JPS60195614A - ロボツト教示方式 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ロボットマニピュレータに係シ、特にロボッ
トマニピュレータへの動作教示に好適な教示方式に関す
る。

〔発明の背景〕

従来、ロボットマニピュレータへの動作教示は主として
、次の３つの方法で行なわれてきた。

（１ン　ティーチング・ボックス教示 あらかじめ用意したいくつかの基本命令を組み合わせる
事により、必要な動作を教示する。これら基本命令は、
通常ロボットマニピュレータのコントローラに接続され
たティーチング・ボックス上でキーを押す事により与え
られる。ティーチング・ボックスの一例を第１図（Ａ）
に示す。第１図（Ｂ）に各人カキ−１４の機能（命令内
容）の例を示した。なお、第１図（Ａ）で１１はフック
、１２はオンオフスライドスイッチ、１３は表示用発光
ダイオードを示す。

このティーチング・ボックス方式は、多くのロボットマ
ニピュレータの教示に用いられているが、次のような根
本的欠陥がある。

■　複雑な動作を教示するための手数（キーを押す回数
）が多く、教示に時間がかかる。

■　孜示豹容とキーを押すという教示の動作の間の関係
が薄いため、教示方式に慣れるのに時間がかかる。

■　ティーチング・ボックスは同一機種のロボットに対
して共通に作られるが、実際に、あるロボットに教示す
る際にはロボットの個体差をオペレータが力源して、補
正しつつティーチング・ボックスを使わねばならない。

（２）直接教示 オペレータが、ロボットマニピュレータに直接ふれて（
列えば、ロボットマニピュレータの先端を持って）必賛
な動作を教示する方式である。

この方式には、次のような欠陥がある。

■　ロボットマニピュレータがオペレータの接近しにく
い場所（例えば、狭い所・高放射能下）では利用不能で
ある。

■　重量の大きいロボットマニピュレータの場合、オペ
レータの負担が太きい。

（３）　マスク・スレーブ型教示 オペレータが、教示対象であるロボットマニピュレータ
と同構造でかつ、ロボットマニピュレータと通信回線で
結ばれた操作ハンドルにより教示を行なう方式である。

この方式は、オペレータがロボットマニピュレータの各
自由度の回転角等を全く意識することなく、自由にロボ
ットマニピュレータの状態を制御することができる。Ｃ
のため、オペレータによる操作が非常に容易でおる。

この方式の欠陥は、（異なる）ロボット毎に別々の操作
ハンドルを用意しなければならない点にある。つまシ、
コスト及びスペースの面で問題かわる。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来システムの問題点を解決するための
ものであり、オペレータがロボットマニピュレータに行
なわせる（複雑な）動作を、自分でトレースして教示す
る際、特殊な装置やロボットマニピュレータへの接触と
いった制約がなく、任意の場所で容易に行なえるように
した教示用ソフトウェア・ジョイスティックにもとづく
教示方式を提供する事を目的としている。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明による教示方式では
、つぎの２ステツプからなる処理をおこなう点に＃＊が
ある。

＋１）　空間中のジョイスティックの位１１ヲオンライ
ンで測定する手段を導入して、オペレータが、教示した
い動作軌跡をこのジョイスティックを持ってたどること
により、教示したい動作軌跡をロボットマニピュＶ−夕
の着目点の座標の連続点列として入力する。

（２）入力された動作軌跡を、教示対象でおるロボット
マニピュレータの機構学モデルを用いて、その制御入力
に変換する。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図から第７図によシ説明
する。第２図は本発明を実現する一実施例の構成を示す
ものである。

第２因において、位置方向入力装置１１０は、教示者の
手の、基準座標系に対する座標（ｘ＋Ｙ＋７）と基準座
標系からの回転角（θ、ψ、φ）を移動量決定装置１２
０へ送る。移動量決定装置１２０は、送られてきたデー
タ（座標１回転角）を一時刻前のデータと比較する事に
より、教示者の手の移動・回転量を計算し、この結果を
制御量決定装置１３０に送る。制御量決定装置１３０は
送られてきた移動・回転量とロボット機構学モデルによ
シ、ロボットの関節角制御ｆｉｆをめて、通信装置１４
０に送る。通信装置１４０は、ロボットコントローラに
対して、各関節を関節角制御量だけ回転させるコマンド
を送る。

第３図に、位置方向入力装ｗｔ１１０の構成を示す。ジ
ョイスティック１１１は、デジタイザ入力ペン１１４と
）ラックボール１１３とスイッチ１１５から成る。座標
検知ボード１１２は４個の超音波発信器が埋め込まれた
ものである。ジョイスティック（超音波受信器）１１１
と座標検知ボード１１２は、コントローラ１１６とつな
がっている。コントローラ１１６は、スイッチ１１５が
オンになると、座標検知ボード１１２の４個の超音波発
信器を起動すると同時に、デジタイザ入力ベン１１４か
らの入力を受けて、デジタイザ入力ベン１１４の座標位
置（ｘｌＹｌ　ｚ）’に計算する。

トラックボール１１３は、スイッチ１１５がオンになる
とその基準位置からのロボットマニピュレータ３軸まわ
シの回転角（θ、ψ、φ、）をコントローラ１１６へ送
る。コントローラ１１６は、位置座標と回転角をスイッ
チ１１５がオンとなっている間、移動量決定装＋１１２
０へ送る。

デジタイザ入力ベン１１４と座標検知ボード１１２及び
コントローラ１１６を組み合わせた３次元デジタイザは
、既に市販されている。また、トラックボールによる回
転量入力についても市販されたシステムでちる。

第４図にジョイスティック１１１の使用法を示す。いま
、ロボット１５０のエンドエフェクタ１５１を現位置Ａ
からバスＡＢを通って点Ｂまで移動させたいとする。こ
の時、オペレータは、座標検知ボード１１２上の任意の
位置Ａ′でジョイスティック１１１のスイッチ１１５を
オンとし、エンドエフェクタ１５１を見ながら、「アた
かもエンドエフェクタ１５１をつかんでいるように」、
ジョイスティック１１１を点Ａ′から点Ｂ’ｔで動かす
。点Ｂにおいて、エンドエフェクタ１５１の方向修正が
必要な時には、トラックボール１１３を修正方向に修正
必要量だけ回転させる。

第５図に移動量決定装置１２０の構成図を示す。

位置方向入力装置１１０から送られてきた、座標・回転
角データは、位置レジスター１２１に一時蓄えられる。

クロック１２３は一定時間（以下ｔｓｅｃとする）間隔
で信号を移動量演算装置１２２へ送る。移動量演算装置
１２２はクロック１２３の信号を受けると、位置レジス
ター１２１の座標・回転角データ（マｒ　Ｙ　＋　’＋
　７ｊ＋、　９’　ｒ　＜’　）と、退避レジスター１
２４に蓄えられたｔ秒前の座標・回転角データ（ｘｌＹ
ｌ　ｚｌ　θ、ψ、φ）の減算を以下のように行ない、
移動量（ΔＸ、Δｙ。

Δ２．Δ０．Δψ、Δφ）をめ−Ｃ，これを判定装置１
２５へ送る。

ΔＸ　＝　Ｘ　−Ｘ Δｙ＝ｙ−９ Δ２＝２−２ Δθ＝７−７ Δψ＝ψ　−ψ Δφ＝φ　−φ 仄いで、移動量演算装置１２２は、位置レジスター１２
１の座標・回転角データ（ｒｌ　Ｙ　Ｉ　Ｆ＋１、　ｃ
ｐ、　＃）を退避レジスター１２４に格納する。

（この操作により、退避レジスター１２４内のデータが
１きスえられる）−１−ＩＪ定器１２５は送られてきた
座標・回転角データ（ベクトル）を、最大値データベク
トル（マｒ　７１　”ｒ　”＋　’ｊ”＋　ｒ）と比較
し、座標・回転角データベクトルのすべての要素の絶対
値が最大値データベクトルの要素より小さい場合には、
座標・回転角データベクトルを制御貴決定装に１３０へ
送る。最大値データベクトルは、を秒間に励きうる最大
値のベクトルである（例えば、ＸはＸ軸方向のｔ秒間の
最大移動量である。） 第６図に制御量決定装置１３０の構成を示す。

角度レジスター１３１は通信装置１４０を通じて得たロ
ボットの各関節角（α戸、α２．α３゜Ｃ４，Ｃ５，Ｃ
６）をストアしておく。起動器１３４は、移動量決定装
置１２０からロボット移動量が送られてきた時、位置計
算装置１：３２へ信号を送ると同時にロボット移動量を
移動先計算装置１３５へ送る。位置計算装置１３２は、
起動器１３４から信号を受けると、角度レジスター１３
１から現在のロボットの関節角を読み、メモリ１よシ読
み出したロボットの機構学方程式を用いて、ロボットエ
ンドエフェクタの現在位置（ｘｌＹｌ２）及び座標系Ｏ
を計算する。ここで、ロボットが第７図に示すような６
軸ロボツトの４台、機構学方程式は、次の通りである。

Ｘ　＝　Ｃ＋　（Ｃ２３４＋Ｃ２３ａ３＋Ｃ２ａｚ　Ｉ
Ｙ＝Ｓｔ　（Ｃｚｓ４＋Ｃｕａ３＋Ｃｚａ２１”＝Ｓ　
２３４　ａ　４　＋Ｓ２！ｌａ３＋ｓ２　Ｃ２ここで、 一方、座標系０は、絶対座標系（ロボットの土台・・・
第７図点Ｆ・・・を原点とする）に対して、次の式で記
述される。

Ｔｏ　＝　Ａ　Ｔ 移動先計算装置１３５は、起動器１３４からえたロボッ
ト移動量（ΔＸ、Δｙ、Δ２．Δθ、Δψ。

Δφ）と位置計算装置１３２からえたロボットエンドエ
フェクタ位置及び座標系Ｏに基づいて、ロボットエンド
エフェクタの新位置（ｘＮ＋：ｌ’Ｎ＋ｚＨ）と座標系
ＯＮを次の式によりめる。

ｘＨ＝マ＋ΔＸ ｙＮ＝デ＋Δｙ Ｚ　Ｎ　＝　ｚ＋Δ２ 移動先計算装置１３５は、計算したロボットエンドエフ
ェクタの新位置（ＸＮ、ＹＮＩ　Ｚ）Ｊ）と新座標系Ｏ
Ｎを角度計算装置１３６へ送る。

角度計算装ｆ１３６は、メモ！Ｊ　Ｂ　１３７に格納さ
れた機構学方程式の逆表現（先に述べた機構学方程式と
は、入出力変数が逆になった方程式）を用いて、エンド
エフェクタの新位置と新座標系ＯＮから、ロボットの各
関節角をめる。第７図に示した６軸ロボツトの場合、関
節角（α、。

α２．α３．α４．α５．α６）は、以下の式でめられ
る。

Ｒ＋　＝Ｃ２３ａ３＋Ｃ２ａ２ 几２°５２３ａ３＋５２ａ２ ”　４　”　ｔａｎ　−’　ｓ−−−α２−α３ＣＩａ
Ｘ＋Ｓｌａ。

ｑ　＝−Ｃａ　（０２３４（Ｃ＋Ｏ工＋８１０２）　＋
８２３４０□）以上の式では、新座標系ＯＮとして、以
下の表現を用いた。

なお、上記のαｌ−α６をめる式は、三角関数を含んで
おり、一般には、複数のα１〜α６が解として得られる
。例えば しかし、ロボットマニピュレータがｔ（ｍ）間に可能な
（ロ）転角Δαは一定値εα以下でおる。従って請求め
るαは、一時刻前のαに対してα−εヶくαくα十６ の制約を満たさねばならない。角度計算装置１３６は角
度レジスター１３１から、ロボットマニピュレータの各
関節角を読み、上記制約条件を生地して、各関節角目標
値αｌ〜α６を決定する。

第７図で７１はショルダー、７２はニルボウ、７３はリ
スト、７４はハンドを示す。

〔発明の効果〕

以上詳述したごとく、本発明によれば、（１）　ロボッ
トマニピュレータにふれる事な〈従来の直接教示と同様
の効果が得られるため、オペレータがロボットマニピュ
レータに接近しにくい場合でも教示が行なえる。

（２）動作軌跡をアナログ量として入力するため、従来
のティーチング・ボックス方式に比べ教示が容易に行な
える。（例えば、従来のティーチング・ボックスでは、
点（１，１，１）から点（５，６，７）へロボットマニ
ピュレータを移動させる場合、各軸毎にＪ１４動させる
、つまりまず（１，１，１）から（５，１，１）へ、次
いで（５，ｉ、ｉ）から（５，６，１）へという教示で
めった。２又は３軸方向へ１ｂ」時に移動させる機能が
付いたものでも、ごく限定された（例えば各軸に対して
４５方向）ものでめった。

これに対して、本発明による教示では任意の方向に移動
可能である。

（３）マスター・スレーブ型ロボットの場合のように特
別の装置を必要としない。対象ロボットマニピュレータ
の機構学モデルを変える事により、すべてのタイプのロ
ボットマニピュレータに適用可能でおるので、多種のロ
ボットマニピュレータの導入されている所でも１台の教
示装置で良いという点からコストが安くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はティーチング・ボックスの一例を示す図、第２
図は本発明の一構成例を示す図、第３図は第２図で示し
た位置方向入力装置の一構成例を示す図、第４図は位置
方向入力装置の使用例を示す図、第５図は第２図で示し
た移動量決定装置の−構成例、第６図は第２図で示した
制御量決定装置の一構成例を示す図、第７図はロボット
マニピュレータの一例である。 χ　４１２１ 市　５　邑 ／３０ 第６　（２） ／４０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 空間の一点を指定する手段と、前記空間の一点を指定す
   る装置の指定した空間中の点の位置を測定する手段と、
   多自由度盤マニピュレータと前記多自由度型マニピュレ
   ータの機構学モデルを格納する手段と、前記機構学モデ
   ルに基づいて前記多自由度型マニピュレータの制御変数
   を決定する手段と、前記多自由度マニピュレータと前記
   制御変数決定手段を結ぶ通信手段とから成るロボット教
   示システムにおいて、前記空間の一点を指定する手段の
   空間中での動作軌跡と同一の動作軌跡を多自由度マニピ
   ュレータで実現することによシ多自由度マニピュレータ
   への教示を行なうことを特徴とするロボット教示方式。