JP3608673B2

JP3608673B2 - Operation program creation method for industrial robots

Info

Publication number: JP3608673B2
Application number: JP25923095A
Authority: JP
Inventors: 浩治冨田; 佳市高岡; 武吉金原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1995-09-11
Filing date: 1995-09-11
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2015-09-11
Also published as: JPH0981227A; WO1998040799A1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、産業用ロボットの動作プログラム作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常のティーチングプレイバック方式の産業用ロボットにおける教示作業では、作業対象の特徴点での位置にくるように、かつ、その位置での姿勢を作業上望ましい姿勢になるように、教示ツール（通常は、ティーチングペンダントまたは、ティーチングボックスと呼ばれる）を使って、実際にロボットを動作させ、その位置、姿勢を記憶させる命令を、教示ツールよりコントローラ本体に送る。コントローラ本体は、その記憶部で前記位置及び姿勢を記憶する。これを繰り返すことにより、動作プログラムを作成する。
また、動作方向が急激に変化するような点前後には、ロボットの作業対象に対する適切なツール姿勢区間をできるだけ長くするため、通常、教示点を加えることがなされている。
例えば、アーク溶接において作業対象Ｗが図２のような場合に、点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を結ぶ直線上を溶接する場合には、前記特徴点は、点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３となる。従来の教示方方法では、まず、教示ツールを使いＰ０までロボットを動作させ、材質、溶接条件等で決まる姿勢（ねらい角（溶接トーチ１と垂直作業対象とがなす角度（図３（ａ）））及び、前進角（溶接トーチ１と進行方向ベクトルがなす角）（図３（ｂ））をとるように、教示ツールを使ってロボットを姿勢変化させる。位置と姿勢が望ましいものになったら、コントローラ内部に記憶させる。
次に、Ｐ１を教示するが、Ｐ１では、溶接線が急に変化するので、Ｐ１の前後では、望ましい姿勢が違う。したがって、通常は、Ｐ１点の前後に、適当な距離をおいて、教示点を作成していた。この点を図２ではＰ１ｐｒｅ、Ｐ１ｐｏｓｔと表している。このようにすることで、適切なツール姿勢区間をできるだけ長くしていた。
Ｐ２に対しても同様な理由で、Ｐ２ｐｒｅ、Ｐ２ｐｏｓｔを作成していた。
Ｐ３では、Ｐ０の場合と同様にして、位置と姿勢を記憶させる。
このようにして、動作プログラムは、Ｐ０、Ｐ１ｐｒｅ、Ｐ１、Ｐ１ｐｏｓｔ、Ｐ２ｐｒｅ、Ｐ２、Ｐ２ｐｏｓｔ、Ｐ３での位置と姿勢を記憶したものとして作成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のロボット教示方法では、動作位置に加えて動作姿勢も教示しなければならなく、かつ、作業対象の特徴点の前後にも教示点を作成しなければならないことがあり、これらのことが、ロボットの教示を手間のかかるものにしていた。
そこで、本発明は、作業対象の特徴点のみの教示で、動作可能な動作プログラムを作成できる方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明においては、ティーチングプレイバック方式の産業用ロボットの動作プログラム作成方法において、教示ツールによって作業対象に対する作業の開始点と終了点とこの間の複数の特徴点である教示点のみの動作プログラムを作成し、前記教示点の位置情報のみを前記ロボットの設置環境に基づく絶対座標系で表し、前記教示点の間の複数の前記特徴点の補間経路上に各々の前記特徴点の前点と後点の座標を前記絶対座標系であらかじめ定められた手順に基づく演算で求め、前記前点の姿勢を該前点の基本フレーム座標とあらかじめ定められている前記ロボットが備えるツール姿勢のロール、ピッチ、ヨー角に指定する変換行列より求め、前記後点の姿勢を該前点の基本フレーム座標とあらかじめ定められている前記ロボットが備えるツール姿勢のロール、ピッチ、ヨー角に指定する変換行列より求め、前記特徴点の姿勢は前記前点と後点のそれぞれの基本フレーム座標のＹ軸方向ベクトルのなす角の１／２だけ前記前点姿勢より基本フレーム座標の外積の回りに回転させて求め、姿勢の求まった前記特徴点と座標と姿勢の求まった前記前点と後点とを前記動作プログラムに挿入するものである。
また、請求項２に記載の発明においては、前記特徴点と前記前点と後点のそれぞれに対して、ツール姿勢の冗長自由度の回りに回転可能な範囲を決定し、前記決定された範囲の中で前記特徴点と前記前点と後点の動作位置変化量を表現するあらかじめ決められた評価関数があらかじめ決められた値にすることにより前記特徴点と前記前点と後点の姿勢を決定することとするものである。
また、請求項３に記載の発明では、前記前点と後点を追加する位置は、補間方法に応じて決められる前記教示点の相互間の動作補間線上に前記教示点からの距離または前記教示点間の前記動作補間線上の距離に対する割合で指定することにより決められることとするものである。
また、請求項４に記載の発明では、前記特徴点と前記前点と後点でツール姿勢の冗長自由度の回りに回転できる範囲の決定において、回転可能かどうかの判定は、前記ロボット自身の機構的な制限によるものと、前記ロボットがもつツールと前記ロボットの干渉の有無で行うこととするものである。
また、請求項５に記載の発明では、上記評価関数は、Ｊ＝Σi Σj （Ｗij＊△Ｐij^２）とすることとするものである。ただし、△Ｐijは前記教示点と前記前点と後点を動作順に並べたときのi 番目の動作点からi+1 番目の動作点までのj 軸位置変化量、Σj はロボット軸の合計（ｊ＝０〜Ｎ−１、Ｎは前記ロボットの軸数）、Σi は前記特徴点と前記前点および前記後点の合計をとることを表し（j ＝０〜Ｍ−１、Ｍは前記教示点と前記前点および前記後点の合計点数）、前記冗長自由度回りの回転角により、このj 軸位置は決定されるものであり、Ｗi j は予め決めた重み係数である。
また、請求項６記載の発明では、教示点j の前記前点および前記後点の姿勢を決める評価関数は、
Ｊi １＝Σj （Ｗij1 ＊（Ｐijpre −Ｐijpost）²）、（ここで、i は前記教示点を動作順に並べたときの動作順番号、Ｐijpre は、教示点i の前点、j 軸位置、Ｐijpostは、教示点i の後点、j 軸位置、Ｗij1 は、予め決めた重み係数、Σj はロボット軸の合計を表す）をとり、かつ、教示点i での各軸位置を決定する評価関数は、
Ｊi ２＝Σj （Ｗij2pre＊（Ｐijtch −Ｐijpre0）² ＋Ｗij2post ＊（Ｐijpost0 −Ｐijtch ）² ）
（ここで、Ｐijpre0，Ｐijpost0 は、前記Ｊi １を最低にするような、ロボット各軸の回転位置、Ｐijtch は教示点i でのj 軸の位置、Ｗij2pre、Ｗij2post は予め決めた重み係数）をとることとするものである。
【０００５】
【作用】
上記手段により、ロボットの動作位置のみの教示で、実際に動作可能な動作プログラムが作成できる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は、請求項１に記載の発明を実施するための、動作の流れを書いたフローチャートである。以後ベクトル、マトリックス等は明示しない限り、同次変換表現するものとする（「ロボットマニピュレータ」、Ｒ．Ｐａｕｌ著に詳しい）。
【０００７】
まず、ステップＳ１０１では、通常の教示ツール（ティーチングペンダント等）を使って、作業対象の特徴点（個数Ｎとする）のみの動作プログラムを作成する。このとき、ツールの姿勢は、実際の望ましい姿勢にする必要はない。例えば、図２のような作業対象を溶接するときは、特徴点は点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３となり、これら４点の位置は正確にティーチングする。しかし、姿勢は考慮する必要はない。
【０００８】
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で作成された動作プログラムから、教示点Ｐi （i ＝０〜Ｎ−１）の位置情報のみを読み込む。これらをロボットが設置されている環境の絶対座標（以下、ワールド座標と呼ぶ）で、Xi＝（ xi,yi,zi,1 ） ^T（i ＝０〜Ｎ−１）と表す。上付きＴは転値行列を表す。
【０００９】
ステップＳ１０３では、読み込まれた座標Xiより、動作経路上に、前後点を作成する。教示点Piの前点Pipre の位置Xipre は教示点Pi-1とPiの座標値Xi-1と Xi から次式で決める。この実施例では、請求項３に記載の方法のうち直線補間の場合の、教示点間の距離に対する割合で決める場合になっており、前記割合はＣpre で指定している。
Xipre ＝ Xi-1 ＋Ｃpre ＊（Xi− Xi-1 ）
（Ｃpre ＜１）
【００１０】
前点の姿勢は、ステップＳ１０４で以下のように作成する。図４を参照にして説明する。まず、前点Pipre の位置Xipre に原点を持ち、 Y軸方向単位ベクトルYfが進行方向、つまり、Pi-1からPiに向かう方向であり、ワールド座標の垂直方向（図４では、refpと示す）単位ベクトルと前記Yfの外積ベクトルをX 軸方向単位ベクトルXfととる。このXfとYfと右手系をなすように、Z 軸方向単位ベクトルZfをとるような、座標系を考える。これを、点Pipre での基本フレーム座標Afpre とする。ここで、Xf＝（xxf,xyf,xzf,0 ）^T 、 Yf＝（yxf,yyf,yzf,0 ）^T 、 Zf＝（zxf,zyf,zzf,0 ）^T である。つまり、Afpre=（Xf,Yf,Zf,Xipre）となる。この基本フレーム座標に対して、ロボットが持つツールの姿勢を、あらかじめ決められていたとする。（図５で、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表す。））この決め方を表す形式は、多種あるが、例えば、ロール、ピッチ、ヨー角で指定できる。この変換を表す変換行列をＴすると、
Apre＝ Afpre・Ｔ
（ただし、Ｔの並進成分は０となっている。）
より、教示点Piの前点Pipre のワールド座標での位置と姿勢を表す同次変換マトリックスApreが、教示点Pi-1とPiの座標値Xi-1と Xi から決められたことになる。後点Pipostは、ステップＳ１０３で位置を決めるとき、教示点PiとPi+1の座標値Xiと Xi+1 から次式で決められる。
この実施例では、請求項３に記載の方法のうち直線補間の場合の、教示点間の距離に対する割合で決める場合になっており、前記割合はＣpostで指定している。
Xipost＝ Xi ＋Ｃpost＊（ Xi+1 − Xi ）
（Ｃpost＜１）
後点の姿勢は、前点のときと同様な方法でステップＳ１０４で決まり、教示点Piの後点Pipostの位置と姿勢Apost が、教示点PiとPi+1の座標値Xiと Xi+1 から決められたことになる。
【００１１】
ステップＳ１０５では、以上述べたような方法で作成した前点姿勢Apreと後点姿勢Apost より、教示点の姿勢を決定する。この決定のしかたは、多種あるが、もっとも簡単には、ベクトルXi−Xi-1とXi+1−Xiの外積方向単位ベクトルをk ＝（xk,yk,zk,1）とし、また、ベクトルXi−Xi-1とXi+1−Xiのなす角をθとすると、k の回りにPipre での姿勢をθ／２だけ回転したものをとるとよい。つまり、教示点Piでの位置と姿勢Atは、At＝ Rot(k, θ／２) ・Apre・ TRで決定できる。ここで、 TR は Apre をPiまで並進する行列、Rot(k , θ／２)は、ベクトルkの回りにθ／２だけ回転する行列を意味する。この様子は図６で示す。他の教示点も同様にして、前後点の作成、教示点の姿勢の決定ができる。
【００１２】
ステップＳ１０６では、Ｓ１０２からＳ１０５まででつくられた前後点、教示点の位置、姿勢をロボットの動作プログラムに書き込む。
以上のような手順で、特徴点の位置情報から実際に動作可能な動作プログラムが作成できる。
【００１３】
次に、請求項２に記載の実施例について述べる。本発明は、ツールの姿勢が、冗長な自由度を持つ場合に対して利用できる。図７は動作の流れを書いたフローチャートである。Ｓ７０１〜Ｓ７０３までは、請求項１のＳ１０１〜Ｓ１０３と同様にして、前後点の位置を決定する。
【００１４】
ステップＳ７０４では、前後点の姿勢を決定する。請求項１でも使った図４を参考にして説明する。
まず、前点Ｐｉｐｒｅの位置Ｘｉｐｒｅに原点を持ち、Ｙ軸方向単位ベクトルＹｆが進行方向、つまり、Ｐｉ−１からＰｉに向かう方向であり、ワールド座標の垂直方向（図では、ｒｅｆｐと示す）単位ベクトルと前記Ｙｆの外積ベクトルをＸ軸方向単位ベクトルＸｆととる。このＸｆとＹｆと右手系をなすように、Ｚ軸方向単位ベクトルＺｆをとるような、座標系を考える。これを、点Ｐｉｐｒｅでの基本フレーム座標Ａｆｐｒｅとする。ここで、Ｘｆ＝（ｘｘｆ，ｘｙｆ，ｘｚｆ，０）^Ｔ、Ｙｆ＝（ｙｘｆ，ｙｙｆ，ｙｚｆ，０）^Ｔ、Ｚｆ＝（ｚｘｆ，ｚｙｆ，ｚｚｆ，０）^Ｔである。つまり、Ａｆｐｒｅ＝（Ｘｆ，Ｙｆ，Ｚｆ，Ｘｉｐｒｅ）となる。ここまでは、請求項１と同様である。
ここで、基本ツールフレームＡｆｐｒｅ０を以下で決める。
Ａｆｐｒｅ０＝（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ，Ｘｉｐｒｅ）
（ただし、Ｔｘ＝Ｙｆ、Ｔｙ＝Ｘｆ、Ｔｚ＝−Ｚｆ、座標系（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）はツールＴに対して例えば図８のように決められているとする。）
ここで、ロボットが持つツールの姿勢が動作方向に対して、作業に望ましいように、あらかじめ決められていたする。このとき一般に、アーク溶接や塗装などのような場合には、冗長な自由度を持ち、姿勢自由度３つのうち、２つだけが決められる。ここでは、図３で示したねらい角（α）、前進角（β）のみ決められている場合を例示する。このようなときは、以下の式によって点Ｐｉｐｒｅでのツール先端の基本ツール位置姿勢が決定される。
Ａｆｐｒｅ１＝Ａｆｐｒｅ０・Ｒｏｔ（Ｔｘ，α）・Ｒｏｔ（Ｔｙ，β）
後点Ｐｉｐｏｓｔの基本ツール位置姿勢Ａｆｐｒｅ１も前記と同様にして、教示点ＰｉとＰｉ＋１の座標値ＸｉとＸｉ＋１から決められる。
【００１５】
ステップＳ７０５では、以上述べたような方法で作成した前点の基本ツール位置姿勢Ａｆｐｒｅ１とＡｆｐｏｓｔ１より、教示点の基本姿勢を決定する。この決定のしかたは、請求項１のステップＳ１０５で、ＡｐｒｅをＡｆｐｒｅ１に、ＡｐｏｓｔをＡｆｐｏｓｔ１に置き換えて同様に実施する。すると、教示点での基本ツール位置姿勢Ａｆｔ１は、
Ａｆｔ１＝Ｒｏｔ（ｋ、 θ／２）・Ａｆｐｒｅ１・ＴＲ
で決定できる。
他の教示点も同様にして、前後点の作成と基本姿勢の作成、教示点の基本姿勢が決定できる。
【００１６】
ステップＳ７０６では、ステップＳ７０４〜Ｓ７０５でつくった基本ツール姿勢Ａｆｐｒｅ１，Ａｆｔ１，Ａｆｐｏｓｔ１に対してＴｚ軸回りの回転の冗長自由度を利用して動作可能な姿勢の範囲をつくる。
各点（前後点、教示点）での回転可能範囲をＴｚ回りの回転角の値として△Ｔｚｉ（ｉ＝０〜Ｍ−１、Ｍは教示点、前後点の合計）として保存する。一般には、△Ｔｚｉは、いくつかの区間を持った値となるが、ここでは、説明の簡単のために、１つの区間しか持たないとする。つまり、△ Ｔｚｉ＝（Ｔｚｉ０，Ｔｚｉ１）とする。ここで、（ａ，ｂ）は、ａ〜ｂの区間を表す。
【００１７】
ステップ７０７では、ステップ７０６でつくられた各点の区間△Ｔｚｉの中から、あらかじめ決まられた評価関数を最低にするものを選び出す。これを、γｉ（ｉ＝０〜Ｍ−１）とする。
このようにすると最終的な点の位置、姿勢は、
Ａｆｐｒｅ２ｉ＝Ａｆｐｒｅ１ｉ・Ｒｏｔ（Ｔｚ，γｉ）（ｉ＝０〜Ｍ−１のうち前点）
Ａｆｐｏｓｔ２ｉ＝Ａｆｐｏｓｔ１ｉ・Ｒｏｔ（Ｔｚ，γｉ）（ｉ＝０〜Ｍ−１のうち後点）
Ａｆｔ２ｉ＝Ａｆｔ１ｉ・Ｒｏｔ（Ｔｚ，γｉ）（ｉ＝０〜Ｍ−１のうち教示点）
となる。
【００１８】
ステップＳ７０８では、Ｓ７０２〜Ｓ７０７まででつくられた前後点、教示点の位置、姿勢Ａｆｐｒｅ２ｉ，Ａｆｐｏｓｔ２ｉ，Ａｆｔ２ｉをロボットの動作プログラムに書き込む。以上のような手順で、望ましいツール姿勢が冗長自由度を持っている場合に特徴点の位置情報から実際に動作可能な動作プログラムが作成できる。
【００１９】
請求項４は、前記の請求項２の実施例のうち、ステップＳ７０６において、動作可能範囲を決めるときの方法に関する。
前記と同様図８のようなツールＴをもつときＴｚの回りに冗長自由度を持つとする。
このとき、図９ような、動作の流れで動作可能な範囲を決定する。
ステップＳ９０１で、あらかじめ決められた探索の増分値ＤＴｚと終了値ＭａｘＴｚを設定する。次に、ステップＳ９０２で冗長自由度の回りの回転量をゼロクリアする。Ｓ９０３では、基準ツール位置姿勢Ａｆ１を△Ｔｚだけ回転させたＡｆ２を求める。Ｓ９０４では、この位置姿勢に関して、ロボット自身の機構的な制限にかからないか判定し、かからなければ、Ｓ９０５に進み、ロボット先端につけたツールとロボット本体が干渉しないかどうか判定する。ロボット自身の制限にもかからず、ツールＴとの干渉もない場合のみ、動作可能範囲△Ｔｚを更新する。ステップＳ９０７では、ＤＴｚだけ回転量を増やす。Ｓ９０８では、回転量△Ｔｚが終了値ＭａｘＴｚを越えるかどうか判定し、越えていれば、動作終了とする。
各軸、各教示点、前後点に対して、以上のような動作をすることにより、冗長自由度回りに回転できる範囲△ Ｔｚｉ＝（Ｔｚｉ０，Ｔｚｉ１）（ｉ＝０〜Ｍ−１）を決定できる。
【００２０】
つぎに、請求項５と６の実施例について説明する。請求項４と５は、請求項２の説明でのステップＳ７０７での評価関数の作り方に関している。
請求項５の評価関数は、Ｊ＝Σｉ Σｊ（Ｗｉｊ＊△Ｐｉｊ^２）とするものである。ここで、△Ｐｉｊは教示点、前後点を動作順に並べてたときのｉ番目の動作点からｉ＋１番目の動作点までのｊ軸位置変化量、Σｊはロボット軸の合計（ｊ＝０〜Ｎ−１、Ｎはロボットの軸数）、Σｉは教示点、前後点の合計をとることを表す（ｉ＝０〜Ｍ−１、Ｍは教示点、前後点の合計）。前記冗長自由度回りの回転角により、このｊ軸位置は決定され、Ｗｉｊは、予め決めた重み係数であることを特徴とする。このようにとることにより、全体として、各軸の動作が少なくなり、サーボ遅れ等の影響が少なくなる動作プログラムが作成できる。
また、請求項６の評価関数Ｊは、教示点ｊの前後点姿勢を決める評価関数は、Ｊｉ１＝Σｊ（Ｗｉｊ１＊（Ｐｉｊｐｒｅ −Ｐｉｊｐｏｓｔ）^２）、
（ここで、ｉは教示点を動作順に並べたときの動作順番号、
Ｐｉｊｐｒｅは、教示点ｉの前点、ｊ軸の位置、
Ｐｉｊｐｏｓｔは、教示点ｉの後点、ｊ軸の位置、
Ｗｉｊ１は、予め決めた重み係数、
Σｊはロボット軸の合計を表す）
をとり、かつ、教示点ｉでの各軸位置を決定する評価関数は、
Ｊｉ２＝Σｊ（Ｗｉｊ２ｐｒｅ＊（Ｐｉｊｔｃｈ −Ｐｉｊｐｒｅ０）^２＋Ｗｉｊ２ｐｏｓｔ＊（Ｐｉｊｐｏｓｔ０ −Ｐｉｊｔｃｈ）^２）
（ここで、Ｐｉｊｐｒｅ０，Ｐｉｊｐｏｓｔ０は、前記Ｊｉ１を最低にするような、ロボット各軸の回転位置、Ｐｉｊｔｃｈは教示点ｉでのｊ軸の位置、Ｗｉｊ２ｐｒｅ、Ｗｉｊ２ｐｏｓｔは予め決められている重み係数）
をとることとする。
このよにすると、評価関数Ｊの計算時間が少なくて、かつ、作業対象の特徴点での各軸動作の変化が少なくなり、サーボ遅れ等の影響が少なくなる動作プログラムが作成できる。
【０００２１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、姿勢を教示することなく、ロボットの動作位置のみの教示で、実際に動作可能な動作プログラムが作成可能となる。したがって教示作業が簡単化され、作業効率が大幅に向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項１の実施例を示す図
【図２】本発明の実施例を説明する図であって、（ａ）は作業対象の斜視図、（ｂ）は上から見た図
【図３】ねらい角、前進角を説明するための図
【図４】本発明の実施例で前後点の作成を説明するための図
【図５】本発明の実施例で前後点の姿勢作成を説明するための図
【図６】本発明の実施例で教示点の姿勢作成を説明するための図
【図７】本発明の請求項２の実施例を示す図
【図８】冗長自由度をもつツールの例
【図９】本発明の請求項４の実施例を示す図
【符号の説明】
１…溶接トーチ
Ｗ…作業対象
Ｔ…ツール[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an operation program creation method for an industrial robot.
[0002]
[Prior art]
In teaching work in a normal teaching playback type industrial robot, a teaching tool (usually, so that the position at the feature point of the work target is reached and the attitude at that position becomes the desired work position. Using a teaching pendant or teaching box), a command for actually operating the robot and storing its position and orientation is sent from the teaching tool to the controller body. The controller main body stores the position and orientation in the storage unit. By repeating this, an operation program is created.
In addition, a teaching point is usually added before and after the point at which the operation direction suddenly changes in order to make the appropriate tool posture section with respect to the robot work target as long as possible.
For example, when the work target W in arc welding is as shown in FIG. 2, when welding on a straight line connecting points P0, P1, P2, and P3, the feature points are points P0, P1, P2, and P3. Become. In the conventional teaching method, first, the robot is operated up to P0 using a teaching tool, and the posture determined by the material, welding conditions, etc. (target angle (angle between welding torch 1 and vertical work object (FIG. 3A)). ) And change the posture of the robot using the teaching tool so as to take the advancing angle (the angle formed by the welding torch 1 and the traveling direction vector) (FIG. 3B). Store in the controller.
Next, P1 is taught. However, since the weld line changes suddenly at P1, the desired posture is different before and after P1. Therefore, normally, teaching points are created at an appropriate distance before and after the point P1. This point is represented as P1pre and P1post in FIG. By doing so, the appropriate tool posture section was made as long as possible.
For the same reason, P2pre and P2post are created for P2.
In P3, the position and orientation are stored as in the case of P0.
In this way, the operation program is created as a storage of the positions and orientations at P0, P1pre, P1, P1post, P2pre, P2, P2post, and P3.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional robot teaching method, it is necessary to teach the motion posture in addition to the motion position, and it may be necessary to create teaching points before and after the feature point of the work target. However, it was time-consuming to teach the robot.
Therefore, an object of the present invention is to provide a method capable of creating an operable operation program by teaching only the feature points of the work target.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, in the invention according to claim 1, in the teaching playback type industrial robot motion program creation method, a teaching tool uses a plurality of points between the start point and end point of the work on the work target. An operation program for only the teaching points that are feature points is created, and only the position information of the teaching points is expressed in an absolute coordinate system based on the installation environment of the robot, and on the interpolation path of the plurality of feature points between the teaching points The coordinates of the front point and the back point of each of the feature points are obtained by calculation based on a procedure predetermined in the absolute coordinate system, and the attitude of the front point is predetermined as the basic frame coordinates of the front point. Obtained from the transformation matrix specified for the roll, pitch, and yaw angle of the tool posture provided in the robot, and the posture of the rear point is determined in advance from the basic frame coordinates of the front point. The feature point posture is determined by a Y-axis direction vector of the basic frame coordinates of the front point and the rear point, respectively, obtained from a transformation matrix specified for the roll, pitch, and yaw angle of the specified tool posture of the robot. Rotate around the outer product of the basic frame coordinates from the previous point posture by a half of the angle, and obtain the feature point, the coordinate, the front point and the rear point from which the posture is obtained in the operation program. To be inserted.
Further, in the invention according to claim 2, for each of the feature point, the front point, and the rear point, a range that can be rotated around a redundant degree of freedom of a tool posture is determined, and the determined range The posture of the feature point, the front point, and the rear point is determined by setting a predetermined evaluation function that expresses the motion position change amount of the feature point, the front point, and the rear point to a predetermined value. It will be decided.
According to a third aspect of the present invention, the position where the front point and the rear point are added is a distance from the teaching point on the motion interpolation line between the teaching points determined according to an interpolation method or the teaching. It is determined by designating as a ratio to the distance on the motion interpolation line between points.
In the invention according to claim 4, in determining the range in which the feature point, the front point, and the rear point can be rotated around the redundant degree of freedom of the tool posture, whether or not the robot itself can be rotated is determined. This is due to mechanical limitations and based on the presence or absence of interference between the robot tool and the robot.
In the invention according to claim 5, the evaluation function is assumed to be J = Σi Σj (Wij * ΔPij ² ). Where ΔPij is the amount of change in the j-axis position from the i-th operation point to the i + 1-th operation point when the teaching point, the previous point, and the rear point are arranged in the order of movement, and Σj is the total of robot axes ( j = 0 to N-1, N is the number of axes of the robot), Σi represents the sum of the feature point, the front point, and the rear point (j = 0 to M-1, M is the teaching) This j-axis position is determined by the rotation angle around the redundant degree of freedom, and Wi j is a predetermined weighting factor.
In the invention according to claim 6, the evaluation function for determining the posture of the front point and the rear point of the teaching point j is:
Ji 1 = Σj (Wij1 * (Pijpre−Pijpost) ² ) (where i is the operation order number when the teaching points are arranged in the operation order, Pijpre is the previous point of the teaching point i, the j-axis position, Pijpost Is the rear point of the teaching point i, the j-axis position, Wij1 is a predetermined weighting factor, and Σj is the total of the robot axes), and the evaluation function for determining each axis position at the teaching point i is ,
Ji 2 = Σj (Wij2pre * (Pijtch−Pijpre0) ² + Wij2post * (Pijpost0−Pijtch) ² )
(Where Pijpre0 and Pijpost0 are the rotational positions of the robot axes that minimize Ji1, Pijtch is the j-axis position at teaching point i, and Wij2pre and Wij2post are predetermined weighting factors). It is something to do.
[0005]
[Action]
By the above means, an operation program that can be actually operated can be created by teaching only the operation position of the robot.
[0006]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a flowchart describing the flow of operations for carrying out the invention according to claim 1. Hereinafter, unless otherwise specified, vectors, matrices, and the like are expressed as homogeneous transformations (“Robot Manipulator”, detailed by R. Paul).
[0007]
First, in step S101, using an ordinary teaching tool (such as a teaching pendant), an operation program for only the feature point (number N) to be worked is created. At this time, the posture of the tool does not need to be an actual desired posture. For example, when welding work objects as shown in FIG. 2, the characteristic points are points P0, P1, P2, and P3, and the positions of these four points are taught accurately. However, posture does not need to be considered.
[0008]
In step S102, only the position information of the teaching point Pi (i = 0 to N-1) is read from the operation program created in step S101. These are absolute coordinates of the environment in which the robot is installed (hereinafter referred to as world coordinates), and are expressed as Xi = ( xi, yi, zi, 1 ) ^T (i = 0 to N−1). Superscript T represents a transpose matrix.
[0009]
In step S103, front and rear points are created on the motion path from the read coordinates Xi. The position Xipre of the previous point Pipre of the teaching point Pi is determined by the following equation from the coordinate values Xi-1 and Xi of the teaching points Pi-1 and Pi. In this embodiment, the method according to claim 3 is determined by a ratio to the distance between teaching points in the case of linear interpolation, and the ratio is designated by Cpre.
Xipre = Xi-1 + Cpre * (Xi-Xi-1)
(Cpre <1)
[0010]
The posture of the previous point is created as follows in step S104. This will be described with reference to FIG. First, it has an origin at the position Xipre of the previous point Pipre, and the Y-axis direction unit vector Yf is the traveling direction, that is, the direction from Pi-1 to Pi, and is the world coordinate vertical direction (indicated as refp in FIG. 4) The cross product vector of the unit vector and the Yf is taken as the X-axis direction unit vector Xf. Consider a coordinate system that takes a Z-axis direction unit vector Zf so that Xf and Yf form a right-handed system. This is the basic frame coordinate Afpre at the point Pipre. Here, Xf = (xxf, xyf, xzf, 0) ^T , Yf = (yxf, yyf, yzf, 0) ^T , Zf = (zxf, zyf, zzf, 0) ^T That is, Afpre = (Xf, Yf, Zf, Xipre). Assume that the posture of the tool of the robot is determined in advance with respect to the basic frame coordinates. (In FIG. 5, it is represented by (X, Y, Z).) There are various types of formats for determining this, but for example, it can be specified by roll, pitch, and yaw angle. When a transformation matrix representing this transformation is T,
Apre = Afpre ・ T
(However, the translational component of T is 0.)
Thus, the homogeneous transformation matrix Apr representing the position and orientation of the previous point Pipre of the teaching point Pi in the world coordinates is determined from the coordinate values Xi-1 and Xi of the teaching points Pi-1 and Pi. The rear point Pipost is determined by the following equation from the coordinate values Xi and Xi + 1 of the teaching points Pi and Pi + 1 when the position is determined in step S103.
In this embodiment, the method according to claim 3 is determined by the ratio to the distance between teaching points in the case of linear interpolation, and the ratio is designated by Cpost.
Xipost = Xi + Cpost * (Xi + 1-Xi)
(Cpost <1)
The posture of the rear point is determined in step S104 in the same manner as in the case of the previous point, and the position and posture Apost of the rear point Pipost of the teaching point Pi is determined from the coordinate values Xi and Xi + 1 of the teaching points Pi and Pi + 1. It will be decided.
[0011]
In step S105, the posture of the teaching point is determined from the front point posture Apr and the rear point posture Apost created by the method described above. There are various ways of determining this, but the simplest is that the cross product direction unit vector of the vectors Xi−Xi−1 and Xi + 1−Xi is k = (xk, yk, zk, 1), and the vector Xi If the angle between -Xi-1 and Xi + 1-Xi is θ, it is good to take the Pipre posture rotated by θ / 2 around k. That is, the position and orientation At at the teaching point Pi can be determined by At = Rot (k, θ / 2) · Apre · TR. Here, TR means a matrix that translates Apre to Pi, and Rot (k, θ / 2) means a matrix that rotates by θ / 2 around the vector k. This is shown in FIG. The other teaching points can be created in the same manner to create front and rear points and determine the attitude of the teaching points.
[0012]
In step S106, the front and rear points, teaching point positions, and postures created in steps S102 to S105 are written in the robot operation program.
With the above procedure, an operation program that can actually be operated can be created from the position information of feature points.
[0013]
Next, an embodiment described in claim 2 will be described. The present invention can be used when the posture of the tool has redundant degrees of freedom. FIG. 7 is a flowchart describing the flow of operation. From S701 to S703, the positions of the front and rear points are determined in the same manner as S101 to S103.
[0014]
In step S704, the postures of the front and rear points are determined. Description will be made with reference to FIG.
First, it has an origin at the position Xipre of the previous point Pipre, and the Y-axis direction unit vector Yf is the traveling direction, that is, the direction from Pi-1 to Pi, and is the unit of the world coordinate vertical direction (refp shown in the figure) An outer product vector of the vector and the Yf is taken as an X-axis direction unit vector Xf. Consider a coordinate system that takes a Z-axis direction unit vector Zf so as to form a right-handed system with Xf and Yf. Let this be the basic frame coordinates Apre at the point Pipe. Here, Xf = (xxf, xyf, xzf, 0) ^T , Yf = (yxf, yyf, yzf, 0) ^T , Zf = (zxf, yzf, zzf, 0) ^T. That is, Afpre = (Xf, Yf, Zf, Xipre). The process up to this point is the same as in the first aspect.
Here, the basic tool frame Afpre0 is determined as follows.
Afpre0 = (Tx, Ty, Tz, Xipre)
(It is assumed that Tx = Yf, Ty = Xf, Tz = −Zf, and the coordinate system (Tx, Ty, Tz) is determined for the tool T as shown in FIG.
Here, it is assumed that the posture of the tool possessed by the robot is determined in advance so as to be desirable for the operation with respect to the movement direction. At this time, generally, in cases such as arc welding and painting, there are redundant degrees of freedom, and only two of the three degrees of freedom of attitude are determined. Here, the case where only the aim angle (α) and the advance angle (β) shown in FIG. 3 are determined is illustrated. In such a case, the basic tool position / posture of the tool tip at the point Pipre is determined by the following equation.
Afpre1 = Afpre0 · Rot (Tx, α) · Rot (Ty, β)
Similarly to the above, the basic tool position / posture Afpre1 of the rear point Pipost is determined from the coordinate values Xi and Xi + 1 of the teaching points Pi and Pi + 1.
[0015]
In step S705, the basic posture of the teaching point is determined from the basic tool position / posture Afpre1 and Apost1 of the previous point created by the method described above. This determination is performed in the same manner by replacing Apre with Afpre1 and Apost with Afpost1 in step S105 of claim 1. Then, the basic tool position / posture Aft1 at the teaching point is
Aft1 = Rot (k, θ / 2) Afpre1 TR
Can be determined.
In the same manner, the other teaching points can be used to create the front and rear points, the basic posture, and the basic posture of the teaching point.
[0016]
In step S706, a range of postures in which the basic tool postures Afpre1, Aft1, and Afpost1 created in steps S704 to S705 can be operated using a redundant degree of freedom of rotation around the Tz axis is created.
A rotatable range at each point (front and rear points, teaching point) is stored as a value of a rotation angle around Tz as ΔTzi (i = 0 to M−1, M is a total of teaching points and front and rear points). In general, ΔTzi is a value having several sections, but here it is assumed that it has only one section for the sake of simplicity of explanation. That is, ΔTzi = (Tzi0, Tzi1). Here, (a, b) represents a section from a to b.
[0017]
In step 707, one that minimizes the predetermined evaluation function is selected from the section ΔTzi of each point created in step 706. This is γi (i = 0 to M−1).
In this way, the final point position and orientation are
Afpre2i = Afpre1i.Rot (Tz, γi) (the previous point out of i = 0 to M−1)
Afpost2i = Afpost1i · Rot (Tz, γi) (i = 0 to the rear of M−1)
Aft2i = Aft1i · Rot (Tz, γi) (Teaching point from i = 0 to M−1)
It becomes.
[0018]
In step S708, the front and rear points, the teaching point position, and the posture Afpre2i, Apost2i, and Aft2i created in steps S702 to S707 are written in the robot operation program. With the above procedure, an operation program that can actually be operated can be created from the position information of the feature points when the desired tool posture has redundant degrees of freedom.
[0019]
Claim 4 relates to a method for determining the operable range in step S706 in the embodiment of claim 2 described above.
Similarly to the above, when the tool T as shown in FIG. 8 is provided, it is assumed that there are redundant degrees of freedom around Tz.
At this time, an operable range is determined according to the operation flow as shown in FIG.
In step S901, a predetermined search increment value DTz and end value MaxTz are set. Next, the rotation amount around the redundancy degree of freedom is cleared to zero in step S902. In S903, Af2 obtained by rotating the reference tool position / posture Af1 by ΔTz is obtained. In step S904, it is determined whether or not the position and orientation of the robot itself are subject to mechanical limitations. If not, the process proceeds to step S905, and it is determined whether the tool attached to the tip of the robot and the robot body do not interfere with each other. The operable range ΔTz is updated only when the robot itself is not limited and there is no interference with the tool T. In step S907, the rotation amount is increased by DTz. In S908, it is determined whether or not the rotation amount ΔTz exceeds the end value MaxTz. If it exceeds, the operation ends.
By operating as described above for each axis, each teaching point, and front and rear points, a range ΔTzi = (Tzi0, Tzi1) (i = 0 to M−1) that can be rotated around the redundant degree of freedom is determined. it can.
[0020]
Next, embodiments of claims 5 and 6 will be described. Claims 4 and 5 relate to how to create an evaluation function in step S707 in the description of claim 2.
The evaluation function of claim 5 is J = Σi Σj (Wij * ΔPij ² ). Here, ΔPij is the teaching point and the j-axis position change amount from the i-th operation point to the i + 1-th operation point when the front and rear points are arranged in the operation order, and Σj is the total of robot axes (j = 0 to N −1 and N are the number of axes of the robot), and Σi represents the total of the teaching point and the preceding and following points (i = 0 to M−1, M is the total of the teaching point and the preceding and following points). The j-axis position is determined by the rotation angle around the redundant degree of freedom, and Wi j is a weighting factor determined in advance. In this way, an operation program can be created in which the operation of each axis is reduced as a whole and the influence of servo delay and the like is reduced.
The evaluation function J of claim 6 is an evaluation function for determining the posture before and after the teaching point j 1, Ji 1 = Σj (Wij1 * (Pijpre−Pijpost) ² ),
(Where i is the operation sequence number when the teaching points are arranged in the operation sequence,
Pijpre is the previous point of the teaching point i, the position of the j-axis,
Pijpost is the rear point of the teaching point i, the position of the j axis,
Wij1 is a predetermined weighting factor,
(Σj represents the total number of robot axes)
And the evaluation function for determining the position of each axis at the teaching point i is
Ji 2 = Σj (Wij2pre * (Pijtch−Pijpre0) ² + Wij2post * (Pijpost0−Pijtch) ² )
(Here, Pijpre0 and Pijpost0 are rotational positions of the robot axes such that Ji1 is minimized, Pijtch is the position of the j-axis at the teaching point i, and Wij2pre and Wij2post are predetermined weighting factors)
I will take.
In this way, it is possible to create an operation program in which the calculation time of the evaluation function J is short, the change in the movement of each axis at the feature point to be worked is reduced, and the influence of the servo delay or the like is reduced.
[00021]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an operation program that can be actually operated can be created by teaching only the operation position of the robot without teaching the posture. Therefore, the teaching work is simplified and the working efficiency is greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of claim 1 of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention, in which (a) is a perspective view of a work object and (b) is viewed from above. FIG. 3 is a diagram for explaining the aim angle and the advance angle. FIG. 4 is a diagram for explaining the creation of front and rear points in the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram for explaining posture creation of teaching points in the embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing an embodiment of claim 2 of the present invention. FIG. An example of a tool having a degree of freedom [FIG. 9] A diagram showing an embodiment of claim 4 of the present invention [Explanation of symbols]
1 ... Welding torch W ... Work target T ... Tool

Claims

In the teaching playback method of creating an industrial robot motion program,
Using the teaching tool, create an operation program for only the teaching point, which is the starting point and ending point of the work on the work target, and multiple feature points in between.
Representing only the position information of the teaching point in an absolute coordinate system based on the installation environment of the robot,
Obtaining the coordinates of the front and rear points of each of the feature points on the interpolation path of the plurality of feature points between the teaching points by calculation based on a procedure predetermined in the absolute coordinate system,
Obtaining the posture of the previous point from the basic frame coordinates of the previous point and a transformation matrix that specifies the roll, pitch, and yaw angle of the tool posture provided in the robot,
Obtaining the posture of the rear point from the basic matrix coordinates of the front point and a transformation matrix that specifies the roll, pitch, and yaw angle of the tool posture provided in the robot,
The posture of the feature point is obtained by rotating around the outer product of the basic frame coordinates from the previous point posture by 1/2 of the angle formed by the Y-axis direction vector of the basic frame coordinates of the front point and the rear point,
A method for creating an operation program for an industrial robot, wherein the feature point, the coordinate obtained from the posture, the front point and the rear point obtained from the posture are inserted into the operation program.

A range that can be rotated around a redundant degree of freedom of the tool posture is determined for each of the feature point, the front point, and the rear point,
In the determined range, the feature point and the front point are obtained by setting a predetermined evaluation function expressing the motion position change amount of the feature point, the front point, and the back point to a predetermined value. The method for creating an operation program for an industrial robot according to claim 1, wherein the posture of the rear point is determined.

The position at which the front point and the rear point are added is determined according to an interpolation method. The distance from the teaching point on the motion interpolation line between the teaching points or the ratio between the teaching points on the motion interpolation line. 2. The method for creating an operation program for an industrial robot according to claim 1, wherein the operation program is determined by designating at a.

In determining the range in which the feature point, the front point, and the back point can be rotated around the redundant degree of freedom of the tool posture, the determination as to whether or not it is possible to rotate is due to the mechanical limitation of the robot itself. 3. The method for creating an operation program for an industrial robot according to claim 2, wherein the operation program is performed based on whether or not there is interference between the tool and the robot.

3. The method for creating an operation program for an industrial robot according to claim 2, wherein the evaluation function is J = Σi Σj (Wij * ΔPij ² ).
However, ΔPij is the j-axis position change amount from the i-th operation point to the i + 1-th operation point when the teaching point, the front point, and the rear point are arranged in the order of operation,
Σj is the total number of robot axes (j = 0 to N−1, N is the number of axes of the robot),
Σi represents the sum of the feature point, the front point, and the rear point (j = 0 to M−1, M is the total number of the teaching point, the front point, and the rear point), and the redundant freedom This j-axis position is determined by the rotation angle around degrees,
Wi j is a predetermined weight coefficient.

Among the evaluation functions J, the evaluation functions for determining the postures of the front point and the rear point of the teaching point j are:
Ji 1 = Σj (Wij1 * (Pijpre−Pijpost) ² ),
(Where i is the motion order number when the teaching points are arranged in motion order,
Pijpre is the point before the teaching point i, the position of the j-axis,
Pijpost is the rear point of teaching point i, the position of the j axis,
Wij1 is a predetermined weighting factor,
Σj represents the total number of robot axes)
And the evaluation function that determines the position of each axis at the teaching point i is
Ji 2 = Σj (Wij2pre * (Pijtch−Pijpre0) ² + Wij2post * (Pijpost0−Pijtch) ² )
(Where Pijpre0 and Pijpost0 are the rotational positions of each axis of the robot that minimizes Ji1, Pijtch is the position of the j-axis at the teaching point i, and Wij2pre and Wij2post are predetermined weighting factors). The method for creating an operation program for an industrial robot according to claim 2, wherein: