JPS5827074B2 - 被測定物の状態検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、被測定物の状態量を検出する検出方法に関す
る。

工業用ロボットを用いて対象系に対する作業を行う際に
、その作業対象系が正確に位置決めされていないような
場合、或いは作業対象系をあらかじめ正確に位置決めす
ることが困難であるような場合等には、その作業対象系
の状態量、例えば位置等に関する正確な情報を得るため
に、触覚或いは視覚等の感覚を用いるという方法が一般
的である。

しかし、前者の触覚を用いるという方法は汎用的な触覚
装置として利用しようとする場合或いは専門的なもので
あっても装置の適用範囲や条件をある程度、広くとろう
とする場合などにおいては、当該触覚位置から得られる
情報の処理に極めて複雑な演算を行なわせなくてはなら
ず、高度な演算機能を持った計算処理装置が必要である
上、計算量も多くを要していた。

また、後者の視覚を用いるという方法に於いては、視覚
装置としてＩＴＶ（工業用）カメラ或いは光電素子等の
要素が必要であって、しかも処理装置としてもかなり高
級な計算機が不可欠であり、一般の需要に応するには価
額の点で問題が多いという現状にあった。

本発明の目的は、移動装置に備えられた検出手段を被測
定物に対して移動可能にして、正確且つ容易に被測定物
の状態量を検出出来るようにした被測定物の状態検出方
法を提供することにある。

かかる目的を達成する本発明の要旨は、 被測定物の状態量を移動手段に取付けられた検出手段に
よって検出する被測定物の状態検出方法において、被測
定物の状態量のうちから特定の複数のパラメータを選び
、そしてこれら複数のパラメータの中から１つのパラメ
ータを選択し、この選択された１つの特定のパラメータ
に対応させて前記検出手段を被測定物に対して第１の特
定の値となる位置まで移動させ、次に前記１つの特定の
パラメータを該第１の特定の値に保ちながら他の特定の
パラメータがそれぞれの特定の値となるまで前記移動手
段を駆動して該検出手段を前記被測定物に対して移動さ
せることを他の各パラメータ毎にそれぞれ行い、これら
特定の各パラメータがそれぞれの特定の値に相当する位
置にて被測定物の状態量を前記検出手段を通じて検出す
るようにしたものから構成される被測定物の状態検出方
法にある。

以下、図面により本発明の一実施例を説明するＣ第１図
は、直角座標系工業用ロボットの手首先端に取付けられ
た触覚装置によって円板状の対象物の姿勢を検出する場
合の状態を示した全体の斜視図である。

油圧シリンダ１により第１のコラム２上をＸ軸方向へ往
復移動する鞍３と、この鞍３上に直立に設けられた第２
のコラム４に沿って油圧シリンダ５によりＸ軸方向に上
下動する十字軸受箱６と、この十字軸受箱６に取付けら
れ、油圧シリンダ７によってＹ軸方向に往復動させるコ
ラム８と、このコラム８の先端に固定された鉛直軸線の
まわりに回転動し得る手首機構９とを有している。

この手首機構に触覚装置１０が取付けられている。

かかる触覚装置１０は対象物Ｗを円板状のものとして本
発明者等によって提案されたものであって、円板の中心
位置と傾きとを検出する機能に適した構造になっている
。

対象物Ｗは、例えば自動車のロードホイールである。

かかるロードホイールはバンドルによって容易に傾きが
変わり、どの方向をむいているか分らない。

更に、自動車本体の寸法誤差が大きいため、ロードホイ
ールの中心位置も明らかでない。

従って、上述のような機能を有する触覚装置１０が必要
となってくる。

触覚装置１０は、４本の触角１１，１２，１３゜１４を
具えている。

第２図にはかかる触覚装置１０の拡大図を示している。

触角１１及び１２は平行リンク機構により互いに平行に
Ｚ軸方向にのみ変位しうるようになっている。

触角１３，１４は、互いにＹ軸方向にのみ変位するよう
になっている。

これらの触角は、平常時には、それぞれ上端ないし前方
に引き上げられ、或いは突き出されており、対象物Ｗに
接触すると変位するようにバネ１１１，１２１，１３１
，１４１で支持されている。

更に、各触角は、ポテンショメータ１１０゜１２０．１
３０，１４０に接続されており、各触角の変位を電圧信
号に変換して取り出すように構成されている。

かかる触覚装置を用いて対象物Ｗの位置を検出する場合
に、各触角から得られる変位量をデータ処理装置に読み
込ませる必要がある。

この系統図を第３図に示す。

４個の触角の各々に取付けられたポテンショメーク１１
０，１２０，１３０゜１４０からの変位量検出電圧信号
は、選択回路１５によって切り換えられ、所要のポテン
ショメータの出力電圧信号を取り出せるようになってい
る。

この取り出された信号は、Ａ／Ｄ変換器１６に送られ、
２進のディジタル信号に変換され、次いでデータ処理装
置１９に入力さへ処理される。

今、上記触覚装置の４本の触角１１ 、１２゜１３．１
４が対象物の円板に接触している第４図の如き状態を考
える。

中心位置、及び傾きの検出動作を述べよう。

かかる第４図の平面図を第５図、立面図を第６図に示す
。

触角１１，１２，１３゜１４の変位をそれぞれＬａ、Ｒ
ａ、ｌａ、ｒａとすｆｌｆ、触覚装置１０の主軸と対象
物Ｗの円板の主軸とのなす角度をφとすれば、 となり、触角１１と１２との変位差Ｚａは円板の傾きφ
及び角度αの関数である。

これをαについて解き、 とおけば、円板の中心と触覚装置の中心との偏差Ｔｅは
、 となる。

上述の工業用ロボットは直交座標系であるため、この偏
差と等価な修正量をロボットのＸ軸、及びＹ軸にふりわ
けて指令を与えなくてはならない。

これをそれぞれ、Ｘｅ１．Ｙｅｏ とすれば、となる。

また、触覚装置の主軸と円板の主軸とのなす角度φは、 であるから、 となり、円板と触覚装置とを平行にするためには、ロボ
ットの手首振り軸（以下ＳＷ軸と呼ぶ）の傾きをφだけ
回転すればよいことがわかる。

ここで、さらにこの修正動作において、回転中心が円板
面上に来るようにするためには、この回転動作と同時に
Ｙ軸およびＹ軸にそれぞ札 の移動量を与えればよい。

以上より、第４図のように、 ４本の触角が対象 物である円板に接触している場合には、ロボット各軸の
所要修正量Ｘｅ、Ｙｏ、ＳＷｏは、各触角の変位量を用
いて、 なる関係式から成り立つ。

これらの式を正確に計算することができれば、ロボット
各軸をその計算結果にもとずいて移動させることにより
対象物の円板の中心位置および傾きと触覚装置の中心位
置および傾きを一致させることが可能になる（但し、実
際上は、上述の関係式によってロボット各軸を移動した
後の時点におけるロボット各軸の位置をｘｌ、ｙ、、ｚ
、、ｓｗｌとすれば、円板の中心位置の座標Ｘ。

、Ｙｏ、Ｚｏおよび傾きの値ＳＷｏは、で与えられるも
のである）。

かかる計算式は極めて複雑である。

この複雑な計算式をオンライン的に処理するためには、
規模の大きいデータ処理装置を用意しなければならない
。

例えば、上記計算式を処理するためには、乗算、除算、
三角１関数の演算を始めとして、パラメータ変数を持っ
た陰間数の演算をも行わなければならない。

勿論、規模の小さいデータ処理装置によってもある程度
の処理は可能である。

例えば、三角関係はもとより乗除算の機能を持っていな
いデータ処理装置で上述の機能を処理するためには、ソ
フトウェアとしてプログラム上で処理するが、記憶装置
にあらかじめ計算表を収納しておくか、或いはハードウ
ェアとしてこれらの演算処理回路を追加するか、などの
方法をとることになる。

しかし、上記第１の方法では、処理時間が多くかかリオ
ンライン的な制御は間に合わず、第２の方法では、すで
に装置として与えられている記憶装置の容量のすべてを
使う程度の容量規模となり、その計算に附随して行われ
る程制御に必要なデータ等の記憶領域をなくしてしまう
ことになり、実際上計算処理を行い得ない事態を生む。

また仮に、記憶容量を増加した場合、小型のデータ処理
装置としては、装置全体の規模から考慮して許容し得な
い記憶容量となってしまう。

いずれにしろ、実際上は処理不可能となる。

更に、第３の方法は、価額的に高価にならざるを得ない
欠点を持つ。

以上述べた大型と小型とは実際上次のようになっている
。

大型のデータ処理装置とは、乗算や除算、更には三角関
数等の複雑な計算を処理する能力を持つものであり、汎
用ディジタル計算機や大型の制御用計算機がその範囲と
して含まれる。

小型のデータ処理装置とは上記計算処理能力を持たず、
規模も小型のものであり、小型計算機、即ち通称マイク
ロコンピュータやミニコンピユータと称せられるもの、
或いは、上記汎用ディジタル計算機や制御用計算機の端
末での部分的データ処理を行う小型のデータ処理装置を
含むものである。

ここで、特別に大型と小型との相異及びそれらの処理能
力に触れた理由は、ロボット制御を現実的に処理するた
めである。

ロボットの制御は、対象物によって多少の違いはあるが
、一般的には動作として簡単なものが多い。

しかし、その動作を制御の観点からみた場合、上述した
ように相当に複雑な計算式によってその動作は成り立っ
ている。

このことは、装置からみた場合、極めて不合理である。

例えば、大型のデータ処理装置によればロボットの制御
は簡単である。

しかし、ロボットの制御を行うために大型のデータ処理
装置を使うことは、経済的でない。

従って、小型のデータ処理装置を使うことが、理想とな
る。

しかし、上述したように、従来の如き一般的な使い方や
一般的な考え方の延長に立つかぎり、計算処理能力は、
限度を持ってくる。

この小型のデータ処理装置に於ける欠点は本質的なもの
である。

しかし、特定の考え方を導入すれば、複雑な計算式の処
理も可能である。

以下、本発明の基本的考え方を述べよう。

小型のデータ処理装置としてマイクロコンピュータを考
える。

マイクロコンピュータの基本的な演算には、シフトない
しはローティトと呼ぶものがある。

例えば、アセンブラ言語上では、シフト命令はｌ’−Ｒ
ＡＲＪないしはｒＲＡＬＪなどの記号で表現される。

命令「ＲＡＲＪとは、コンピュータ内のアキュームレー
タ上の数値Ｐを とすれば（１語を８ビツトとする）、 ト命令によって １桁右シフ が得られる。

従って、を「０」とすれば、 ここで更にＰ′の最上位の桁 となる。

Ｐに対してＰＲは、２分の１になっていることを示す。

一般にアキュームレータ上の数値Ｐに対してシフト命令
ｒＲＡＲＪをｎ（ｎ≦８）行い、その結果の数値におい
て上位ｎ桁をすべて「０」にしたものをＱとすれば、 となる。

ここで、〔〕は、カッコ内の数値を越えない最大の整数
を示すもので、いわゆるガウス記号である。

かかる（４）式は、簡単化すれば、 となり、いわゆる（］「）とＰとの乗算を行ったことと
等価とみなせる。

即ち、単純な機能しか持たないコンピュータによっても
、ごく限られたものではあるが乗除算を近似的に遂行で
きることとなる。

以上が本発明の第１の基本的考え方である。次に、第２
の基本的考え方を述べよう。

上述の各関係式を複雑にしている理由は、変数が相互に
関係しているためである。

変数を一般化してパラメータと称する。

すべてのパラメータの相互関係を同時に満足させながら
、演算を進めてゆこうとすればする程、計算過程は複雑
なものとなる。

従って、逆に、パラメータを順次減少させてゆくならば
、その減少に対応して計算は簡単になってゆく。

このことを制御の観点からみれば、上述の関係式を簡単
になる方向にあらかじめロボットを移動させ（これは、
パラメータ毎に制御を行わせることを意味する）た後、
次の過程の制御を行わせようとすることと等価となる。

例えば、（２） 、 （３） 。（４） 、 （５）式
は角度φを含む関係式であるが、最初に（８） 、 （
９）式の関係によってロボットの手首軸を角度φだけ回
転しておくことによれば、その結果として触覚装置と円
板との主軸は一致し、触覚装置からみて対象物の円板外
周は楕円でなく円となる。

この状態に於いて得られる触角１１．１２の変位を改め
て、Ｌａ、Ｒａとおくことにすれば、（２）弐〜（５）
式はすべてそれらの式においてφ−〇としたものとなり
、（６）、（７）式は、 となってパラメータを１つ減らすことができる。

即ち、ロボット本体を特定のパラメータに関連して動か
すことによってコンピュータの演算能力を相当程度補う
ことが可能になる。

次に第３の基本的考え方を述べよう。

この考え方は上記第１の考え方を発展させたものである
。

上記関係式の中で、特定の関数により近似可能なパラメ
ータがある。

関数近似を行わせた場合、当然のことながら、近似誤差
を生ずる。

この近似誤差は、関数近似を何回か継続して行わせるこ
とによって、無視可能な値に収束させることが可能であ
る。

直線近似の事例を述べよう。（９）式の関係に於いて、
触角１３，１４の変位差■３の値は当該触角に接続され
たポテンションメータの印加電圧およびＡ／Ｄ変換器の
変換係数によって定まる値であり、一方、角度φの値は
ロボット手首のＳＷ軸への回転角度指令として当該軸の
位置検出器の分解度によって定まるものである力曳いま
、それらの影響を含めて（９）式の関係が第７図の実線
で示すようになっているものとする。

この時、ＳＷ軸への回転角度指令φは、 と近似可能となる。

この式に基づく直線は点線で示される。

かかる式は、第１の基本的考え方によるシフト命令によ
って実現できる。

修正動作について具体的に述べよう。

第７図に於いて、検出されてなる変位量ｙａが１００デ
イジツト（以下、ｄｉｇｉｔｓと略す）であったとする
。

この時、ＳＷ軸の所要修正量φの近似値はφ＝５０ ｄ
ｉｇｉ ｔｓとなる。

この近似値を回想目標値としてＳＷ軸の回転を行えば、
回転動作後の誤差は、仮想目標値と実際の値との差ε１
である。

差ε１は約５ｄｉｇｉｔｓとなる。尚、φ１は実際の値
である。

従ってこの・状態におけるＳＷ軸の位置と真の目標値と
の誤差は、φ＝ ５ ｄｉｇｉ ｔｓに対応する値φ２
に対するＹａの値ｙａ１になる。

ここで、再度の修正を行えば、ｙａ□は１２ ｄｉｇｉ
ｔｓである故、それに対応するφの値φ、は６ｄｉｇｉ
ｔｓとなり、誤差ε２は１ ｄ ｉｇｉ ｔｓとなる。

従って、この２回の修正後の角度の誤差はφ＝１ｄｉｇ
ｉｔｓということになる。

即ち、（９）式のような関係式をマイクロコンピュータ
のシフト命令で代行できる程度の大まかな線形の関係に
近似し、−担その近似値を仮想の目標値としてロボット
を移動させ、その後で再度同様の操作を行うことを操り
返すことによって、近似誤差を零（０）となる方向に収
束させて行くことが可能となる。

以上の演算では、１ビツトシフトによる直線近似とした
が、対象関係式の性格によって、２ビツトシフト等によ
る他のシフトによって直線近似を行わせることも可能で
ある。

次に、かかる原理に基づく、本発明の実施例を述べよう
。

第８図は、本発明の実施例をブロック図により示したも
のである。

特定パラメータ演算装置２００は、ポテンションメータ
１１０゜１２０．１３０，１４０から得られる検出信号
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄを入力とし、
Ａ／Ｄ変換処理等の前処理を行った後、特定パラメータ
に関する演算処理を行う装置である。

この特定パラメータに関する演算処理とは、パラメータ
を減らしてゆくこと、及び該減らすにあたって、そのパ
ラメータの処理を簡単化した処理式のもとに演算を行っ
てゆくことを意味している。

具体的には、例えば、先ず、角度φに着目し、該φをシ
フトによる直線近似によって近似させ、演算処理を行わ
せている。

従って、該演算装置２００には、どのパラメータをどの
ような順位のもとに減少させてゆくか、そしてその各順
位の中でどのような近似条件のもとに演算を行ってゆく
かがあらかじめ設定されている。

従って、所定のデータが入力されることによって、特定
パラメータの演算が順次行われてゆくことになる。

移動量設定装置２０１は、上記特定パラメータ演算装置
２００から得られるデータ及び各ポテンショメータから
の検出信号２００ａ、２００ｂ。

２００ｃ、２００ｄを入力として、ロボットの移動量を
設定させる装置である。

ロボットの移動量とは、先に述べたように、Ｘｅ、Ｙｅ
、ＳＷｅ等の値を示している。

ロボット１駆動回路２０２は、かかる移動量設定装置２
０１からの設定信号を受け、ロボット２０３の姿勢制御
を行うものである。

かかるロボット駆動回路２０２によりロボット２０３は
設定された移動量だけ駆動される。

このようにして移動された後におけるロボット２０３の
状態量は、ポテンショメータ１１０，１２０，１３０．
１４０により再度検出され、特定パラメータ設定装置２
００に入力される。

いわゆるフィードバック動作となる。以上の各装置によ
り、処理量の少ない小型のデータ処理装置、例えばマイ
クロコンピュータにより複雑な関係式を簡単な処理形態
により処理可能となる。

尚、第８図に於いて、移動量設定装置２１０から特定パ
ラメータ設定装置２００へ信号が出力されているカベ
これは、特定パラメータ設定装置２００での演算には、
移動量設定装置２０１からの出力信号を必要としている
ためである。

このことを含めて、特定パラメータ設定装置２００に関
して第９図により、より詳細に説明しよう。

第９図は、特定パラメータ設定装置２００の内部構成を
示す図である。

図に於いて、パラメータ演算順位設定装置２００１は、
演算開始の指令により起動し、あらかじめ定められたパ
ラメータの順位に従って、パラメータの選択を行ってゆ
くものである。

この順位はあらかじめ定められていることが基本である
が、計算の過程では必要に応じて順位が自動的に変更さ
れる場合がある。

該演算順位設定装置２００１は、かかる順位自動設定機
能をも持っている。

この順位自動設定に必要なデータは具体的には、第８図
に述べたポテンショメータにより与えられるところの検
出信号２００ａ。

２００ｂ、２００ｃ、２００ｄである。

該パラメータ演算順位設定装置２００１より指定される
パラメータは、特定パラメータ近似条件設定装置２００
２に入力する。

該特定パラメータ近似条件設定装置２００２は、パラメ
ータによってどのような近似条件を満足するかあらかじ
め設定されており、従って、上記選択されたパラメータ
の入力により、近似すべき条件を設定し、出力すること
になる。

該近似すべき条件を入力とする命令設定装置２００３は
、近似すべき条件に従って必要とする命令を設定するも
のである。

命令には、先に述べたシフト命令がその代表としである
。

該命令設定装置２００３により出力された命令は、次段
のデータ処理部２００４に入力する。

データ処理部２００４では、必要とする入力データ２０
０４ａを入力として処定関係式のもとにパラメータの演
算を行う。

入力データ２００４ａとは、具体的には、第８図で述べ
たポテンショメータからの検出信号、のデータである。

該データ処理部でパラメータの演算が完了すると起動信
号２００４ｂが発生し、再びパラメータ演算順位設定装
置２００１を起動し、次の順位のパラメータを選択する
ことになる。

以上の実施例は、極めて定性的な範囲でまとめたもので
あり、実際の特定のモデルにより細部構成は種々異って
くる。

こうした細部構成は、発明の目的にそぐわないので省略
することとする。

尚上記実施例では、直線近似としたが、一般に曲線的な
関係式のもとにあるパラメータに対しても本発明は適用
可能である。

例えば、曲線を直線で近似する折線近似方式を使用すれ
ば、曲線近似が可能であることはよく知られている。

従って、名折線に対応するシフト命令を用意しておくこ
とによって、該シフト命令の組合せにより曲線近似が可
能となる。

各関係式の中で、折線近似の占める割合は比較的大きく
、本発明ではシフト命令の組合せ（伺ビットシフトさせ
るかということ）による近似方式が積極的に活用される
。

例えば、ｔａｎψのような関係を、０°≦ψ≦３００で
はｔａｎψ÷−凭１ ３００≦φ≦４５°ではｊａｎψ中１＋ψ。

という如きｍ 折線で近似して、ロボット手首軸ＳＷの回転量をＸ、Ｙ
軸の移動量と関連づけることが可能となる。

以上、本発明を直角座標系工業用ロボットの手首先端に
取付けられた触覚装置によって円板状の対象物Ｗの姿勢
を検出する場合について説明してきた。

他の事例にも本発明は適用できる。例えば第１０図は、
２本のＸＹ平面内に互いに直角に置かれた棒状触角１７
．１８によって互いに９０°づつ隔って設置されたボル
トの位置を検出する触覚装置を示す。

図に於いて、垂直方向の触角１７の長さはて７・水平方
向０触角１８″長さは″（但し、ＶうＰより犬）となっ
ている。

但し、ここで、Ｐは４本のボルト１９，２０，２１，２
２の各ピッチである。

この時、ボルト群を有する円板Ｗ１の傾きを人とすれば
、垂直触角１７及び水平触角１８の円板中心からの変位
量をそれぞれ、Ｈａ、■３とすると、 となる。

かかる関係式においても、ごく大まかな直線近似を行い
、ロボットを動作させて再度近似するという方法を繰り
返すことによって、正確な位置検出が可能となる。

以上詳細に説明したように、本発明の検出方法によれば
、移動装置に取付けられた検出手段を被測定物の状態量
である各パラメータ毎に特定の値の位置まで該被測定物
に対して移動させ、これら特定の値の位置にて被測定物
の状態量を該検出手段を通じて測定するようにしたので
極めて正確、且つ容易に被測定物の状態量を検知するこ
とが可能となるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は工業用ロボットと対象物である円板との関係を
示す斜視図、第２図は触覚装置の斜視図、第３図は触覚
装置からの検出信号の処理を行うブロック図、第４図は
触覚装置と円板との接触状態を示す図、第５図及び第６
図は第４図に示したものの平面図、第７図は本発明の詳
細な説明する図、第８図、第９図は本発明の実施例図、
第１０図は本発明の対象系の他の事例を示す図である。 符号の説明、１１，１２，１３．１４・・・触角、２０
０・・・特定パラメータ演算装置、２０１・・・移動量
設定装置、２０２・・・ロボット駆動回路、２０３・・
・ロボット本体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定物の状態量を移動手段に取付けられた検出手
   段によって検出する被測定物の状態検出方法において、
   被測定物の状態量のうちから特定の複数のパラメータを
   選び、そしてこれら複数のパラメータの中から１つのパ
   ラメータを選択し、この選択された１つの特定のパラメ
   ータに対応させて前記検出手段を被測定物に対して第１
   の特定の値となる位置まで移動させ、次に前記１つの特
   定のパラメータを該第１の特定の値に保ちながら他の特
   定のパラメータがそれぞれの特定の値となるまで前記移
   動手段を駆動して該検出手段を前記被測定物に対して移
   動させることを他の各パラメータ毎にそれぞれ行い、こ
   れら特定の各パラメータがそれぞれの特定の値に相当す
   る位置にて被測定物の状態量を前記検出手段を通じて検
   出するようにしたことを特徴とする被測定物の状態検出
   方法。