７軸多関節ロボットの制御装置および教示方法
【課題】 教示作業時においてロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うことができる７軸多関節ロボットの制御装置および教示方法を提供する。
【解決手段】 ７軸多関節ロボット１の教示を行う教示モードにおいて、所定の平面Ｐｚを設定する設定器２１と、肘部Ｅの動作軌跡が設定器２１により設定された平面Ｐｚ内に制限されるように７軸多関節ロボット１を動作制御する制御器２３と、手先１１の位置が教示された場合に、肘部Ｅの動作の制限を拘束条件として、手先１１の位置変化に基づく各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算器２２とを備えている。
【解決手段】 ７軸多関節ロボット１の教示を行う教示モードにおいて、所定の平面Ｐｚを設定する設定器２１と、肘部Ｅの動作軌跡が設定器２１により設定された平面Ｐｚ内に制限されるように７軸多関節ロボット１を動作制御する制御器２３と、手先１１の位置が教示された場合に、肘部Ｅの動作の制限を拘束条件として、手先１１の位置変化に基づく各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算器２２とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、７軸多関節ロボットの制御装置および教示方法に関し、特に教示時における７軸多関節ロボットにおける肘部の動作制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来から広く用いられている６軸の多関節ロボットにさらに１軸（冗長軸）を追加した７軸多関節ロボットが開発されている。７軸多関節ロボットにおいても、６軸多関節ロボットの場合と同様に、手首の位置および姿勢から各関節の回転軸の回転角度を逆変換演算にて求めている。しかしながら、６軸多関節ロボットにおいては、手首の位置および姿勢を指定すると、各軸の回転位置が一義的に決定されるが、７軸多関節ロボットにおいては、手首の位置および姿勢を指定しても、各軸の回転位置が一義的に決定されない。これは、冗長軸の存在により、手先の位置を保持した状態で肘部の位置を変更することが可能であるからである。従って、７軸多関節ロボットにおいては、周囲の障害物への影響を考慮すると、手首の位置および姿勢だけでなく多関節ロボット全体の位置および姿勢を教示する必要がある。
【０００３】
ここで、７軸多関節ロボットの制御方法としては、冗長軸を固定した状態で制御する態様（例えば特許文献１参照）や肘部の角度が一定になるように制御する態様が知られている。また、７軸多関節ロボットの教示方法として、ロボットアームの動作領域を複数の領域に分割して、当該分割された領域ごとにロボットアームの基準位置および基準姿勢を予め教示しておく態様も知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２５８９２号公報
【特許文献２】特開２００９−２２６５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のように冗長軸を固定した状態で制御すると、結果として６軸多関節ロボットとしての機能しか発揮できず、適切な教示を行うことができない。また、肘部の角度が一定になるように制御しても、肘の位置は大きく動いてしまうため、ロボット全体の姿勢が大きく変化することになり、適切な教示を行うことができない。また、特許文献２のような態様では、分割された領域ごとにロボットアームの基準位置および基準姿勢を教示するために試行錯誤が必要となる。しかも、依然として肘部などが作業者にとって思いがけない方向へ動き、周辺機器と干渉する可能性があり、ロボットの動作速度を遅くして教示作業を行う等の必要が生じ、教示に手間がかかる。さらに、結果として生成されたロボット動作において、手首位置が新たな領域に入るたびに必ずロボットが当該領域における基準位置および基準姿勢をとることとなるため、ロボットに無駄な動作が生じ、作業時間が長くなる問題がある。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、教示作業時においてロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うことができる７軸多関節ロボットの制御装置および教示方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るロボット制御装置は、先端に設けられた手先と基台から当該手先に向かって順に設けられた７つの関節とを具備し、前記７つの関節が回転軸をそれぞれ有しかつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成することで、前記基台から順に３軸の肩部、１軸の肘部および３軸の手首部を実現している７軸多関節ロボットの制御装置であって、前記７軸多関節ロボットの教示を行う教示モードにおいて、所定の平面を設定する設定器と、前記肘部の動作軌跡が前記設定器により設定された前記平面内に制限されるように前記７軸多関節ロボットを動作制御する制御器と、前記手先の位置が教示された場合に、前記肘部の動作の制限を拘束条件として、前記手先の位置変化に基づく各回転軸の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算器とを備えている。
【０００８】
上記構成によれば、手先の位置を教示する際に、手先に次いでロボット全体の動作に影響が大きい肘部の移動を所定の平面内に制限させることができる。これにより、教示作業時において肘部の動作軌跡がイメージし易くなることにより、ロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うことができる。
【０００９】
前記肘部の動作が制限される平面は、前記７軸多関節ロボットの基台を基準に設定されるベース座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面、または、前記７軸多関節ロボットの手先を基準に設定されるツール座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面であってもよい。
【００１０】
さらに、前記肘部の動作が制限される平面は、前記ベース座標系の座標軸のうちの高さ方向軸の座標を所定値に固定した平面であり、前記演算器は、前記肩部の回転軸のうち前記基台の平面に平行な回転軸の回転角度が一定であることを前記拘束条件として前記逆変換演算を行ってもよい。
【００１１】
前記設定器は、前記７軸多関節ロボットの教示を行うための入力装置に設けられた所定の設定ボタンが、前記肘部が所定の位置に位置した状態で操作入力されることにより前記所定の平面の設定を行い、前記所定の位置を含む前記平面内に前記肘部の移動が制限されてもよい。これにより、肘部の移動を制限する平面を実際の障害物を考慮しながら容易かつ適切に設定することができる。
【００１２】
また、本発明に係る７軸多関節ロボットの教示方法は、先端に設けられた手先と基台から当該手先に向かって順に設けられた７つの関節とを具備し、前記７つの関節が回転軸をそれぞれ有しかつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成することで、前記基台から順に３軸の肩部、１軸の肘部および３軸の手首部を実現している７軸多関節ロボットの教示方法であって、所定の平面を設定する設定手順と、前記７軸多関節ロボットを前記肘部の動作軌跡が前記平面内に制限されるように移動制御する制御手順と、前記手先の位置が教示された場合に、前記肘部の動作の制限を拘束条件として、前記手先の位置変化に基づく各回転軸の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算手順とを含むものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上に説明したように構成され、教示作業時においてロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係る７軸多関節ロボットとロボット制御装置とを有するロボットシステムの構成を示したブロック図である。
【図２】図２は図１に示すロボットシステムにおける７軸多関節ロボットの動作軌跡を示す概念図である。
【図３】図３は図１に示すロボットシステムにおける入力装置の概略構成を示す平面図である。
【図４】図４は図１に示すロボット制御装置における教示モードの流れを示すフローチャートである。
【図５】図５は図１に示すロボットシステムにおける７軸多関節ロボットの肘部の位置を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態に係る７軸多関節ロボットとロボット制御装置とを有するロボットシステムの構成を示したブロック図である。図１に示すように、本実施形態のロボット制御装置２は、７つの回転軸（動作軸）を有する７軸多関節ロボット１の動作制御に適用される。７軸多関節ロボット１は、先端に設けられた手先１１と基台１２から当該手先１１に向かって順に設けられた７つの関節ＪＴ１，ＪＴ２，ＪＴ７，ＪＴ３，ＪＴ４，ＪＴ５，ＪＴ６とを具備している。７つの関節ＪＴ１〜ＪＴ７は、それぞれ回転軸Ａ１〜Ａ７をそれぞれ有している。そして、７軸多関節ロボット１は、それぞれの回転軸Ａ１〜Ａ７周りに次の関節を回転させるように構成する（すなわち、隣り合う関節の回転軸が実質的に互いに垂直となるように構成する）ことで、基台１２から順に３軸の肩部Ｓ、１軸の肘部Ｅおよび３軸の手首部Ｗを実現している。なお、本実施形態においては、７軸多関節ロボット１は、基台１２が作業スペース下側の床面に設置されるいわゆる床置き型の垂直多関節ロボットとして構成されている。７軸多関節ロボット１は、基台１２上に設けられ、第１関節ＪＴ１として構成される旋回台１３と、各関節間に設けられるアーム部材（リンク部材）１４〜１９とを有している。
【００１７】
言い換えると、７軸多関節ロボット１は、基台１２から手先１１に向って順に設けられた６つの関節ＪＴ１〜ＪＴ６を具備し、６つの関節ＪＴ１〜ＪＴ６が第１乃至第６回転軸Ａ１〜Ａ６をそれぞれ有し、かつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成された６軸多関節ロボットにおいて、第２関節ＪＴ２（第２回転軸Ａ２）と第３関節ＪＴ３（第３回転軸Ａ３）との間に冗長軸として第７関節ＪＴ７の第７回転軸Ａ７が設けられたものであり、第７関節ＪＴ７の第７回転軸Ａ７が第２回転軸Ａ２および第３回転軸Ａ３に対して垂直となるように配設されている。
【００１８】
第６回転軸Ａ６には、例えばアタッチメント、ハンド、ツール、エンドエフェクタ等の様々なツール部材が取り付けられて手先１１が形成されている。
【００１９】
本実施形態の７軸多関節ロボット１は、手首部Ｗを構成する回転軸Ａ４〜Ａ６の３軸が１点で交わるように構成される一方、肩部Ｓを構成する回転軸Ａ１，Ａ２，Ａ７は１点で交わらず、第１回転軸Ａ１に対して第２回転軸Ａ２および第７回転軸Ａ７がオフセットされた構成を有している。
【００２０】
また、本実施形態のロボットシステムは、７軸多関節ロボット１の動作を制御する制御装置２を備えている。具体的には、制御装置２は、７軸多関節ロボット１の第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７が具備するサーボモータをサーボ制御することにより、手先１１を任意の位置および姿勢に任意の経路に沿って移動させる。本実施形態の制御装置２においては、７軸多関節ロボット１の各関節（各回転軸）の位置を基台１２を原点とした直交座標系であるベース座標系および手先１１を原点とした直交座標系であるツール座標系で把握することができるように設定されている。
【００２１】
また、７軸多関節ロボット１の第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７には、それぞれサーボモータおよび位置検出器（ともに図示せず）が設けられている。位置検出器は、例えば、ロータリエンコーダで構成されている。制御装置２の制御指令に基づいて各サーボモータを駆動することにより、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７において第１乃至第７回転軸Ａ１〜Ａ７周りの回転動作が行われる。なお、各サーボモータは互いに独立して駆動することが可能である。また、各サーボモータが駆動されると、対応する位置検出器によって各サーボモータの各回転軸Ａ１〜Ａ７周りの回転角度（回転位置）の検出が行われる。
【００２２】
さらに、本実施形態のロボットシステムは、７軸多関節ロボット１の動作を教示するための入力装置３を備えている。入力装置３は、例えばティーチペンダントにより構成される（詳しくは後述する）。制御装置２は、入力装置３によって入力された教示操作に基づいて、教示モードを実行し、７軸多関節ロボット１の各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度（回転位置）を演算する。
【００２３】
制御装置２は、７軸多関節ロボット１の教示を行う教示モードにおいて、所定の平面Ｐｚ（後述）を設定する設定器２１と、肘部Ｅの動作軌跡が設定器２１により設定された平面Ｐｚ内に制限されるように７軸多関節ロボット１を動作制御する制御器２３と、手先１１の位置および姿勢が教示された場合に、肘部Ｅの動作の制限を拘束条件として、手先１１の位置変化に基づく各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算器２２とを備えている。制御装置２は、例えば、マイクロコントローラを備えており、このマイクロコントローラのＣＰＵが設定器２１、演算器２２、制御器２３として機能し、このマイクロコントローラの内部メモリが下記各演算処理を行うプログラムおよび各種データを記憶する記憶部として機能してもよい。
【００２４】
オペレータが入力装置３を操作することにより、制御装置２に、オペレータの操作に応じた７軸多関節ロボット１の教示操作（動作指令）が入力されると、演算器２２は、入力された教示操作に基づいて、手先１１が位置すべき目標位置を算出する。この目標位置は、操作時間と手先１１の移動速度の設定値等から求められる移動距離とに基づいて算出される。さらに、演算器２２は、目標位置に基づく各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する逆変換演算を行う。そして、制御器２３は、演算された各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度と各回転軸Ａ１〜Ａ７の移動前の回転位置との偏差に基づき、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７に設けられたサーボモータの動作量の指令値を演算し、各サーボモータに出力する。これにより、手先１１が目標位置に移動する。
【００２５】
制御装置２は、本実施形態のロボットシステムにおいて７軸多関節ロボット１に対する教示操作を行うための教示モードを有している。制御装置２は、教示モードにおいて、入力装置３を用いて７軸多関節ロボット１の手先１１の位置を順に教示することにより、各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度をその都度演算する。
【００２６】
図２は図１に示すロボットシステムにおける７軸多関節ロボットの動作軌跡を示す概念図である。図２においては破線で示す各関節の位置（変更後の位置と異なる関節および手先をＪＴ２’〜ＪＴ７’および１１’で示す）から実線で示す各関節の位置へ移動した場合の状態を示す。この移動は、手先１１を破線で示す手先１１’の位置αからｙ軸方向へ所定距離移動させて位置βに位置させるものである。本実施形態の制御装置２は、７軸多関節ロボット１の教示モードにおいて、入力装置３からの操作入力に応じて肘部Ｅの動作軌跡が所定の平面Ｐｚ内に制限されるように制御する。例えば、図２に示すように、制御装置２は、肘部Ｅの動作軌跡がベース座標系におけるｚ軸（高さ方向軸）の座標を所定値に固定した平面（ベース座標系のＸ軸およびＹ軸を含むＸＹ平面に平行な平面）Ｐｚ内に制限されるように制御する。すなわち、制御装置２は、手先１１を位置αから位置βへ移動させた際、肘部Ｅを構成する第３関節ＪＴ３が平面Ｐｚ内を移動するように制御する。
【００２７】
図３は図１に示すロボットシステムにおける入力装置の概略構成を示す平面図である。図３に示すように、本実施形態における入力装置３は、各種操作入力を行うことができる入力ボタン群３１と、入力結果や基本設定等の各種情報を表示するとともに、各種設定入力も行うことができるタッチパネル３２とを有しており、これらを用いて７軸多関節ロボット１の教示入力を行うことができるように構成されている。入力ボタン群３１には、タッチパネル３２に表示されるカーソルの操作等を行うための入力ボタン３１１および正値入力（＋）と負値入力（−）とが一対となった複数対のボタン列３１２が含まれる。複数対のボタン列３１２は、例えばベース座標系の並進座標軸および各軸周りの回転方向ごとに＋または−を入力操作することにより手先１１を所定の方向へ移動させたり、関節ＪＴ１〜ＪＴ７ごとに＋または−を入力することにより対応する関節ＪＴ１〜ＪＴ７を移動させたりすることが可能である。複数対のボタン列３１２の機能の切り替えはタッチパネル３２や入力ボタン群３１の他のボタンを操作入力することにより実行される。
【００２８】
タッチパネル３２は、教示モードにおいて、肘部Ｅの動作を制限する平面の固定方向（座標を固定する軸方向）を指定する肘部固定方向選択タッチ入力部３２１と、肘部Ｅの動作を制限する制御（移動制限制御）を行うか否かを決定する移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２とを表示しかつ当該表示された部分をタッチすることにより操作入力可能に構成されている。肘部固定方向選択タッチ入力部３２１に表示されたベース座標系の座標軸のいずれかを選択する（図３においてはｚ軸が選択されている）ことにより、固定方向が指定される。
【００２９】
さらに、入力装置３を操作して肘部Ｅが所望の位置に位置させた状態で移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２をオンに操作することにより、当該肘部Ｅの位置座標のうち肘部固定方向選択タッチ入力部３２１で選択された座標軸の座標が固定される。すなわち、移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２をオン操作したときの肘部Ｅの位置を含む平面が肘部Ｅの移動を制限する平面（肘部移動制限平面）として設定され当該平面（肘部固定方向選択タッチ入力部３２１で設定した平面）内に肘部Ｅの移動が制限される。これにより、肘部Ｅの移動を制限する平面を実際の障害物を考慮しながら容易かつ適切に設定することができる。
【００３０】
以下、教示モードにおける処理について順に説明する。図４は図１に示すロボット制御装置における教示モードの流れを示すフローチャートである。まず、制御装置２は、入力装置３の肘部固定方向選択タッチ入力部３２１により固定方向が選択されているか否かを判定する（ステップＳ１）。固定方向が選択されていない場合には（ステップＳ１でＮｏ）、後述するステップＳ５に進む。入力装置３により固定方向が選択されている場合には（ステップＳ１でＹｅｓ）、固定方向を設定する（ステップＳ２）。図２および図３の例においてはｚ軸が固定方向として設定されている。また、制御装置２は、入力装置３の肘部移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２により肘部移動制限制御がオン入力されて（ステップＳ３）、肘部移動制限平面（Ｐｚ）を設定する（ステップＳ４）。オフ設定の場合には後述するステップＳ５に進む。
【００３１】
また、制御装置２は、入力装置３の複数対のボタン列３１２が操作入力されることにより教示操作が入力されるか否かを判定する（ステップＳ５）。教示操作が入力されていない場合（ステップＳ５でＮｏ）には、ステップＳ１に戻る。教示操作が入力された場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、制御装置２は、肘部Ｅの移動を制限する肘部移動制限平面（Ｐｚ）が設定されているか否かを判定する（ステップＳ６）。移動制限平面が設定されていない場合（ステップＳ１またはＳ３でＮｏによりステップＳ６でＮｏ）、制御装置２は、演算器２２として機能し、肘部Ｅの移動を制限するような拘束条件を設定することなく、通常の逆変換演算処理を行い、手先１１の位置から各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する（ステップＳ８）。
【００３２】
一方、肘部移動制限平面（Ｐｚ）が設定されている場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、制御装置２は、設定された肘部移動制限平面（Ｐｚ）に応じた拘束条件を設定する（ステップＳ７）。そして、制御装置２は、演算器２２として機能し、肘部Ｅの移動の制限を拘束条件として逆変換演算を行い、手先１１の位置変化に基づく各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する（ステップＳ８）。逆変換演算においては拘束条件に応じて解析解を得るための演算式を使い分けたり、収束演算における収束条件を変更するなどの処理が行われる。
【００３３】
例えば、図２および図３に例示するように、肘部Ｅの移動を制限する肘部移動制限平面をｚ軸の座標を固定した平面Ｐｚとする場合には、演算器２２として機能する制御装置２は、肩部Ｓの回転軸Ａ１，Ａ２，Ａ７のうち基台１２の平面（ベース座標系のＸＹ平面）に平行な回転軸Ａ２の回転角度が一定であることを拘束条件として逆変換演算を行う。すなわち、肘部Ｅのｚ軸座標は、第２関節ＪＴ２の回転軸Ａ２の回転角度のみで決定されるため、回転軸Ａ２を所定値に固定する拘束条件を適用することにより、肘部Ｅの動作軌跡を肘部移動制限平面Ｐｚ内に制限することができる。
【００３４】
なお、肘部Ｅの移動を制限する肘部移動制限平面をｘ軸の座標を固定した平面Ｐｘとする場合またはｙ軸の座標を固定した平面Ｐｙとする場合には、第１関節ＪＴ１の回転軸Ａ１および第２関節ＪＴ２の回転軸Ａ２に拘束条件を適用することにより、同様に、肘部Ｅの動作軌跡をそれぞれ各平面内に制限することができる。
【００３５】
より具体的に説明する。図５は図１に示すロボットシステムにおける７軸多関節ロボットの肘部の位置を説明するための概念図である。図５（ａ）は斜視図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）における平面図を示す。なお、図５（ｂ）においては肘部Ｅより手先１１側は図示を省略している。図５に示すように、第１関節ＪＴ１の回転軸Ａ１と第２関節ＪＴ２の回転軸Ａ２との鉛直距離（高さ）をＬ１ｖとし、水平距離をＬ１ｈとし、第２関節ＪＴ２の回転軸Ａ２と第３関節ＪＴ３の回転軸Ａ３との距離をＬ２とし、第１関節ＪＴ１と第２関節ＪＴ２との間のアーム部材１４のＸ軸に対する角度をθ１とし、第２関節ＪＴ２と第３関節ＪＴ３との間のアーム部材１５，１６の水平面に対する角度をθ２とする。このとき、第２関節ＪＴ２と第３関節ＪＴ３との間の鉛直距離（高さ）Ｌ２ｖは、Ｌ２ｖ＝Ｌ２ｓｉｎθ２で表わされる。また、第２関節ＪＴ２と第３関節ＪＴ３との間の水平距離Ｌ２ｈは、Ｌ２ｈ＝Ｌ２ｃｏｓθ２で表わされる。従って、肘部Ｅ（第３関節ＪＴ３）のｚ軸座標Ｚｅは、Ｚｅ＝Ｌ１ｖ＋Ｌ２ｓｉｎθ２で表わされ、肘部Ｅ（第３関節ＪＴ３）のｘ軸座標Ｘｅは、Ｘｅ＝（Ｌ２ｈ＋Ｌ１ｈ）ｃｏｓθ１＝（Ｌ２ｃｏｓθ２＋Ｌ１ｈ）ｃｏｓθ１で表わされ、肘部Ｅ（第３関節ＪＴ３）のｙ軸座標Ｙｅは、Ｙｅ＝（Ｌ２ｈ＋Ｌ１ｈ）ｓｉｎθ１＝（Ｌ２ｃｏｓθ２＋Ｌ１ｈ）ｓｉｎθ１で表わされる。このように、固定方向に対応する座標表現を拘束条件とすることにより、肘部Ｅの動作軌跡を対応する肘部移動制限平面内に制限することができる。
【００３６】
上記のような逆変換演算処理の結果、制御装置２は、制御器２３として機能し、演算された各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度に応じて各回転軸Ａ１〜Ａ７（各関節ＪＴ１〜ＪＴ７）の動作を制御する（ステップＳ９）。
【００３７】
上記構成によれば、手先１１の位置を教示する際に、手先１１に次いでロボット全体の動作に影響が大きい肘部Ｅの移動を所定の平面（Ｐｚ）内に制限させることができる。これにより、教示作業時において肘部Ｅの動作軌跡が３次元（空間）から２次元（平面）に落とし込まれるため、肘部Ｅの動作軌跡がイメージし易くなる。従って、ロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うことができる。これにより、作業工数を削減したり、ライン立ち上げ時間を短縮することができる。
【００３８】
例えば、作業対象であるワークの下回りで作業を行う場合、７軸多関節ロボット１全体がワークが存在する高さより低い状態で作業する必要がある。このような場合に、肘部Ｅのｚ軸座標を固定して肘部Ｅの移動を所定の平面Ｐｚ内に制限することにより、７軸多関節ロボット１が不用意にワークに接触することを防止しつつ、７軸多関節ロボット１を適切かつ迅速に教示することができる（教示の際に手先１１の位置のみに注視することができる）。同様に、ワークの形状や隣接するロボットなどの障害物の位置に応じて肘部の移動を制限する平面を適宜設定することにより、７軸多関節ロボット１が不用意にワークや障害部に接触することを防止しつつ、７軸多関節ロボット１を適切かつ迅速に教示することができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。
【００４０】
例えば、本実施形態において、肘部Ｅの動作が制限される平面は、ベース座標系に基づいて設定されているが、本発明はこれに限られず、例えばツール座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面として設定されてもよいし、他の座標系に基づいて設定されてもよい。また、各座標系の座標軸に垂直な平面だけでなく座標軸に対して斜めの平面を設定することも可能である。
【００４１】
また、本実施形態においては、平面の指定手段として、肘部Ｅの位置が所望の位置に位置している状態で入力装置３の移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２を操作する態様を説明したが、本発明は所定の平面が適切に設定される限りこれに限られない。例えば、予め制御装置２に入力装置３や別の入力手段を用いて所定の平面の式や固定する座標およびその座標位置を入力することにより予め所定の平面を設定することとしてもよいし、入力装置３を用いて７軸多関節ロボット１を教示操作して、手先１１における所望の３点を入力し、当該３点を含む平面を所定の平面として設定することとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の７軸多関節ロボットの制御装置および教示方法は、教示作業時においてロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うために有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１ ７軸多関節ロボット
２ 制御装置
３ 入力装置
１１ 手先
１２ 基台
１３ 旋回台
１４〜１９ アーム部材
２１ 設定器
２２ 演算器
２３ 制御器
３１ 入力ボタン群
３２ タッチパネル
３１１ 入力ボタン
３１２ 複数対のボタン列
３２１ 肘部固定方向選択タッチ入力部
３２２ 肘部移動制限制御オンオフタッチ入力部
Ａ１〜Ａ７ 回転軸
Ｅ 肘部
ＪＴ１〜ＪＴ７ 関節
Ｓ 肩部
Ｗ 手首部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、７軸多関節ロボットの制御装置および教示方法に関し、特に教示時における７軸多関節ロボットにおける肘部の動作制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来から広く用いられている６軸の多関節ロボットにさらに１軸（冗長軸）を追加した７軸多関節ロボットが開発されている。７軸多関節ロボットにおいても、６軸多関節ロボットの場合と同様に、手首の位置および姿勢から各関節の回転軸の回転角度を逆変換演算にて求めている。しかしながら、６軸多関節ロボットにおいては、手首の位置および姿勢を指定すると、各軸の回転位置が一義的に決定されるが、７軸多関節ロボットにおいては、手首の位置および姿勢を指定しても、各軸の回転位置が一義的に決定されない。これは、冗長軸の存在により、手先の位置を保持した状態で肘部の位置を変更することが可能であるからである。従って、７軸多関節ロボットにおいては、周囲の障害物への影響を考慮すると、手首の位置および姿勢だけでなく多関節ロボット全体の位置および姿勢を教示する必要がある。
【０００３】
ここで、７軸多関節ロボットの制御方法としては、冗長軸を固定した状態で制御する態様（例えば特許文献１参照）や肘部の角度が一定になるように制御する態様が知られている。また、７軸多関節ロボットの教示方法として、ロボットアームの動作領域を複数の領域に分割して、当該分割された領域ごとにロボットアームの基準位置および基準姿勢を予め教示しておく態様も知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１２５８９２号公報
【特許文献２】特開２００９−２２６５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のように冗長軸を固定した状態で制御すると、結果として６軸多関節ロボットとしての機能しか発揮できず、適切な教示を行うことができない。また、肘部の角度が一定になるように制御しても、肘の位置は大きく動いてしまうため、ロボット全体の姿勢が大きく変化することになり、適切な教示を行うことができない。また、特許文献２のような態様では、分割された領域ごとにロボットアームの基準位置および基準姿勢を教示するために試行錯誤が必要となる。しかも、依然として肘部などが作業者にとって思いがけない方向へ動き、周辺機器と干渉する可能性があり、ロボットの動作速度を遅くして教示作業を行う等の必要が生じ、教示に手間がかかる。さらに、結果として生成されたロボット動作において、手首位置が新たな領域に入るたびに必ずロボットが当該領域における基準位置および基準姿勢をとることとなるため、ロボットに無駄な動作が生じ、作業時間が長くなる問題がある。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、教示作業時においてロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うことができる７軸多関節ロボットの制御装置および教示方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るロボット制御装置は、先端に設けられた手先と基台から当該手先に向かって順に設けられた７つの関節とを具備し、前記７つの関節が回転軸をそれぞれ有しかつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成することで、前記基台から順に３軸の肩部、１軸の肘部および３軸の手首部を実現している７軸多関節ロボットの制御装置であって、前記７軸多関節ロボットの教示を行う教示モードにおいて、所定の平面を設定する設定器と、前記肘部の動作軌跡が前記設定器により設定された前記平面内に制限されるように前記７軸多関節ロボットを動作制御する制御器と、前記手先の位置が教示された場合に、前記肘部の動作の制限を拘束条件として、前記手先の位置変化に基づく各回転軸の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算器とを備えている。
【０００８】
上記構成によれば、手先の位置を教示する際に、手先に次いでロボット全体の動作に影響が大きい肘部の移動を所定の平面内に制限させることができる。これにより、教示作業時において肘部の動作軌跡がイメージし易くなることにより、ロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うことができる。
【０００９】
前記肘部の動作が制限される平面は、前記７軸多関節ロボットの基台を基準に設定されるベース座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面、または、前記７軸多関節ロボットの手先を基準に設定されるツール座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面であってもよい。
【００１０】
さらに、前記肘部の動作が制限される平面は、前記ベース座標系の座標軸のうちの高さ方向軸の座標を所定値に固定した平面であり、前記演算器は、前記肩部の回転軸のうち前記基台の平面に平行な回転軸の回転角度が一定であることを前記拘束条件として前記逆変換演算を行ってもよい。
【００１１】
前記設定器は、前記７軸多関節ロボットの教示を行うための入力装置に設けられた所定の設定ボタンが、前記肘部が所定の位置に位置した状態で操作入力されることにより前記所定の平面の設定を行い、前記所定の位置を含む前記平面内に前記肘部の移動が制限されてもよい。これにより、肘部の移動を制限する平面を実際の障害物を考慮しながら容易かつ適切に設定することができる。
【００１２】
また、本発明に係る７軸多関節ロボットの教示方法は、先端に設けられた手先と基台から当該手先に向かって順に設けられた７つの関節とを具備し、前記７つの関節が回転軸をそれぞれ有しかつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成することで、前記基台から順に３軸の肩部、１軸の肘部および３軸の手首部を実現している７軸多関節ロボットの教示方法であって、所定の平面を設定する設定手順と、前記７軸多関節ロボットを前記肘部の動作軌跡が前記平面内に制限されるように移動制御する制御手順と、前記手先の位置が教示された場合に、前記肘部の動作の制限を拘束条件として、前記手先の位置変化に基づく各回転軸の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算手順とを含むものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上に説明したように構成され、教示作業時においてロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係る７軸多関節ロボットとロボット制御装置とを有するロボットシステムの構成を示したブロック図である。
【図２】図２は図１に示すロボットシステムにおける７軸多関節ロボットの動作軌跡を示す概念図である。
【図３】図３は図１に示すロボットシステムにおける入力装置の概略構成を示す平面図である。
【図４】図４は図１に示すロボット制御装置における教示モードの流れを示すフローチャートである。
【図５】図５は図１に示すロボットシステムにおける７軸多関節ロボットの肘部の位置を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態に係る７軸多関節ロボットとロボット制御装置とを有するロボットシステムの構成を示したブロック図である。図１に示すように、本実施形態のロボット制御装置２は、７つの回転軸（動作軸）を有する７軸多関節ロボット１の動作制御に適用される。７軸多関節ロボット１は、先端に設けられた手先１１と基台１２から当該手先１１に向かって順に設けられた７つの関節ＪＴ１，ＪＴ２，ＪＴ７，ＪＴ３，ＪＴ４，ＪＴ５，ＪＴ６とを具備している。７つの関節ＪＴ１〜ＪＴ７は、それぞれ回転軸Ａ１〜Ａ７をそれぞれ有している。そして、７軸多関節ロボット１は、それぞれの回転軸Ａ１〜Ａ７周りに次の関節を回転させるように構成する（すなわち、隣り合う関節の回転軸が実質的に互いに垂直となるように構成する）ことで、基台１２から順に３軸の肩部Ｓ、１軸の肘部Ｅおよび３軸の手首部Ｗを実現している。なお、本実施形態においては、７軸多関節ロボット１は、基台１２が作業スペース下側の床面に設置されるいわゆる床置き型の垂直多関節ロボットとして構成されている。７軸多関節ロボット１は、基台１２上に設けられ、第１関節ＪＴ１として構成される旋回台１３と、各関節間に設けられるアーム部材（リンク部材）１４〜１９とを有している。
【００１７】
言い換えると、７軸多関節ロボット１は、基台１２から手先１１に向って順に設けられた６つの関節ＪＴ１〜ＪＴ６を具備し、６つの関節ＪＴ１〜ＪＴ６が第１乃至第６回転軸Ａ１〜Ａ６をそれぞれ有し、かつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成された６軸多関節ロボットにおいて、第２関節ＪＴ２（第２回転軸Ａ２）と第３関節ＪＴ３（第３回転軸Ａ３）との間に冗長軸として第７関節ＪＴ７の第７回転軸Ａ７が設けられたものであり、第７関節ＪＴ７の第７回転軸Ａ７が第２回転軸Ａ２および第３回転軸Ａ３に対して垂直となるように配設されている。
【００１８】
第６回転軸Ａ６には、例えばアタッチメント、ハンド、ツール、エンドエフェクタ等の様々なツール部材が取り付けられて手先１１が形成されている。
【００１９】
本実施形態の７軸多関節ロボット１は、手首部Ｗを構成する回転軸Ａ４〜Ａ６の３軸が１点で交わるように構成される一方、肩部Ｓを構成する回転軸Ａ１，Ａ２，Ａ７は１点で交わらず、第１回転軸Ａ１に対して第２回転軸Ａ２および第７回転軸Ａ７がオフセットされた構成を有している。
【００２０】
また、本実施形態のロボットシステムは、７軸多関節ロボット１の動作を制御する制御装置２を備えている。具体的には、制御装置２は、７軸多関節ロボット１の第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７が具備するサーボモータをサーボ制御することにより、手先１１を任意の位置および姿勢に任意の経路に沿って移動させる。本実施形態の制御装置２においては、７軸多関節ロボット１の各関節（各回転軸）の位置を基台１２を原点とした直交座標系であるベース座標系および手先１１を原点とした直交座標系であるツール座標系で把握することができるように設定されている。
【００２１】
また、７軸多関節ロボット１の第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７には、それぞれサーボモータおよび位置検出器（ともに図示せず）が設けられている。位置検出器は、例えば、ロータリエンコーダで構成されている。制御装置２の制御指令に基づいて各サーボモータを駆動することにより、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７において第１乃至第７回転軸Ａ１〜Ａ７周りの回転動作が行われる。なお、各サーボモータは互いに独立して駆動することが可能である。また、各サーボモータが駆動されると、対応する位置検出器によって各サーボモータの各回転軸Ａ１〜Ａ７周りの回転角度（回転位置）の検出が行われる。
【００２２】
さらに、本実施形態のロボットシステムは、７軸多関節ロボット１の動作を教示するための入力装置３を備えている。入力装置３は、例えばティーチペンダントにより構成される（詳しくは後述する）。制御装置２は、入力装置３によって入力された教示操作に基づいて、教示モードを実行し、７軸多関節ロボット１の各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度（回転位置）を演算する。
【００２３】
制御装置２は、７軸多関節ロボット１の教示を行う教示モードにおいて、所定の平面Ｐｚ（後述）を設定する設定器２１と、肘部Ｅの動作軌跡が設定器２１により設定された平面Ｐｚ内に制限されるように７軸多関節ロボット１を動作制御する制御器２３と、手先１１の位置および姿勢が教示された場合に、肘部Ｅの動作の制限を拘束条件として、手先１１の位置変化に基づく各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算器２２とを備えている。制御装置２は、例えば、マイクロコントローラを備えており、このマイクロコントローラのＣＰＵが設定器２１、演算器２２、制御器２３として機能し、このマイクロコントローラの内部メモリが下記各演算処理を行うプログラムおよび各種データを記憶する記憶部として機能してもよい。
【００２４】
オペレータが入力装置３を操作することにより、制御装置２に、オペレータの操作に応じた７軸多関節ロボット１の教示操作（動作指令）が入力されると、演算器２２は、入力された教示操作に基づいて、手先１１が位置すべき目標位置を算出する。この目標位置は、操作時間と手先１１の移動速度の設定値等から求められる移動距離とに基づいて算出される。さらに、演算器２２は、目標位置に基づく各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する逆変換演算を行う。そして、制御器２３は、演算された各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度と各回転軸Ａ１〜Ａ７の移動前の回転位置との偏差に基づき、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７に設けられたサーボモータの動作量の指令値を演算し、各サーボモータに出力する。これにより、手先１１が目標位置に移動する。
【００２５】
制御装置２は、本実施形態のロボットシステムにおいて７軸多関節ロボット１に対する教示操作を行うための教示モードを有している。制御装置２は、教示モードにおいて、入力装置３を用いて７軸多関節ロボット１の手先１１の位置を順に教示することにより、各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度をその都度演算する。
【００２６】
図２は図１に示すロボットシステムにおける７軸多関節ロボットの動作軌跡を示す概念図である。図２においては破線で示す各関節の位置（変更後の位置と異なる関節および手先をＪＴ２’〜ＪＴ７’および１１’で示す）から実線で示す各関節の位置へ移動した場合の状態を示す。この移動は、手先１１を破線で示す手先１１’の位置αからｙ軸方向へ所定距離移動させて位置βに位置させるものである。本実施形態の制御装置２は、７軸多関節ロボット１の教示モードにおいて、入力装置３からの操作入力に応じて肘部Ｅの動作軌跡が所定の平面Ｐｚ内に制限されるように制御する。例えば、図２に示すように、制御装置２は、肘部Ｅの動作軌跡がベース座標系におけるｚ軸（高さ方向軸）の座標を所定値に固定した平面（ベース座標系のＸ軸およびＹ軸を含むＸＹ平面に平行な平面）Ｐｚ内に制限されるように制御する。すなわち、制御装置２は、手先１１を位置αから位置βへ移動させた際、肘部Ｅを構成する第３関節ＪＴ３が平面Ｐｚ内を移動するように制御する。
【００２７】
図３は図１に示すロボットシステムにおける入力装置の概略構成を示す平面図である。図３に示すように、本実施形態における入力装置３は、各種操作入力を行うことができる入力ボタン群３１と、入力結果や基本設定等の各種情報を表示するとともに、各種設定入力も行うことができるタッチパネル３２とを有しており、これらを用いて７軸多関節ロボット１の教示入力を行うことができるように構成されている。入力ボタン群３１には、タッチパネル３２に表示されるカーソルの操作等を行うための入力ボタン３１１および正値入力（＋）と負値入力（−）とが一対となった複数対のボタン列３１２が含まれる。複数対のボタン列３１２は、例えばベース座標系の並進座標軸および各軸周りの回転方向ごとに＋または−を入力操作することにより手先１１を所定の方向へ移動させたり、関節ＪＴ１〜ＪＴ７ごとに＋または−を入力することにより対応する関節ＪＴ１〜ＪＴ７を移動させたりすることが可能である。複数対のボタン列３１２の機能の切り替えはタッチパネル３２や入力ボタン群３１の他のボタンを操作入力することにより実行される。
【００２８】
タッチパネル３２は、教示モードにおいて、肘部Ｅの動作を制限する平面の固定方向（座標を固定する軸方向）を指定する肘部固定方向選択タッチ入力部３２１と、肘部Ｅの動作を制限する制御（移動制限制御）を行うか否かを決定する移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２とを表示しかつ当該表示された部分をタッチすることにより操作入力可能に構成されている。肘部固定方向選択タッチ入力部３２１に表示されたベース座標系の座標軸のいずれかを選択する（図３においてはｚ軸が選択されている）ことにより、固定方向が指定される。
【００２９】
さらに、入力装置３を操作して肘部Ｅが所望の位置に位置させた状態で移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２をオンに操作することにより、当該肘部Ｅの位置座標のうち肘部固定方向選択タッチ入力部３２１で選択された座標軸の座標が固定される。すなわち、移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２をオン操作したときの肘部Ｅの位置を含む平面が肘部Ｅの移動を制限する平面（肘部移動制限平面）として設定され当該平面（肘部固定方向選択タッチ入力部３２１で設定した平面）内に肘部Ｅの移動が制限される。これにより、肘部Ｅの移動を制限する平面を実際の障害物を考慮しながら容易かつ適切に設定することができる。
【００３０】
以下、教示モードにおける処理について順に説明する。図４は図１に示すロボット制御装置における教示モードの流れを示すフローチャートである。まず、制御装置２は、入力装置３の肘部固定方向選択タッチ入力部３２１により固定方向が選択されているか否かを判定する（ステップＳ１）。固定方向が選択されていない場合には（ステップＳ１でＮｏ）、後述するステップＳ５に進む。入力装置３により固定方向が選択されている場合には（ステップＳ１でＹｅｓ）、固定方向を設定する（ステップＳ２）。図２および図３の例においてはｚ軸が固定方向として設定されている。また、制御装置２は、入力装置３の肘部移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２により肘部移動制限制御がオン入力されて（ステップＳ３）、肘部移動制限平面（Ｐｚ）を設定する（ステップＳ４）。オフ設定の場合には後述するステップＳ５に進む。
【００３１】
また、制御装置２は、入力装置３の複数対のボタン列３１２が操作入力されることにより教示操作が入力されるか否かを判定する（ステップＳ５）。教示操作が入力されていない場合（ステップＳ５でＮｏ）には、ステップＳ１に戻る。教示操作が入力された場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、制御装置２は、肘部Ｅの移動を制限する肘部移動制限平面（Ｐｚ）が設定されているか否かを判定する（ステップＳ６）。移動制限平面が設定されていない場合（ステップＳ１またはＳ３でＮｏによりステップＳ６でＮｏ）、制御装置２は、演算器２２として機能し、肘部Ｅの移動を制限するような拘束条件を設定することなく、通常の逆変換演算処理を行い、手先１１の位置から各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する（ステップＳ８）。
【００３２】
一方、肘部移動制限平面（Ｐｚ）が設定されている場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、制御装置２は、設定された肘部移動制限平面（Ｐｚ）に応じた拘束条件を設定する（ステップＳ７）。そして、制御装置２は、演算器２２として機能し、肘部Ｅの移動の制限を拘束条件として逆変換演算を行い、手先１１の位置変化に基づく各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度を演算する（ステップＳ８）。逆変換演算においては拘束条件に応じて解析解を得るための演算式を使い分けたり、収束演算における収束条件を変更するなどの処理が行われる。
【００３３】
例えば、図２および図３に例示するように、肘部Ｅの移動を制限する肘部移動制限平面をｚ軸の座標を固定した平面Ｐｚとする場合には、演算器２２として機能する制御装置２は、肩部Ｓの回転軸Ａ１，Ａ２，Ａ７のうち基台１２の平面（ベース座標系のＸＹ平面）に平行な回転軸Ａ２の回転角度が一定であることを拘束条件として逆変換演算を行う。すなわち、肘部Ｅのｚ軸座標は、第２関節ＪＴ２の回転軸Ａ２の回転角度のみで決定されるため、回転軸Ａ２を所定値に固定する拘束条件を適用することにより、肘部Ｅの動作軌跡を肘部移動制限平面Ｐｚ内に制限することができる。
【００３４】
なお、肘部Ｅの移動を制限する肘部移動制限平面をｘ軸の座標を固定した平面Ｐｘとする場合またはｙ軸の座標を固定した平面Ｐｙとする場合には、第１関節ＪＴ１の回転軸Ａ１および第２関節ＪＴ２の回転軸Ａ２に拘束条件を適用することにより、同様に、肘部Ｅの動作軌跡をそれぞれ各平面内に制限することができる。
【００３５】
より具体的に説明する。図５は図１に示すロボットシステムにおける７軸多関節ロボットの肘部の位置を説明するための概念図である。図５（ａ）は斜視図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）における平面図を示す。なお、図５（ｂ）においては肘部Ｅより手先１１側は図示を省略している。図５に示すように、第１関節ＪＴ１の回転軸Ａ１と第２関節ＪＴ２の回転軸Ａ２との鉛直距離（高さ）をＬ１ｖとし、水平距離をＬ１ｈとし、第２関節ＪＴ２の回転軸Ａ２と第３関節ＪＴ３の回転軸Ａ３との距離をＬ２とし、第１関節ＪＴ１と第２関節ＪＴ２との間のアーム部材１４のＸ軸に対する角度をθ１とし、第２関節ＪＴ２と第３関節ＪＴ３との間のアーム部材１５，１６の水平面に対する角度をθ２とする。このとき、第２関節ＪＴ２と第３関節ＪＴ３との間の鉛直距離（高さ）Ｌ２ｖは、Ｌ２ｖ＝Ｌ２ｓｉｎθ２で表わされる。また、第２関節ＪＴ２と第３関節ＪＴ３との間の水平距離Ｌ２ｈは、Ｌ２ｈ＝Ｌ２ｃｏｓθ２で表わされる。従って、肘部Ｅ（第３関節ＪＴ３）のｚ軸座標Ｚｅは、Ｚｅ＝Ｌ１ｖ＋Ｌ２ｓｉｎθ２で表わされ、肘部Ｅ（第３関節ＪＴ３）のｘ軸座標Ｘｅは、Ｘｅ＝（Ｌ２ｈ＋Ｌ１ｈ）ｃｏｓθ１＝（Ｌ２ｃｏｓθ２＋Ｌ１ｈ）ｃｏｓθ１で表わされ、肘部Ｅ（第３関節ＪＴ３）のｙ軸座標Ｙｅは、Ｙｅ＝（Ｌ２ｈ＋Ｌ１ｈ）ｓｉｎθ１＝（Ｌ２ｃｏｓθ２＋Ｌ１ｈ）ｓｉｎθ１で表わされる。このように、固定方向に対応する座標表現を拘束条件とすることにより、肘部Ｅの動作軌跡を対応する肘部移動制限平面内に制限することができる。
【００３６】
上記のような逆変換演算処理の結果、制御装置２は、制御器２３として機能し、演算された各回転軸Ａ１〜Ａ７の回転角度に応じて各回転軸Ａ１〜Ａ７（各関節ＪＴ１〜ＪＴ７）の動作を制御する（ステップＳ９）。
【００３７】
上記構成によれば、手先１１の位置を教示する際に、手先１１に次いでロボット全体の動作に影響が大きい肘部Ｅの移動を所定の平面（Ｐｚ）内に制限させることができる。これにより、教示作業時において肘部Ｅの動作軌跡が３次元（空間）から２次元（平面）に落とし込まれるため、肘部Ｅの動作軌跡がイメージし易くなる。従って、ロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うことができる。これにより、作業工数を削減したり、ライン立ち上げ時間を短縮することができる。
【００３８】
例えば、作業対象であるワークの下回りで作業を行う場合、７軸多関節ロボット１全体がワークが存在する高さより低い状態で作業する必要がある。このような場合に、肘部Ｅのｚ軸座標を固定して肘部Ｅの移動を所定の平面Ｐｚ内に制限することにより、７軸多関節ロボット１が不用意にワークに接触することを防止しつつ、７軸多関節ロボット１を適切かつ迅速に教示することができる（教示の際に手先１１の位置のみに注視することができる）。同様に、ワークの形状や隣接するロボットなどの障害物の位置に応じて肘部の移動を制限する平面を適宜設定することにより、７軸多関節ロボット１が不用意にワークや障害部に接触することを防止しつつ、７軸多関節ロボット１を適切かつ迅速に教示することができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。
【００４０】
例えば、本実施形態において、肘部Ｅの動作が制限される平面は、ベース座標系に基づいて設定されているが、本発明はこれに限られず、例えばツール座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面として設定されてもよいし、他の座標系に基づいて設定されてもよい。また、各座標系の座標軸に垂直な平面だけでなく座標軸に対して斜めの平面を設定することも可能である。
【００４１】
また、本実施形態においては、平面の指定手段として、肘部Ｅの位置が所望の位置に位置している状態で入力装置３の移動制限制御オンオフ切替タッチ入力部３２２を操作する態様を説明したが、本発明は所定の平面が適切に設定される限りこれに限られない。例えば、予め制御装置２に入力装置３や別の入力手段を用いて所定の平面の式や固定する座標およびその座標位置を入力することにより予め所定の平面を設定することとしてもよいし、入力装置３を用いて７軸多関節ロボット１を教示操作して、手先１１における所望の３点を入力し、当該３点を含む平面を所定の平面として設定することとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の７軸多関節ロボットの制御装置および教示方法は、教示作業時においてロボット全体の動作軌跡を容易に把握して適切な教示を行うために有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１ ７軸多関節ロボット
２ 制御装置
３ 入力装置
１１ 手先
１２ 基台
１３ 旋回台
１４〜１９ アーム部材
２１ 設定器
２２ 演算器
２３ 制御器
３１ 入力ボタン群
３２ タッチパネル
３１１ 入力ボタン
３１２ 複数対のボタン列
３２１ 肘部固定方向選択タッチ入力部
３２２ 肘部移動制限制御オンオフタッチ入力部
Ａ１〜Ａ７ 回転軸
Ｅ 肘部
ＪＴ１〜ＪＴ７ 関節
Ｓ 肩部
Ｗ 手首部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に設けられた手先と基台から当該手先に向かって順に設けられた７つの関節とを具備し、前記７つの関節が回転軸をそれぞれ有しかつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成することで、前記基台から順に３軸の肩部、１軸の肘部および３軸の手首部を実現している７軸多関節ロボットの制御装置であって、
前記７軸多関節ロボットの教示を行う教示モードにおいて、所定の平面を設定する設定器と、
前記肘部の動作軌跡が前記設定器により設定された前記平面内に制限されるように前記７軸多関節ロボットを動作制御する制御器と、
前記手先の位置が教示された場合に、前記肘部の動作の制限を拘束条件として、前記手先の位置変化に基づく各回転軸の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算器とを備えた、７軸多関節ロボットの制御装置。
【請求項２】
前記肘部の動作が制限される平面は、前記７軸多関節ロボットの基台を基準に設定されるベース座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面、または、前記７軸多関節ロボットの手先を基準に設定されるツール座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面である、請求項１に記載の７軸多関節ロボットの制御装置。
【請求項３】
前記肘部の動作が制限される平面は、前記ベース座標系の座標軸のうちの高さ方向軸の座標を所定値に固定した平面であり、
前記演算器は、前記肩部の回転軸のうち前記基台の平面に平行な回転軸の回転角度が一定であることを前記拘束条件として前記逆変換演算を行う、請求項２に記載の７軸多関節ロボットの制御装置。
【請求項４】
前記設定器は、前記７軸多関節ロボットの教示を行うための入力装置に設けられた所定の設定ボタンが、前記肘部が所定の位置に位置した状態で操作入力されることにより前記所定の平面の設定を行い、前記所定の位置を含む前記平面内に前記肘部の移動が制限される、請求項１〜３に記載の７軸多関節ロボットの制御装置。
【請求項５】
先端に設けられた手先と基台から当該手先に向かって順に設けられた７つの関節とを具備し、前記７つの関節が回転軸をそれぞれ有しかつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成することで、前記基台から順に３軸の肩部、１軸の肘部および３軸の手首部を実現している７軸多関節ロボットの教示方法であって、
所定の平面を設定する設定手順と、
前記肘部の動作軌跡が前記平面内に制限されるように前記７軸多関節ロボットを移動制御する制御手順と、
前記手先の位置が教示された場合に、前記肘部の動作の制限を拘束条件として、前記手先の位置変化に基づく各回転軸の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算手順とを含む、７軸多関節ロボットの教示方法。
【請求項１】
先端に設けられた手先と基台から当該手先に向かって順に設けられた７つの関節とを具備し、前記７つの関節が回転軸をそれぞれ有しかつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成することで、前記基台から順に３軸の肩部、１軸の肘部および３軸の手首部を実現している７軸多関節ロボットの制御装置であって、
前記７軸多関節ロボットの教示を行う教示モードにおいて、所定の平面を設定する設定器と、
前記肘部の動作軌跡が前記設定器により設定された前記平面内に制限されるように前記７軸多関節ロボットを動作制御する制御器と、
前記手先の位置が教示された場合に、前記肘部の動作の制限を拘束条件として、前記手先の位置変化に基づく各回転軸の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算器とを備えた、７軸多関節ロボットの制御装置。
【請求項２】
前記肘部の動作が制限される平面は、前記７軸多関節ロボットの基台を基準に設定されるベース座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面、または、前記７軸多関節ロボットの手先を基準に設定されるツール座標系の座標軸のうちのいずれか１軸の座標を所定値に固定した平面である、請求項１に記載の７軸多関節ロボットの制御装置。
【請求項３】
前記肘部の動作が制限される平面は、前記ベース座標系の座標軸のうちの高さ方向軸の座標を所定値に固定した平面であり、
前記演算器は、前記肩部の回転軸のうち前記基台の平面に平行な回転軸の回転角度が一定であることを前記拘束条件として前記逆変換演算を行う、請求項２に記載の７軸多関節ロボットの制御装置。
【請求項４】
前記設定器は、前記７軸多関節ロボットの教示を行うための入力装置に設けられた所定の設定ボタンが、前記肘部が所定の位置に位置した状態で操作入力されることにより前記所定の平面の設定を行い、前記所定の位置を含む前記平面内に前記肘部の移動が制限される、請求項１〜３に記載の７軸多関節ロボットの制御装置。
【請求項５】
先端に設けられた手先と基台から当該手先に向かって順に設けられた７つの関節とを具備し、前記７つの関節が回転軸をそれぞれ有しかつそれぞれの回転軸周りに次の関節を回転させるように構成することで、前記基台から順に３軸の肩部、１軸の肘部および３軸の手首部を実現している７軸多関節ロボットの教示方法であって、
所定の平面を設定する設定手順と、
前記肘部の動作軌跡が前記平面内に制限されるように前記７軸多関節ロボットを移動制御する制御手順と、
前記手先の位置が教示された場合に、前記肘部の動作の制限を拘束条件として、前記手先の位置変化に基づく各回転軸の回転角度を演算する逆変換演算を行う演算手順とを含む、７軸多関節ロボットの教示方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１３９７５４（Ｐ２０１２−１３９７５４Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２７４３（Ｐ２０１０−２９２７４３）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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