WO1991007738A1 - Curseur tridimensionnel et systeme de programmation sequentiel l'utilisant - Google Patents

Description

明 細 書

3次元力一ソル及びそれを用いた オフライ ンプ口グラ ミ ング方式 技 術 分 野

本発明はォフ ラ イ ンロボッ トプログラ ミ ング方式等の 3次 元空間を表示するグラフィ ッ ク画面上で物体又は口ボッ トの 位置及び姿勢を指定するための 3次元カーソル及びそれを用 いたオフライ ンプログラ ミ ング方式に関する。 背 景 技 術

近年、 ロボッ トを操作して所望の作業を行わせる場合に、 ロボッ トを実際に操作することなく プロダラムを作成すると いうオフライ ンプログラ ミ ング方式が導入されるようになつ てきた。

このオフライ ンプログラ ミ ング方式は、 稼働中のロボッ ト を停止させなくてもよいため、 プログラ ミ ング中にロボッ ト を拘束することがなく、 生産性を高めることができ、 プログ ラムの変更も容易であるという利点を有する。 その一方、 口 ボッ ト 自身及び作業環境等を表示画面上に 3次元的に忠実に グラフィ ッ ク表示しなければならないという要求がある。 従来、 3次元空間で表示された作業環境下で、 物体の配置 や位置を変更したり、 ロボッ トツールの位置や姿勢を変更し たりする場合等は、 物体の配置や位置又はロボッ トツールの 位置や姿勢等を表す数値を入力し、 その数値に基づいて 3次 元空間で表示された画面全体を書き直すか、 又はス ライ ダを 操作し、 スライダ操作と同時に画面全体を書き直していた。

以下、 図面を用いて従来のォフ ラ イ ンプログラ ミ ング技術 を説明する。

第 9図及び第 1 0図はス ライダ操作と同時に画面全体の書 き直しを行う従来のオフライ ンプログラ ミ ング方式を説明す るための表示画面の一例を示す図である。 本図では表示画面 1のみを示し、 その他の入力キー等は省略してある。

表示画面 1 にはロボッ ト 6の外観や作業環境等 （図示して いない） を 3次元空間で表した 3次元表示領域 2 と、 メ ニュ 一キー 3 と、 カーソル 4 と、 ス ライ ダ 5 とが表示されている _c メ ニューキー 3は表示画面 1の内容や処理内容等を表示す るものである。 カーソル 4はマウス操作に応じて移動し、 メ ニューキー 3等を指定し、 所定のメ ニューを選択するもので ある。 ス ライダ 5は 3次元表示領域 2中のロボッ ト 6の先端 のツール 7の位置や姿勢を制御するものであり、 カーソル 4 を操作することによって所定量だけ移動することができる。 このス ライ ダ 5の移動量に応じて、 3次元表示領域 2内の π ボッ ト 6及びツール 7は移動し、 その姿勢を変更する。

従って、 第 9図に示すような位置及び姿勢にあるロボッ ト 6及びツール 7を第 1 0図に示すような位置及び姿勢に変更 する場合、 カーソル 4でメ ニューキー 3のロボッ ト位置姿勢 変更を指定し、 次にス ライダ 5の移動軸 X、 Y及び Zの移動 量及び回転軸 P、 Q及び Rの回転量をカーソル 4を用いて所 定の位置に移動する。 すると、 3次元表示領域 2の画面では ロボッ ト 6及びツール 7の位置及び姿勢がスライ ダ 5の操作 と同時に画面全体と共に時々刻々と書き換えられ、 最終的に スライダ 5で指定された第 1 0図のようなロボッ トの位置及 び姿勢を表示するようになる。

以上のように、 物体の配置や位置又はロボッ トツールの位 置や姿勢等を表す数値を入力し、 その数値に基づいて 3次元 空間で表示された画面全体の書き直しを行う場合、 数值を基 に 3次元空間上の位置や姿勢等を頭の中で 3次元的に組み立 てなければならず、 操作性が極めて低く、 意図通りの指定を 行うことが困難であり、 相当の時間と熟練を要するという問 題がある。

一方、 第 9図のようにスライダを操作し、 スライ ダ操作と 同時に画面全体の書き直しを行う場合は、 対象となる物体の 移動や πボッ トの姿勢変更等を 3次元空間上で視覚的に把握 できるので、 数値的に設定する場合よりは効率的である。 し かし、 物体の移動、 ロボッ ト及びツールの位置及び姿勢の変 更等をスライ ダ操作と同時に表示するために、 表示画面全体 をスライダ操作に合わせて時々刻々と書き換えなければなら ない。 従って、 表示装置の表示速度が遅い場合には画面書き 換えに時間を要し、 操作性が損なわれるという問題がある。 発 明 の 開 示

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 3次 元空間上で物体の配置や位置又はロボッ トツールの位置や姿 勢等を視覚的に設定し、 確認できる操作性のよい 3次元カー ソル及びそれを用いたオフライ ンプログラ ミ ング方式を提供 することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、

3次元空間を表示する表示画面上で 3次元的な位置及び姿 勢を指定するために、 前記 3次元空間上で互いに直交する 3 つの線分を前記表示画面上に 3線分カーソルとして表示し、 前記 3線分力―ソルを前記 3次元空間上で移動可能としたこ とを特徴とする 3次元カーソルが提供される。

また、 本発明では上記課題を解決するために、 前記 3次元 カーソルを用いて物体の配置又は口ボッ トの位置及び姿勢を 指定することによってロボッ ト制御プログラムを作成するこ とを特徴とするオフラ イ ンプログラ ミ ング方式が提供される _c 3次元空間を表示する表示画面は、 3次元空間を表示画面 上の 2次元平面に変換したものであるから、 従来のような力 ーソルでは 2次元平面である表示画面上での位置を特定する ことはできても、 3次元空間上の位置を特定することはでき ない。 しかし、 本発明のように 3次元空間上で互いに直交す る 3つの線分を表示画面上に 3線分カーソルとして表示し、 その 3線分力一ソルを 3次元空間上で移動可能としたことに よって、 2次元平面で表示された表示画面上で 3次元空間の 位置を指定することができる。 また、 このような 3次元カー ソルを使用して物体の配置又はロボッ トの位置及び姿勢を指 定することによってロボッ ト制御プログラムを容易に作成す ることができる。 図 面 の 簡 単 な 説 明

第 1図は本発明の一実施例である才フ ラ イ ンプログラ ミ ン グ装置の表示画面の一例を示す図、

第 2図及び第 3図は本発明の一実施例であるオ フライ ンプ ログラ ミ ング装置の表示画面の別の例を示す図、

第 4図は本発明の一実施例である 3次元力―ソルを表示す るオフライ ンプログラ ミ ング装置の概略構成を示す図、 第 5図は本実施例の 3次元力一ソルの位置及び姿勢を変更 する場合のフローチ ヤ 一 トを示す図、

第 6図は位置及び姿勢の変更された 3次元力一ソルに応じ てロボッ トの位置及び姿勢を変更する場合のフ ロ ーチ ャー ト を示す図、

第 7図は位置及び姿勢の変更された 3次元カーソルに応じ て作業環境等の物体の配置及び位置を変更する場合のフ口一 チ ャ ー トを示す図、

第 8図は 3次元カーソルの移動終了時に実行する処理を登 録した場合のォフライ ンプログラ ミ ング装置のフロ ーチヤ一 トを示す図、

第 9図及び第 1 0図はス ライダ操作と同時に画面全体の書 き直しを行う従来のオフライ ンプログラ ミ ング方式を説明す るための表示画面の一例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明の一実施例を図面を用いて説明する。 第 4図は本発明の一実施例である 3次元力一ソルを表示す るオフライ ンプログラ ミ ング装置の概略構成を示す図である ( プロセッサ 2 1 は R O M 2 2に格納されたシステムプログ ラ ムに従って装置全体の動作を制御する。 1?〇 1^ 2 2は£ R 〇 M又は E E P R 0 Mで構成される。 R A M 2 3は D R A M等で構成され、 各種のデータや演算処理のためのデータ等 を一時的に記憶する。

浮動小数点渲算用プロセッサ 2 4は 2次元データと 3次元 データとの間の座標変換のための行列式の演算を行う。

グラフィ ッ ク制御回路 2 5はディ ジタル信号を表示用の信 号に変換し、 表示装置 2 6に与える。 表示装置 2 6は C R T あるいは液晶表示装置が使用される。

ハードディスク 2 8は各種のデータを格納するために 1 4 0 Mバイ ト以上の記憶容量を有し、 ハー ドディ ス ク コ ン ト口 ーラ 2 7によって制御される。

入出力ポー ト 2 9は各種のデータの入出力を行うものであ り、 指令キー及びテンキ一等を有するキーボー ド 3 0及び表 示器 2 6のグラフィ ックディスプレイ画面上の力―ソルを移 動するためのマウス 3 1が接続されている。

これらの構成要素はバス 2 0によって互いに結合されてい る o

第 1図は本発明の一実施例であるオフラィ ンプログラ ミ ン グ装置の表示画面の一例を示す図である。 第 1図において、 第 9図と同一の構成要素には同一の符号が付してあるので、 その説明は省略する。 第 2図及び第 3図は本発明の一実施例 であるォフライ ンプログラ ミ ング装置の表示画面の別の例を 示す図である。

本実施例では、 物体の配置や位置又は口ボッ ト ツールの位 置や姿勢等を表すために、 3次元空間上で互いに直交する 3 つの線分を表示画面 1上の 3次元表示領域 2に 3線分 X、 Y 及び Zからなる 3次元カーソルとして表示する。

この 3次元カーソルは右手系をなす 3つの線分 X、 Y及び Zからなる。 3つの線分 X、 Y及び Zの交点 0は 3次元の位 置 （X， Y， Ζ ) を示し、 3つの線分 X、 Υ及び Ζの向きは それぞれ X軸、 Υ軸及び Ζ軸の方向を示す。

本実施例では、 3次元力一ソルの線分 Ζはツール 7の Ζ軸 に一致している。 従って、 表示画面 1上のスライダ 5の移動 軸 X、 Υ及び Ζの移動量及び回転軸 P、 Q及び Rの回転量を カーソル 4を用いて所定の位置に移動すると、 3次元表示領 域 2の画面上で、 3次元力一ソルの位置及び姿勢がスライダ 5の操作と同時に画面上に表示される。

従って、 第 9図のロボッ トの位置及び姿勢を第 1 0図の口 ボッ トの位置及び姿勢に変更する場合は、 スライ ダ 5をカー ソル 4で所定の位置に移動する。 すると、 3次元カーソルの みが第 2図のような位置及び姿勢を表示するようになる。

そこで、 この位置及び姿勢でよい場合は、 カーソル 4でメ ニューキー 3の中からロボッ ト位置姿勢変更キーを指定する と、 第 3図のように指定された 3次元カーソルの位置及び姿 勢に応じて変更されたロボッ トの位置及び姿勢が表示される。

ここで、 3次元カーソルの表示は表示画面 1中の物体及び ロボッ ト 6及ぴツール 7の表示とは独立に行われる。

本実施例の 3次元力一ソルを使用することによって、 3次 元空間における位置及び姿勢を指定する際の操作性が飛躍的 に向上する。

以下、 本実施例の動作を図面を用いて説明する。 第 5図は 本実施例の 3次元力一ソルの位置及び姿勢を変更する場合の フローチャー トを示す図である。 図において、 Sに続く数値 はステップ番号を示す。

〔 S 1 〕 スライ ダ又は数値等を用いて 3次元カーソルの位置 及び姿勢を入力する。

〔 S 2〕 3次元力一ソルのヮールド座標系に対するヮールド 位置を計算する。

〔 S 3〕 S 2で求められたワールド位置に基づいて 3次元力 一ソルの位置及び姿勢をビューィ ング座標系に変換する。

〔 S 4〕 S 3でビューィ ング座標系に変換された 3次元カー ソルの位置及び姿勢を表示装置 2 6の表示座標系に変換する _c

〔 S 5〕 現在表示中の 3次元力一ソルを消去する。

〔 S 6〕 S 5で表示座標系に変換された 3次元カーソルを第 2図のように表示装置 2 6の表示画面 1上に表示する。

3次元カーソルの位置及び姿勢は、 ワールド座標系を基準 として計算されたが、 表示画面上にレイァゥ ト表示されてい る物体に付随する全ての座標系の中から適当に選択した座標 系を基準として計算してもよい。

このようにして、 3次元カーソルの位置及び姿勢の変更が ^了した後、 引き続き第 2図のロボッ ト 6の位置及び姿勢を 第 3図のよ ' —変更する処理が実行される。 第 6図は位置及 び姿勢の変更された 3次元力一ソルに応じて口ボッ トの位置 及び姿勢を変更する場合のフ 口 一チ ャー トを示す図である。 〔 S 7 〕 S 6で変更表示された 3次元カ ーソルを表示画面 1 上で確認しながら、 この 3次元力一ソルの位置及び姿勢で良 い場合は、 メ ニュ ーキー 3 の中から 3次元カ ーソルの位置獲 得キーを指定する。

これによつて、 ロボッ ト 6のツール 7の先端が 3次元力― ソルの位置 （原点 0 ) となり、 ツール 7 ©姿勢が 3次元カ ー ソルの Z軸の方向となる。

〔 S 8 〕 S 7で指定された 3次元カーソルの位置及び姿勢に 基づいてツール 7の位置及び姿勢を計算し、 それを獲得する。

〔 S 9 〕 S 8で獲得されたツール 7の位置及び姿勢に応じて ロボッ ト 6の姿勢を変更する。

〔 S 1 0〕 位置及び姿勢の変更されたロボッ ト 6及びツール

7を第 3図のように表示画面 1上に表示する。

以上のように、 3次元カーソルの表示処理を他の表示画面、 即ち作業環境等を表示する画面等とは独立に行うことにより、 作業環境等の表示の複雑さとは無関係に一定の速度で 3次元 力一ソルを移動することができ、 いかなる表示装置において も画面全体を書き換えることなく高速に 3次元的に位置及び 姿勢の確認ができるようになる。 また、 ロボッ ト 6のツール 7の位置及び姿勢を 3次元力一ソルを使用して指定すること によって、 形状の複雑な口ボッ トの位置及び姿勢を容易かつ 高速に指定することもできる。 以上のフ ローチャー トはロボッ ト 6の位置及び姿勢を変更 するものであるが、 物体の配置及び位置を変更する場合にも 同様に適用できる。 第 7図は位置及び姿勢の変更された 3次 元カーソルに応じて作業環境等の物体の配置及び位置を変更 する場合のフ ロ ーチ ャー トを示す図である。 -

〔 S 1 1 〕 S 6で変更表示された 3次元カーソルを表示画面 1上で見ながら、 この 3次元カーソルの位置及び姿勢で良い 場合は、 メ ニューキー 3の中から 3次元カーソルの位置獲得 キーを指定する。 これによつて、 物体の基準座標系が 3次元 カーソルの位置 （原点 0 ) となり、 物体の基準座標系が 3次 元カーソルの各 X軸、 Y軸及び Z軸と一致する。

〔 S 1 2〕 S 7で指定された 3次元カーソルの位置及び姿勢 に基づいて物体の位置及び配置を計算し、 それを再配置する。

〔 S 1 3〕 S 8で再配置された物体を表示画面 1上に表示す 上述の実施例では、 S 6で変更表示された 3次元カーソル を表示画面 1上で見ながら、 この 3次元力一ソルの位置及び 姿勢で良い場合に、 メ ニューキー 3の中から 3次元カーソル の位置獲得キーを指定することによって、 ツール 7の位置及 び姿勢を獲得し、 ロボッ ト 6の姿勢を変更表示したり、 物体 の位置及び配置を再配置表示したり しているが、 3次元カー ソルが移動し、 その移動が終了した時点で自動的に物体の配 置又はロボッ ト 6の姿勢等を変更して表示するように構成す ることもできる。

第 8図は 3次元力一ソルの移動終了時に実行する処理を登 した場合のオフライ ンプログラ ミ ング装置のフローチャー トを示す図である。 具体的には、 3次元カ ーソルの移動終了 時点で自動的に物体の配置又はロボッ ト 6の姿勢等を変更し て表示するように構成されたものである。

[ S 1 4〕 力一ソル 4でメ ニューキー 3の中からロボッ トテ ィ 一チングモー ド又は物体配置モ一 ドを指定する。

〔 S 1 5〕 3次元力一ソルの移動に追従する口ボッ ト又は物 体を指定する。 このステ ッ プによって、 3次元カーソルの移 動絡了時に実行する処理が登録されたことになる。 即ち、 こ こでは 3次元力一ソルの移動終了後に、 移動後の 3次元カー ソルの位置及び姿勢に応じて指定された口 ボッ ト の位置及び 姿勢又は物体の配置を変更して表示するという処理が登録さ れたことになる。

〔 S 1 6〕 現在表示中の 3次元カーソルの位置及び姿勢と、 S 1 5で指定されたロボッ トのツールの位置及び姿勢又は物 体の基準座標とがー致していない場合に、 両者の位置及び姿 勢が一致するように再表示する。 即ち、 第 2図のように、 3 次元力一ソルとロボッ ト 6のツール 7の位置及び姿勢が一致 していない場合に、 第 1図のように 3次元力一ソルの位置及 び姿勢と指定されたロボッ ト 6のツール 7の位置及び姿勢と を一致させる。

〔 S 1 7〕 第 1図の S 1から S 6の処理によって、 新たに設 定された 3次元カーソルを表示画面 1上に表示する。

C S 1 8〕 S 1 7で求められた 3次元力―ソルの位置及び姿 勢に πボッ ト 6のツール 7の位置及び姿勢又は物体の基準座 標が一致するように、 ロボッ ト 6の姿勢又は物体の配置を変 更して表示する。 即ち、 S 1 7の処理で 3次元力一ソルが移 動し、 その移動が終了した時点で、 第 2図から第 3図のよう に自動的にロボッ ト 6の姿勢等を変更して表示する。 このと き、 3次元カーソルの移動が終了したということは、 マウス 3 1の操作ボタ ンから判断する。

〔 S 1 9〕 カーソル 4を操作してメニューキー 3の中から口 ボッ トティーチングモード又は物体配置モー ドの指定を解除 する。 これによつて、 S 1 5で指定した 3次元カーソルの移 動に追従するロボッ ト又は物体の指定が解除され、 3次元力 ーソルの移動終了時に実行する処理は抹消される。 従って、 これ以降は第 6図又は第 7図のフ ロ ーチャ ー トによって処理 される。

S 1 7及び S 1 8の処理は、 S 1 9の指定解除が行われる まで有効なものとして繰り返し実行される。

以上の処理によつて、 カーソル 4をスライダ 5の位置で操 作するだけで、 3次元カーソルを表示画面 1上で移動し、 そ の移動終了時点の 3次元カーソルの位置及び姿勢に物体の配 置又はロボッ トの位置及び姿勢を自動的に変更表示できるの で、 メ ニューキーの中からロボッ ト姿勢位置変更キーを改め て指定しなくてもよくなり、 マウスの操作性を向上すること ができる。

尚、 上述の実施例では、 表示画面 1上に表示されたスライ ダ 5を使用しているが、 オフ ラ イ ンプログラ ミ ング装置 （ヮ ークステーショ ン） の中にはハードゥヱァとして、 コ ン ト口 ールダイャル装置を装備しているものがあるので、 これをス ライダ 5の代わりに使用してもよいし、 このコ ン ト ロールダ ィ ャル装置を表示画面 1上に表示して、 ス ライダ 5 と同様に カーソル 4で操作できるようにしてもよい。

以上説明したように本発明によれば、 3次元空間上で物体 の配置や位置又はロボッ トツールの位置や姿勢等を視覚的に 設定し、 確認できる操作性のよい 3次元カーソルを提供する ことができる。 また、 この 3次元カーソルを用いてオフライ ンプログラ ミ ングを容易に行えるようになる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 3次元空間を表示する表示画面上で 3次元的な位置及 び姿勢を指定するために、 前記 3次元空間上で互いに直交す る 3つの線分を前記表示画面上に 3線分力一ソルとして表示 し、 前記 3線分カーソルを前記 3次元空間上で移動可能とし たことを特徴とする 3次元カ ーソル。

2 . 前記 3線分カ ーソルの前記 3つの線分の交点は前記位 置を表し、 前記 3線分カーソルの前記 3つの線分のそれぞれ の向きは前記姿勢を表すことを特徵とする特許請求の範囲第 1項記載の 3次元カーソル。

3 . 前記 3線分カ ーソルの前記 3つの線分は右手系で表示 されることを特徴とする特許請求の範囲第 1項記載の 3次元 カ ーソル。

4 . 特許請求の範囲第 1項、 第 2項又は第 3項記載の 3次 元カーソルを用いて物体の配置又は口ボッ トの位置及び姿勢 を指定することによってロボッ ト制御プログラムを作成する ことを特徵とするォフライ ンプログラ ミ ング方式。

5 . 前記 3次元カーソルの表示は前記表示画面中の前記物 体及びロボッ トの表示とは独立に行われることを特徴とする 特許請求の範囲第 4項記載のオフライ ンプ口グラ ミ ング方式 <

6 . 前記 3次元カ ーソルの位置及び姿勢は、 ワール ド座標 系及び前記表示画面上にレイァゥ ト表示されている物体に付 随する全ての座標系の中から選択された座標系を基準とする ことを特徴とする特許請求の範囲第 4項記載のォフ ラ イ ンプ 口グラ ミ ング方式。

7 . 前記 3次元カ ーソルの位置及び姿勢は前記表示画面上 に表示されたスラィ ダ又はコ ン ト ロールダイヤルによって設 定されることを特徵とする特許請求の範囲第 4項記載のォフ ライ ンプログラ ミ ング方式。

8 . 前記 3次元カーソルを前記表示画面上で移動し、 その 移動が終了した時点で次に実行する処理を登録できるように したことを特徴とする特許請求の範囲第 4項記載のオフライ ンプログラ ミ ング方式。

9 . 前記 3次元力一ソルの移動に追従する物体又は口ボッ トを予め指定することによって、 前記 3次元力一ソルを前記 表示画面上で移動し、 その移動が終了した時点で、 移動後の 前記 3次元カーソルの位置及び姿勢に応じて前記指定された 前記物体の配置又は前記ロボッ トの位置及び姿勢を変更して 表示するような処理を前記処理と して登録できるようにした ことを特徴とする特許請求の範囲第 8項記載のオフライ ンプ πグラ ミ ング方式。