される。「送り速度」は作業
工具５１を予め教示した方向に移動させるための速度で
ある。この場合「教示した方向」は位置パラメータ格納
部１０に格納された位置データによって決定される移動
方向である。「力目標値」は作業工具５１をワーク５３
に押し付けるための目標値である。また、「仮想ばね定
数」と「仮想粘性係数」は、仮想コンプライアンス制御
における特徴的なパラメータであり、図５に示されるご
とくそれぞれソフトウェアで実現されるばねおよびダン
パである。「力の不感帯」は、動作の安定性を確保する
ために、力センサ３からの力データに対して不感帯を設
定するためのものである。

【００１９】座標系パラメータ格納部１１では、ロボッ
ト機構１の動作に必要な数種類の座標系のデータが格納
されている。座標系のデータには、前述の通り、ロボッ
ト機構１のベースに固定されたベース座標系、ロボット
機構１のアーム先部（リスト部）に装着された作業工具
に固定されロボット機構１の動作に伴って位置と向きが
変化するツール座標系、ユーザが任意に設定できる任意
座標系など、が含まれる。

【００２０】またワーク座標系軸方向格納部１２は、図
６に示すようにワーク座標系の各座標軸ｘ，ｙ，ｚの中
の１つの軸方向の向きをベクトル〈ｋ〉として格納する
機能を有する。ここで記号「〈 〉」はベクトルを表す
ものとする。この〈ｋ〉はユーザによって任意に設定さ
れる。図６の例ではワーク座標系のｚ軸方向を〈ｋ〉と
している。ワーク座標系軸方向格納部１２は、ワーク座
標系を演算する上での便宜を考慮して〈ｋ〉を出力す
る。このように、ワーク座標系軸方向格納部１２では、
ワーク座標系のｘ，ｙ，ｚの各軸のうち１軸の指定情報
と〈ｋ〉とを指定するために、座標系パラメータ格納部
１１に格納された座標系の内のどの座標系のどの軸を
〈ｋ〉として指定するかを設定する。以後の説明ではこ
れらの設定値を説明する便宜上、ワーク座標系のｚ軸の
方向を計算するための〈ｋ〉ベクトルを、ベース座標系
のｚ軸方向ベクトルで与えると仮定する。

【００２１】位置パラメータ格納部１０は、作業中にお
いてロボット機構１の動作に必要とされる当該機構部分
の各部および作業工具の位置または姿勢等のデータを格
納する部分である。位置パラメータ格納部１０は、従来
の位置制御ロボットで備えられた教示位置データの格納
部分と同じ構成を有するものであり、既知のものであ
る。このロボット制御装置は、力制御に基づき作業を行
うロボットシステムに適用されるものであるが、力制御
と併せて位置制御も必要であるため、この位置パラメー
タ格納部１０を当然のことながら備えている。

【００２２】次いで、制御実行部の各部の構成および作
用について説明する。この制御実行部は、教示・設定部
を利用して教示されかつ格納された作業に関するプログ
ラムおよび力等の設定値を用いて再生動作を行い、作業
を実際に実施する機能を有する。ユーザプログラム解析
部１６は、ユーザプログラム格納部１３に格納されたユ
ーザプログラムを読取り、これを解読して必要な処理を
起動する。例えば、解読したユーザプログラムに位置に
関する記述が含まれているときには、位置パラメータ転
送部１５を起動し、必要な位置データを位置パラメータ
格納部１０から取り出し、力制御演算前処理部１９に転
送する。また解読したユーザプログラムに力制御パラメ
ータに関する記述が含まれているときには、力制御パラ
メータ転送部１７を起動し、必要な力制御パラメータを
力制御演算前処理部１９に送給する。この場合に力制御
パラメータの力制御座標系指定においてワーク座標系が
指定されているときには、ワーク座標系演算部１８を起
動する。

【００２３】次にワーク座標系演算部１８における処理
の流れを、図８のフローチャートを参照して説明する。

【００２４】処理が開始されると、まずワーク座標系軸
方向格納部１２を参照する（ステップＳ１）。ここで設
定値が、ワーク座標系のｚ軸方向をベース座標系のｚ軸
方向とするように指示されていたと仮定する。この内容
に基づいて、座標系パラメータ格納部１１からベース座
標系のｚ軸方向ベクトルを取得し、これを〈ｋ〉とする
（ステップＳ２）。次に位置パラメータ格納部１０から
ロボット機構１の動作に関する位置目標値を位置パラメ
ータ転送部１５を通して取得し、これをＰn とする（ス
テップＳ３）。位置パラメータとしては、位置と姿勢の
目標値が存在するが、この場合には位置目標値のみを取
得すればよい。さらに、ここで前回取得した位置パラメ
ータをＰn-1 と仮定する（ステップＳ３）。このとき、
ワーク座標系演算部１８を起動した直後の段階では、Ｐ
n-1 を定義できないので、Ｐn-1を現在位置としてもよ
い。次にＰn ，Ｐn-1 を用いてワーク座標系のｘ軸方向
の単位ベクトル〈ｎ〉を次式により計算する（ステップ
Ｓ４）。

【００２５】

【数１】

【００２６】次に、ｙ軸方向の単位ベクトル〈ｏ〉を計
算する。このとき、〈ｎ〉ベクトルが〈ｋ〉ベクトルと
平行であるとすると、計算ができないので、まず平行で
あるか否かを次式によって判定する（ステップＳ５）。

【００２７】

【数２】〈ｎ〉・〈ｋ〉＜α ただし、ここで記号「・」は内積を意味し、かつ|α|＜
１である。

【００２８】上記の条件が満足されたときには、〈ｏ〉
とｚ軸方向の単位ベクトル〈ａ〉を次式によって演算す
る（ステップＳ６，Ｓ７）。

【００２９】

【数３】〈ｏ〉＝〈ｋ〉×〈ｎ〉 〈ａ〉＝〈ｎ〉×〈ｏ〉 ただし、記号「×」は外積を意味する。

【００３０】上記（数２）の条件を満足しないときに
は、例外処理が行われる（ステップＳ８）。例外処理の
内容としては、ロボット全体の動作を停止させ、ユーザ
に設定が不適切であることを知らせたり、前回算出した
〈ｎ〉，〈ｏ〉，〈ａ〉の各単位ベクトルを使う方法
や、ワーク座標系軸方向格納部１２で指定された座標系
（この例ではワーク座標系）のｘ，ｙ，ｚの各方向の単
位ベクトルを使用する方法等が考えられ、適宜に使い分
けることができる。演算が終了し、その結果求められた
〈ｎ〉，〈ｏ〉，〈ａ〉の各ベクトルは、ワーク座標系
の座標データとして力制御演算前処理部１９に転送され
る（ステップＳ９）。

【００３１】上記の例では位置パラメータとして、位置
パラメータ格納部１０に格納された教示データをそのま
ま使用したが、位置パラメータ格納部１０に格納された
位置データに基づいて演算処理で作成されたデータ、あ
るいは補間処理を行ったデータ、ロボット制御装置５の
外からワークステーション等により通信で送られてくる
データを使用することが可能である。上記の処理は、起
動後、一定サンプリング周期ごとに実行され、終了命令
が来るまで繰り返される。

【００３２】図６に示された形状を有するワーク５３に
おいて、符号５４で示す軌道（目標軌道）に沿って作業
工具５１が移動しながら例えば研磨作業を行う場合に、
位置P001〜P010のそれぞれで、各位置の位置パラメータ
を利用して前述の計算（図８のフローチャート）を実行
し、〈ｎ〉，〈ｏ〉，〈ａ〉を求める。図７の（Ａ），
（Ｂ）で明らかなように、前記実施例のロボット制御方
法によれば、例えば位置P002の座標系とP007の座標系の
それぞれで同じ向きを向いており、常に力がワーク５３
に向って作用する。

【００３３】上記のごとく、１軸方向の力ベクトルと、
作業に関する目標軌道を生成するための位置パラメータ
とによって、力制御中の力方向を指示するために必要と
される直交座標系（ワーク座標系）が設定される。

【００３４】力制御演算前処理部１９は、与えられた位
置パラメータ、力制御を実行するための力制御パラメー
タ、座標系に関する制御パラメータを、力制御演算部２
０にて使用できるフォーマットに変換するための処理を
実行する。

【００３５】なお上記力制御演算部２０は、仮想コンプ
ライアンス制御を実行できる構成を有し、よく知られて
いるので、具体的な構成および作用の説明は省略する。

【００３６】次に、押付け力方向演算部２１によってワ
ーク座標系の１つの軸方向を生成する過程について説明
する。

【００３７】まず図２に従って、本発明に係る座標設定
方法が適用されるロボットを説明する。ベース部（台
座）３１に取り付けられた前述のロボット本体１は、そ
の先部に力センサ３を取り付け、力センサ３の先側部分
には作業工具３２が装備される。ロボット本体１の動作
は前述のロボット制御装置５によって制御される。ロボ
ット制御装置５は、図１で説明した構成を含んでいる。
ロボット本体１は内部に複数の関節部を有して少なくと
も２自由度を有する機構部であり、かつ関節部には駆動
装置を備えている。各駆動装置の動作によってロボット
本体１は各種の姿勢をとることができ、作業工具３２を
任意の位置に移動させることができる。

【００３８】図２に示されるように、ロボット本体１に
はベース部３１において固定の座標系であるベース座標
系３３が設定され、力センサ３の中心部において力セン
サ座標系３４が設定されている。力センサで検出される
力は、並進力および回転力のいずれも力センサ座標系３
４のｘ，ｙ，ｚの各成分で表現される。今、ここで並進
力として^sＦ₁＝（ｆ_x1，ｆ_y1，ｆ_z1）を検出したと仮定
する。 ^sＦ₁ は力センサ座標系３４で表現された力を意
味するものとする。力センサ３において検出された力セ
ンサ座標系３４による力（並進力） ^sＦ₁ について、こ
れをワーク座標系軸方向格納部１２に転送してここで格
納するためには、ベース座標系３３で表した単位ベクト
ルの表現に変換して転送することが必要である。このた
め上記式で表わされた ^sＦ₁ を、次式のように単位ベク
トル表現に変換する。

【００３９】

【数４】

【００４０】次に（数４）式をベース座標系での表現に
変換する。この変換を行うためには、ベース座標系から
力センサ座標系への回転変換が下記の（数５）式で表さ
れるとき、 ^BＦ′₁ ＝ ^BＴ_s ^sＦ₁ ′の式に基づいて演
算することができる。

【００４１】

【数５】

【００４２】上記の演算は、力センサ３の出力する力信
号を取込む押付け力方向演算部２１が実行し、こうして
押付け力方向が演算される。最終的に得られた値 ^BＦ′
₁ は、押付け力方向演算部２１から、ワーク座標系軸方
向格納１２へ転送され、ワーク座標系の軸方向として格
納される。

【００４３】上記の説明は並進力に関するものであった
が、回転力についても同様に行われる。

【００４４】図３において、１軸方向の力ベクトル４１
を求めるための操作の一例を示す。ロボット本体１のア
ーム先部の力センサ３に装備された作業工具３２の刃部
を、例えば作業姿勢を保った状態でワーク３５の被加工
部に押し付けると、その反力４２として力センサ３４で
は力ベクトル４１を力センサ座標系３４に基づいて検知
し、押付け力方向演算部２１はそのデータを算出する。
さらに押付け力方向演算部２１は、この１軸方向の力ベ
クトル４１をベース座標系３３に換算して表現し、この
データをワーク座標系軸方向格納部１２に転送して格納
させる。図３では、作業工具３２の刃部をワーク３５に
押し付けたが、作業工具３２に対して作業者が力を加
え、反力４２を発生させ、これにより１軸方向の力ベク
トルを求めることも可能である。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
り、１軸方向のベクトルの設定と、作業に関する目標軌
道を生成するための位置パラメータの教示で、力制御中
の力方向の指示で必要とされる直交座標系を設定するこ
とができるので、ユーザによる簡単な操作で座標系を設
定することができ、自動化を行うことも可能である。特
に、１軸方向のベクトルの設定を、研削工具等をワーク
に押し付けたり、あるいは作業者が手で力を加えたりし
て所要の反力を発生させることで行えるので、座標系設
定作業を極めて容易に行うことができ、さらに作業の安
全性も高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるロボットシステムの全体構
成を示すブロック図である。

【図２】ロボットの全体斜視図である。

【図３】反力を発生させる操作の一例を示す図である。

【図４】力制御パラメータの内容を表で示した図であ
る。

【図５】作業のイメージと各制御パラメータとの対応関
係を示す図である。

【図６】ワークにおける目標軌道と各位置で生成された
座標系を示す図である。

【図７】目標軌道における２つの位置で生成される座標
系を示す図である。

【図８】座標系設定方法を説明するためのフローチャー
トである。

【符号の説明】

１ ロボット機構（またはロボット
本体） ３ 力センサ ４ 操作器 ５ ロボット制御装置 ３２，５１ 作業工具 ３３ ベース座標系 ３４ センサ座標系（または力センサ
座標系） ３５，５３ ワーク ４１ １軸方向の力ベクトル ４２ 反力 ５４ 目標軌道

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２以上の自由度を有し、任意の位置と姿
   勢に設定可能であり、アーム先部に３軸方向について並
   進方向および回転方向の力を検出する力センサを備え、
   この力センサの先側部分に手先効果器を装着し、力制御
   により動作可能である多関節型ロボットに適用されるロ
   ボットの座標系設定方法において、 力制御中の力方向の指示で必要とされる直交座標系を１
   方向のベクトルと作業に関する目標軌道を生成するため
   の位置パラメータとによって設定し、前記１方向のベク
   トルの設定を前記手先効果器をワークに押し付けること
   によって行うことを特徴とするロボットの座標系設定方
   法。
2. 【請求項２】 ２以上の自由度を有し、任意の位置と姿
   勢に設定可能であり、アーム先部に３軸方向について並
   進方向および回転方向の力を検出する力センサを備え、
   この力センサの先側部分に手先効果器を装着し、力制御
   により動作可能である多関節型ロボットに適用されるロ
   ボットの座標系設定方法において、 力制御中の力方向の指示で必要とされる直交座標系を１
   方向のベクトルと作業に関する目標軌道を生成するため
   の位置パラメータとによって設定し、前記１方向のベク
   トルの設定を、手で前記手先効果器を押すことによって
   行うことを特徴とするロボットの座標系設定方法。