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発明の名称 ロボットの動作プログラム作成方法及びその作成装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−128684
公開日 平成10年(1998)5月19日
出願番号 特願平8−287986
出願日 平成8年(1996)10月30日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 強
発明者 宮地 計二 / 野間 真一 / 谷口 繁
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 ワークの実形状を単純化したワーク近似モデルを作成すると共に、このワーク近似モデルに対してティーチポイントを設定し、前記ワーク近似モデルに対して設定された前記ティーチポイントを、予め作成されたワーク実形状モデルに対応させるように写像し、これをティーチポイントに設定して動作プログラムを作成するようにしたことを特徴とするロボットの動作プログラム作成方法。
【請求項2】 ワークの実形状を単純化したワーク近似モデルを作成するワーク近似モデル作成手段と、このワーク近似モデル作成手段により作成されたワーク近似モデルに対してティーチポイントを設定するティーチポイント設定手段と、このティーチポイント設定手段により設定された前記ワーク近似モデルに対するティーチポイントを、予め作成されたワーク実形状モデルに対応させて写像するティーチポイント写像手段と、ティーチポイントの通過順序などを定めてロボットの動作プログラムを作成する動作プログラム作成手段とを具備したことを特徴とするロボットの動作プログラム作成装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、塗装用ロボットなどのロボットの動作プログラムを作成するためのロボットの動作プログラム作成方法及びその作成装置に関する。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】産業用のロボット、例えば塗装用ロボットを動作させる場合、ロボットを動作させるための動作プログラム(いわゆるティーチングプログラム)を作成する必要がある。この動作プログラムを作成する方法としては従来より種々の方法があり、大きくは、実際の塗装ラインにおいて、実機(ロボット)を用いて行うオンライン方式と、実際の塗装ライン以外で行うオフライン方式とに分けられる。また、オフライン方式としては、実際の塗装ラインと同様な作業環境で、実機と同種のロボットを用いて行う仮実機方式と、コンピュータによるシミュレーション機能を利用したコンピュータ・シミュレーション方式(CADティーチングとも呼ばれる)とがある。
【0003】このうち、オンライン方式の場合には、実際の塗装ラインにおいて、実際のワークを対象として行うものであるから、実際の作業環境に合った動作の設定が可能となる利点がある。しかしながら、ティーチング時に塗装ラインを停止させる必要があり、しかも、ティーチングに多くの時間がかかると共に、熟練を要するなどの欠点がある。
【0004】一方、オフライン方式のうち、仮実機方式の場合には、実際の塗装ライン以外で行うものであるから、塗装ラインを停止させる必要がなく、しかも、オンライン方式の場合と同様に、ほぼ実際の作業環境にあった動作の設定が可能となる利点がある。しかしながら、実機と同種のロボットが別途必要であると共に、実際の塗装ラインと同様な作業環境を作る必要があり、また、オンライン方式の場合と同様に、ティーチングに多くの時間がかかると共に、熟練を要するなどの欠点がある。
【0005】これに対して、コンピュータ・シミュレーション方式の場合には、ロボットモデルを含む作業環境の三次元モデル及びワークの三次元モデルを作成して表示画面に表示し、その表示画面上において、作業のポイントとなるティーチポイントを設定すると共に、各ティーチポイントの通過順序などを定めて動作プログラムを作成し、そして、表示画面上においてロボットを動作プログラムに従って動作させる作業シミュレーションを行い、この結果に基づいて動作プログラムを完成させるようにしたものである。
【0006】このようなコンピュータ・シミュレーション方式の場合には、上記した仮実機方式の場合と同様に、塗装ラインを停止させる必要がなく、しかも、ほぼ実際の作業環境にあった動作の設定が可能となる利点がある。また、仮実機方式の場合とは違い、ティーチング用のロボットを必要としないと共に、実際の塗装ラインと同様な作業環境を作る必要もない。
【0007】しかしながら、ワークの三次元モデルとして、ワークの実形状に忠実なワークモデルを用いた場合、特に自由曲面があるような形状の場合には、そのワークモデルに対してティーチポイントを設定することが困難な場合がある。
【0008】一方、ワークの三次元モデルとして、ワークの実形状に近似したワーク近似モデルを作成し、このワーク近似モデルに対してティーチポイントを設定すると共に、動作プログラムを作成する方法も考えられている。このような方法とした場合、ワークの実形状に近似したワーク近似モデルに対してティーチポイントを設定するので、ワークの実形状のモデルに対して行う場合とは違い、ティーチポイントを比較的容易に設定することができる。
【0009】しかしながら、ワーク近似モデルに対して設定されたティーチポイントを、そのまま実際のワークのティーチポイントとして使用しているため、特にワークに自由曲面があるような場合には、ワークに対してロボット動作の誤差が生じやすいという欠点がある。
【0010】本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、オフライン方式において、比較的複雑な形状のワークに対しても、ティーチポイントを容易に、しかも正確に設定することができ、ひいては動作プログラムを容易に、しかも正確に作成することができるロボットの動作プログラム作成方法及びその作成装置を提供するにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、本発明のロボットの動作プログラム作成方法は、ワークの実形状を単純化したワーク近似モデルを作成すると共に、このワーク近似モデルに対してティーチポイントを設定し、前記ワーク近似モデルに対して設定された前記ティーチポイントを、予め作成されたワーク実形状モデルに対応させるように写像し、これをティーチポイントに設定して動作プログラムを作成するようにしたことを特徴とするものである(請求項1の発明)。
【0012】このような方法によれば、ワークの実形状を単純化したワーク近似モデルを作成し、このワーク近似モデルに対してティーチポイントを設定するようにしているので、ワークの実形状のモデルに対して直接ティーチポイントを設定する場合に比べて、ティーチポイントを容易に設定することができる。そして、ワーク近似モデルに対して設定されたティーチポイントを、ワークの実形状に対応するワーク実形状モデルに写像し、これをワークの実形状に対応したティーチポイントに設定するようにしているので、ワークに自由曲面などがあるような場合でも、ティーチポイントを正確に設定することができるようになる。
【0013】また、上述したようなロボットの動作プログラムを作成する装置としては、ワークの実形状を単純化したワーク近似モデルを作成するワーク近似モデル作成手段と、このワーク近似モデル作成手段により作成されたワーク近似モデルに対してティーチポイントを設定するティーチポイント設定手段と、このティーチポイント設定手段により設定された前記ワーク近似モデルに対するティーチポイントを、予め作成されたワーク実形状モデルに対応させて写像するティーチポイント写像手段と、ティーチポイントの通過順序などを定めてロボットの動作プログラムを作成する動作プログラム作成手段とを具備した構成とすることが好ましい(請求項2の発明)。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。まず、図2には塗装用のロボット1の外観が示されており、このロボット1は、この場合多関節形ロボットであり、アーム先端部のハンド2に、塗料を吹き付けるためのスプレイガン3が取り付けられている。図3には塗装対象であるワーク4の一例が示されており、このワーク4は、ほぼ円柱状であるが、上部と下部が端部側に向けて次第に細くなるような形状となっており、それら上部と下部の外周面4a,4bが曲面状に形成されている。
【0015】一方、図4は、上記ロボット1の動作プログラムを作成するための作成装置の概略的なブロック構成を示している。この動作プログラムの作成装置は、演算・制御部10と、基礎データ記憶部11と、ロボットモデル記憶部12と、環境モデル記憶部13と、ワーク近似モデル記憶部14と、ワーク実形状モデル記憶部15と、ティーチポイント記憶部16と、動作プログラム記憶部17と、プログラム記憶部18と、例えばCRTディスプレイから成る表示部19と、キーボード20及びマウス21と、外部機器、例えばCAD(computer aided design )22などとの接続が可能な通信インタフェース23などから構成されている。
【0016】このうち、基礎データ記憶部11には、塗装対象であるワークの多数種類の基本形状に関するデータ、各基本形状に対応するティーチポイントに関するデータ、並びに各ティーチポイントの通過順序や移動速度などを定めた動作プログラムに関するデータが記憶されている。基本形状に関するデータとしては、例えば円柱、立方体、直方体、角筒、円筒、円錐などの形状と、配置のし方などがある。
【0017】ロボットモデル記憶部12には、上記ロボット1をモデル化したロボットモデルについての形状や各リンクのパラメータなどのデータが記憶されている。また、環境モデル記憶部13には、ロボット1が使用される周囲の設備、例えば仕切壁や搬送用レール、ハンガーなどをモデル化した環境モデルについての形状などのデータが記憶されている。
【0018】ワーク近似モデル記憶部14は、後述するように、基本形状から作成されるワーク近似モデルについてのデータを記憶し、ワーク実形状モデル記憶部15は、例えばCAD22から通信インタフェース23を介して読み込まれたワークの実形状モデルに関するデータを記憶する。ティーチポイント記憶部16は、ワーク近似モデル及びワーク実形状モデルに対して設定されるティーチポイントについてのデータを記憶し、動作プログラム記憶部17は、ワーク近似モデル及びワーク実形状モデルに対して作成される動作プログラムについてのデータを記憶するようになっている。
【0019】プログラム記憶部18には、ロボット1の動作プログラムを作成するために演算・制御部10を制御するためのプログラムが記憶されている。表示部19は、ワーク近似モデル、ワーク実形状モデル、ロボットモデル、環境モデル、ワーク近似モデル及びワーク実形状モデルに対するティーチポイントなどを表示すると共に、この表示画面上において作業のシミュレーションを実行する構成となっており、表示手段及び出力手段を構成している。また、キーボード20及びマウス21は、基本図形を選択したり、寸法情報を入力したりする際の入力手段を構成している。
【0020】そして、上記演算・制御部10は、後述するように、キーボード20及びマウス21の操作に基づき、ワークに近似した形状などの選択、寸法情報などに関するデータの入力に基づき、ワーク近似モデルを作成する機能(ワーク近似モデル作成手段)、作成されたワーク近似モデルに対してティーチポイントを設定する機能(ティーチポイント設定手段)、各ティーチポイントの通過順序などを定めた動作プログラムを作成する機能(動作プログラム作成手段)、ワーク近似モデルに対して設定されたティーチポイントをワーク実形状モデルに対して写像する機能(ティーチポイント写像手段)、及びロボットモデルによる作業シミュレーションを実行する機能などを備えている。
【0021】次に上記した構成の作成装置により、図3のワーク4を塗装する動作プログラムを作成する際の手順について、図1と、図5〜図9も参照して説明する。この場合、ワーク4の外周面を塗装する場合を対象としている。
【0022】図1は動作プログラムを作成するためのメインプログラムを示すもので、このプログラムがスタートすると、まず、使用者は、キーボード20或いはマウス21を操作して、基礎データ記憶部11に記憶された基本形状の中からワーク4に近似した形状を選択する(ステップS1)。この場合、ワーク4としては、上部及び下部の外周面4a,4bが曲面状に形成された形状となっているが、選択する図形としては、その曲面の部分は無視して、図5に示すような単純な円柱を選択する。そして、高さや直径などの寸法情報を入力する(ステップS2)。
【0023】また、使用者は、外部機器であるCAD22から、このCAD22に予め入力されているワーク4の実形状に関するデータを、通信インタフェース23を介して読み込ませる(ステップS3)。演算・制御部10は、この読み込んだデータをワーク実形状モデル記憶部15に記憶させる。
【0024】演算・制御部10では、上記ステップ1で選択された基本図形と、上記ステップ2で入力された寸法情報に基づき、図5に示すようなワーク近似モデル25を作成する(ステップS4)。このワーク近似モデル25は、ワーク4の実形状を単純化した形状となっている。このワーク近似モデル25を作成するサブルーチンのフローチャートを図6に示す。ここでは、ワーク近似モデルを作成する際に基本図形を複数組み合わせるようにした場合には、基本図形の集合演算を行う(ステップT1)。この演算は、例えばコンピュータグラフィックスの分野で用いられる、CSG(constructive solid geometry )の手法、或いはB-reps (boundary representation )の手法を用いる。なお、本実施例では、基本図形の組み合わせはなく、1個の円柱のみであるため、その円柱をワーク近似モデル25とし、このワーク近似モデル25に関するデータをワーク近似モデル記憶部14にファイルし(ステップT2)、メインルーチンに戻る。
【0025】演算・制御部10では、次に、上記ステップS4で作成されたワーク近似モデル25に対応するティーチポイントを設定すると共に、動作プログラムを作成する(ステップS5)。このティーチポイント設定、動作プログラム作成のサブルーチンのフローチャートを図7に示す。
【0026】ここでは、まず、ワーク近似モデル25に対応するティーチポイントの演算を行い(ステップU1)、これをワーク近似モデル25に対応させて表示部19に表示する。この一例を図8の(a)に示す。この図8(a)では、ワーク近似モデル25を二次元で示している。同図中、×印はティーチポイントTPを示し、矢印は塗装方向(スプレイガン3の吐出方向)を示している。各ティーチポイントTPにおける矢印(塗装方向)は、ワーク近似モデル25の外面と直交する方向(法線方向)となっている。このとき、必要に応じて、使用者がティーチポイントを設定することもできる。ワーク4の外周面の全周にわたって塗装する場合には、ティーチポイントTPとしては、図示はしないが、ワーク近似モデル25の外周面の全周にわたって設定されることになる。
【0027】このようにして、ワーク近似モデル25に対してティーチポイントTPを設定し、このティーチポイントTPのデータをティーチポイント記憶部16にファイルする(ステップU2)。
【0028】次に、ティーチポイントTPに番号付けを行い、塗装順序を決定する(ステップU3)。図8(a)において、ティーチポイントTPの後の数字は、ティーチポイントTPを通過する順番を示している。この塗装順序を決定する際に、スプレイガン3のオン位置及びオフ位置なども決定される。このようにして動作プログラムが作成され、この作成された動作プログラムを動作プログラム記憶部17にファイルし(ステップU4)、メインルーチンに戻る。
【0029】次に、使用者の操作により、上記ワーク近似モデル25に対して設定されたティーチポイントTPを、ワーク実形状モデルに写像(マッピング)する指示を行う。これに基づき、演算・制御部10では、ティーチポイントの写像を行う(ステップS6)。このティーチポイントの写像を行う際のサブルーチンのフローチャートを図9に示す。
【0030】ここでは、まず、ワーク近似モデル25に対して設定されたティーチポイントTPを、ワーク実形状モデル26(図8(b)参照)に写像するための写像計算を行う(ステップV1)。この場合、図8(c)に示すように、ワーク近似モデル25とワーク実形状モデル26とを重ね合わせ、ワーク近似モデル25に対して設定されたティーチポイントTPを、ワーク実形状モデル26に対応するように移すようにする。なお、この図8(c)は表示部19に表示されるわけではなく、説明上示したものである。図8(b)には、ワーク実形状モデル26に写像されたティーチポイントTP´を黒の点で示している。この写像されたティーチポイントTP´は、上部及び下部の曲面に対応した位置にも設定されている。
【0031】次に、各ティーチポイントTP´の各ベクトル(n,s,a)の修正を行い(ステップV2)、塗装方向(矢印)を決定する。このとき、塗装方向は、各ティーチポイントTP´において、ワーク実形状モデル26の外面の法線方向(外面と直交する方向)に設定される。このようにしてワーク実形状モデル26に写像されたティーチポイントTP´をティーチポイント記憶部16にファイルし(ステップV3)、メインルーチンに戻る。
【0032】次に、使用者の操作により、シミュレーションを実行する指示を行う。これに基づき、演算・制御部10では、ロボットモデルによる作業のシミュレーションを実行する(ステップS7)。このシミュレーションを実行する際のサブルーチンのフローチャートを図10に示す。
【0033】まず、ロボットモデル記憶部12からロボットモデル、環境モデル記憶部13から環境モデル(仕切壁や搬送用レールなどのモデル)に関するデータをそれぞれ読み出して、これらを表示部19に表示する(ステップW1)。また、ワーク実形状モデル記憶部15から上記ワーク実形状モデル26に関するデータを読み出して、これを表示部19に、上記ロボットモデル及び環境モデルと共に表示する(ステップW2)。
【0034】そして、表示部19の画面上において、ロボットモデルを、上記ステップS5で作成された動作プログラムに従って動作させ、作業のシミュレーションを行う(ステップW3)。このときのティーチポイントとしては、ワーク実形状モデル26に対応するように写像されたティーチポイントTP´を用いる。そして、チェック用演算を行い(ステップW4)、部材の衝突や干渉の有無、或いはロボットモデルにおいて特異点を通過するか否かなどをチェックする(ステップW5)。チェックの結果、部材の衝突や干渉がある場合、或いは特異点を通過する場合には、表示部19の画面上にその点の表示を行う(ステップW6)。例えば、部材の衝突や干渉がある場合には、関係する部材を赤で表示する。また、特異点を通過する場合には、ロボットモデルの動作速度が極端に早くなるため、それによって判別する。このような作業のシミュレーションが終了したら、メインルーチンに戻る。
【0035】上記シミュレーションの結果、ティーチポイントや動作プログラムに追加或いは修正をする必要がないかどうかを判別し(ステップS8)、追加或いは修正をする必要がある場合にはこれを行う(ステップS9)。このとき、部材間の衝突や干渉がある場合には、例えばティーチポイントをずらすように修正する入力を行う。また、特異点を通過するような場合には、例えば、ロボットの姿勢を予め変えるように、動作プログラムを修正する入力を行う。そして、ステップS5に戻る。ステップS8において、追加或いは修正をする必要がない場合には、動作プログラムを完成させる(ステップS10)。完成された動作プログラムは、動作プログラム記憶部17にファイルする。
【0036】以上により、動作プログラムの作成が完了する。そして、この作成された動作プログラムを用いて、実際の塗装ラインにおいてテスト塗装を行い、そこで更に修正が必要であれば、それを修正して完成させることになる。
【0037】上記した本実施例によれば、次のような効果を得ることができる。すなわち、ワーク4の実形状を単純化したワーク近似モデル25を作成し、このワーク近似モデル25に対してティーチポイントを設定するようにしているので、ワーク4の実形状のモデルに対して直接ティーチポイントを設定する場合に比べて、ティーチポイントを容易に設定することができる。そして、ワーク近似モデル25に対して設定されたティーチポイントTPを、ワーク4の実形状に対応するワーク実形状モデル26に写像し、これをワーク1の実形状に対応したティーチポイントTP´に設定するようにしているので、ワーク4に外周面4a,4bなどの自由曲面があるような場合でも、ティーチポイントを正確に設定することができるようになる。従って、ワーク4に対する動作プログラムを容易に、しかも正確に作成することができる。また、ワークとしては特定の形状に限定されず、任意の形状のワークに対して対応できる。
【0038】さらに、設定されたティーチポイントを修正する場合、ワーク近似モデル25に対するティーチポイントTPを修正し、そのティーチポイントTPをワーク実形状モデル26に写像することにより、ティーチポイントTP´を容易に修正することもできる。
【0039】本発明は上記した実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。基礎データ記憶部に基本図形に関するデータのみ記憶させておき、作成したワーク近似モデルに対して、使用者がティーチポイントを設定すると共に、動作プログラムを作成するようにしても良い。
【0040】作業のシミュレーションは、必ずしも必要なものではなく、必要に応じて行うようにすれば良い。さらに、本発明は、塗装用のロボットに限られず、例えば研磨用のロボットの動作プログラムを作成する場合にも適用することができる。
【0041】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ワークの実形状を単純化したワーク近似モデルを作成し、このワーク近似モデルに対してティーチポイントを設定するようにしているので、ワークの実形状のモデルに対して直接ティーチポイントを設定する場合に比べて、ティーチポイントを容易に設定することができる。そして、ワーク近似モデルに対して設定されたティーチポイントを、ワークの実形状に対応するワーク実形状モデルに写像し、これをワークの実形状に対応したティーチポイントに設定するようにしているので、ワークに自由曲面などがあるような場合でも、ティーチポイントを正確に設定することができるようになる。従って、ワークに対する動作プログラムを容易に、しかも正確に作成することができる。




 

 


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