JP7096288B2 - ロボットを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、概してロボットシステムに関し、より具体的にはロボット切削工具の動作のためのシステム及び方法に関する。

プログラマブルコントローラは、複数の保存された制御プログラムに従って、ロボットなどの精巧な産業機器を動作させるものである。それぞれのプログラムが実行されると、プログラマブルコントローラ又はロボットコントローラが、１つ又は複数の検知装置（例えば、位置エンコーダ、温度センサ、又は圧力センサ）からの信号を評価することによって制御対象の機械の状態を検査すると共に、手続型のフレームワーク（ｐｒｏｃｅｄｕｒａｌ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ）、センサ信号、並びに必要に応じて更に複雑な処理に基づいて（例えば、サーボモーターの出力電圧を制御するか又は個々のコンポーネントにエネルギーを供給／遮断することによって）機械を稼働することになる。

一般に、プログラマブルコントローラは、従来の要素の集合体によって表されるコンピュータベースの制御ユニットと称される。また、制御ユニットは、処理プログラム、指令位置、及びシステムパラメータのユーザー入力を促進するために１つ又は複数のユーザーインタフェースをサポートしている。このようなユーザーインタフェースは、プログラマが適切なペンダントボタン又はスイッチを起動することによって一連の所望のイベントを通じてロボットをリードすることを可能にする教示ペンダント（ＴＰ：Ｔｅａｃｈ Ｐｅｎｄａｎｔ）を含むことがあり、且つ、シミュレーションの実行又は教示ペンダントとの組合せによる実際の試験の実行のために必要な一連の機能的ステップ及び位置的ステップが記述されうるオフラインＰＣシミュレーション装置を含むことがある。

処理プログラムを確立する際には、ロボットとロボットによる作業の対象であるワークとの間の物理的又は幾何学的な関係を確立する必要がある。従来の教示ペンダントシステムを使用して物理的又は幾何学的な座標点をロボットの作業領域（ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｎｖｅｌｏｐｅ）内に正確に確立するために、ユーザーは、通常、適切なペンダントボタン又はスイッチを起動することによって、ロボットを手動で操作し、且つ、座標点及び運動を物理的に教示している。基本的に、ユーザーは、教示された位置を確立するために、又は一連のステップを教示するために、ロボットを手動で運動させる必要がある。切削動作に関して言うと、ユーザーは、ロボット切削工具を手動で運動させることによってロボット切削工具に連続的な経路を通過させている。連続的な経路は、標準的な幾何学的形状（例えば、円又は矩形）の形態であってもよいし、ＣＡＤデータによって定義された形状であってもよい。

同様に、プログラム検証（ｐｒｏｇｒａｍ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）プログラム及びプログラム修正学習（ｐｒｏｇｒａｍ ｔｏｕｃｈ－ｕｐ ｌｅａｒｎｉｎｇ）プログラムは、通常、プログラムされたステップを通じてロボットをリードするか又は動かすことをユーザーに要求するものである。このような学習プログラムの使用中は、センサが、ロボットと関連する位置及び運動データを記録している。また、センサは、工具中心点（ＴＣＰ：Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ）の実際の位置データだけでなく、所望の位置からの位置変動又は位置ずれも記録している。プログラミング、プログラム検証、及びプログラム修正は、反復的に実行される場合があり、且つ、多大な時間を要する場合がある。

但し、このような反復的なシステムは、学習プログラムのプログラムされた精度及びＴＰの正確な動作に依存している。プログラムされた運動が不正確であったり、切削対象である材料が切削動作の影響を受けたりする場合には、プログラムされた運動からの位置変動又は位置ずれの計測値が既定値以下であったとしても、自動的且つ反復的な位置ずれの補正が、望ましくない切削動作又は容認できない切削動作を結果的にもたらすことがある。

ロボットの連続的な経路の改善を反復的に試みることが公知になっている。例えば、ロボットの経路を追跡すると共に、経路の補正用のフィードバックをロボットコントローラに提供するために、外部センサが使用されることがある。但し、これらの外部センサは、ロボットの費用を増大させ、余分な機器を追加し、且つ、その複雑性を増大させる。また、従来の方法は、ロボットの経路を補正するために、加速及び減速のプロファイルのようなコマンドパラメータを調節している。この調節の方法では、補正がプログラムされた曲線に沿って実行されるにすぎないので、柔軟性及び自由度が制限される。最後に、従来の方法は、サーボコマンドの監視及び調節に基づく閉ループサーボ制御を伴うものであった。但し、この方法は、大きなデータ記憶容量、特に、データの維持のためのバッファを必要とするものであり、やはりデータの量がモデルの影響を受けやすくなって好ましくない結果を招来することがある。

従って、ロボット切削工具の経路学習の視覚化を向上させるための、従来技術の欠点を克服する、システム及び方法を開発することが望ましい。

驚くべきことに、本発明と調和し且つ合致する状況において、ロボットの作業領域内の座標点の視覚化を向上させる方法が見出された。

この方法の一実施形態において、ユーザーは、ユーザープログラムを起動してロボットを第１の連続的なプログラムされた経路に沿って運動させることによって、実際のツール中心点の位置を表す第１軌跡を生成している。第１の連続的なプログラムされた経路と第１軌跡との間の経路のずれが演算されている。ユーザープログラムが演算された経路のずれの量だけ調節されることによって、補正済みのユーザープログラムが生成されている。実際のツール中心点の位置を表す第１軌跡が、メモリ装置に保存されている。補正済みのユーザープログラムを起動してロボットを第２の連続的なプログラムされた経路に沿って運動させることによって、実際のツール中心点の位置を表す第２軌跡が生成されている。次いで、第１軌跡及び第２軌跡が表示されている。

別の実施形態においては、経路学習制御プログラムを実行するロボットコントローラによって、ロボットを第１の連続的なプログラムされた経路に沿って運動させている。ロボットは、被加工品に対する動作を実行することなく運動している。第１の連続的なプログラムされた経路に沿ったロボットの実際の運動が記録されている。第１の連続的なプログラムされた経路が反復的に調節されることによって、１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路が生成されている。経路学習制御プログラムを実行するロボットコントローラによって、１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路に沿ってロボットを運動させている。ロボットは、被加工品に対する動作を実行することなく運動している。１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路に沿ったロボットの実際の運動が記録されている。第１の連続的なプログラムされた経路及び１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路に沿ったロボットの記録済みの実際の運動の軌跡が表示されている。ユーザーは、第１のプログラムされた連続的な経路及び１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路の軌跡のうちの１つを所望の連続的な経路として選択することを許可されている。ロボットは、ロボットコントローラによって、被加工品に対する動作を実行しながら所望の連続的な経路に沿って運動している。

本発明の上記の利点が、以下の詳細な説明から、特に、以下の図面に照らして検討することによって、当業者にとり容易に明らかなものとなるであろう。

本発明の一実施形態によるロボットシステムの描画図である。 本発明を内蔵したロボットシステムの概略図である。 本発明の一実施形態による経路学習制御のための方法の概略フロー図である。 本発明の一実施形態による例示的な切削動作のための反復的な経路学習プログラムのグラフィカル表示である。 本発明の一実施形態に従ってユーザーが補正済みの切削経路プログラムを視覚的に選択するのを可能にする例示的な制御画面である。

以下の詳細な説明及び添付図面には、本発明の種々の実施形態が記述され図示されている。これらの説明及び図面は、当業者による本発明の実施及び使用を可能にするのに役立つものであり、本発明の範囲をなんらかの方式で制限することを意図したものではない。

図１を参照して、多軸ロボットアーム１２と、ワーク品目１６を切削する切削工具１４と、を含むロボット工具１０について説明する。非限定的な例として、ワーク品目１６は、プラスチック又は金属のシート、管状のフレーム、又はこれらに類似したものであってもよいし、ロボット工具１０による作業の対象となるように意図された任意の他の品目であってもよい。ロボット工具１０は、ワーク品目１６に対して任意の動作を実行しうる。但し、本発明は、連続的な経路に沿って切削動作を実行する切削工具１４をロボット工具１０が含んでいる特定の用途を有している。切削動作は、標準的な幾何学的形状（例えば、円形又は矩形）の形態で行われてもよいし、コンピュータプログラムによって定義された所望の形状又はパターンで実行されてもよく、例えば、ＣＡＤデータによって実行されてもよい。

図２は、本発明を内蔵したシステム６０を示している。システム６０は、複数のタイプのデータオブジェクト６６を保存するための記憶装置６４を有する少なくとも１つのプログラマブルコントローラ６２を含んでいる。本明細書において使用されている「コントローラ」は、記憶装置６４上に保存された指令の形態を有するソフトウェア又はソフトウェアプログラムを実行するように構成されたコンピュータプロセッサを含むものとして定義されている。記憶装置６４は、任意の適切なメモリタイプ又はその組合せであってよい。また、本明細書において使用されている「記憶装置」は、ソフトウェア又はソフトウェアプログラムのみならず、データセット、表、アルゴリズム、及びその他の情報が保存されうる非一時的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）且つ有形のコンピュータ可読の記憶媒体を含むものとして定義されている。コントローラは、ソフトウェア又はソフトウェアプログラムを実行する目的のために記憶装置と電気的に通信しうる。

データオブジェクト６６のタイプは、限定されないものの、システム変数、ユーザープログラム変数、ユーザーＴＰプログラム、学習プログラム、エラーログ、システム設定、構成及び現在の状態、及びシステム変数を含んでいる。これらのタイプのデータオブジェクト６６は、異なるフォーマットで記述されているだけでなく、異なるプログラミング言語によって記述されている。例えば、フォーマットは、エラーログ、システム変数、及びユーザーＴＰプログラムによって異なることがある。

プログラマブルコントローラ６２は、ユーザーがデータ若しくはプログラムをコントローラ６２に入力するのを可能にするため、又はその内部に保存されたデータにアクセスするためのユーザーインタフェース６８を含みうる。ユーザーインタフェース６８は、ユーザー及び教示ペンダント７２に対して情報を表示するためのディスプレイ７０を含みうる。一実施形態において、ディスプレイ７０は、教示ペンダント７２の一部として構成されている。

プログラマブルコントローラ６２は、ロボットコントローラである場合があり、このような場合には、コントローラ６２は、様々なタスクを能動的に実行するためにロボット工具１０に結合されている。本発明がロボットコントローラに限定されるものではないことを理解されたい。非限定的な例として、プログラマブルコントローラ６２は、受動型のコントローラである場合があり、例えば、既定の状態を監視する監視装置である場合がある。センサ７４は、ロボット工具１０の位置ずれ及び／又は位置変動を監視しており、例えば、軌跡のエラー、経路のずれ、及びこれらに類似したものを監視している。センサ７４は、ＴＣＰ位置を決定するためにエンコーダのフィードバックデータを記録しうる。

プログラマブルコントローラ６２の動作の監視を支援するために、少なくとも１つのリモートコンピュータ７６が、好ましくは、機能的ネットワーク７８を介してプログラマブルコントローラ６２に結合されている。リモートコンピュータ７６は、プログラマブルコントローラ６２と同じ室内又は建物内に配置されてもよいし、完全に別個の建物内に配置されてもよい。この完全に別個の建物は、コントローラ６２と同一の地理的な領域に配置されてもよいし、そうでなくてもよい。ネットワーク７８は、コントローラのローカルネットワーク又は広域ネットワークであってもよいし、装置間の直接的なリンクであってもよい。

１つ又は複数の第２ユーザーインタフェース８０が、リモートコンピュータ７６に結合されている。１つ又は複数の第２ユーザーインタフェース８０は、アクセス対象である所望のデータに関する情報を入力するためのシミュレーションコンピュータのようなリモートコンピュータ装置を含みうる。また、リモートコンピュータ７６は、プログラマブルコントローラ６２とのデータのやり取りを促進するためにユーザーインタフェース８０及びネットワーク７８と通信するデータ交換促進装置８２を含みうる。

ロボット工具１０のフル稼働に先立って、プログラマブルコントローラ６２は、所望の手続型のフレームワークに基づいて動作するように、ユーザーによって適切にプログラムされなければならない。ロボット工具１０の動作を適切にプログラムする１つの方法によれば、ユーザーは、ロボット工具１０が所望の動作を実行できるように、ワーク品目１６に対する動作を、教示ペンダントを使用してプログラマブルコントローラ６２に「教示」する必要がある。図３及び図４を参照して、例示的なプロセス学習プロセスについて説明する。この学習プロセスによれば、先ず、ステップ１１０において、ロボット工具１０による切削対象であるマスタ形状がユーザーによって定義されている。ステップ１１０で定義されるマスタ形状は、連続的な経路に沿って切削工具１４を運動させることによって実現される、例えば、円形又は矩形のような標準的な幾何学的形状の形態を有することができる。或いは、その代わりに、マスタ形状は、ＣＡＤデータによって定義されてもよい。ステップ１１２において、切削工具１４を含むロボット工具１０は、所望の経路２００（図４）に沿って運動することによって、切削済みのマスタ形状を実現している。具体的には、プログラマブルコントローラ６２は、プログラムを実行してロボット工具１０を所望の連続的な経路２００に沿って運動させることによって、切削済みのマスタ形状を実現している。但し、ステップ１１２において、ロボット工具１０は、ワーク品目１６に対しては如何なる動作も実行していない。その代わりに、ステップ１１２の間に、切削工具１４の実際のＴＣＰ経路２０２がエンコーダデータから記録されている。

ステップ１１４において、所望の連続的な経路２００と実際のＴＣＰ経路２０２とが比較され、経路のずれが識別される。一実施形態において、経路のずれは、任意の運動ラインのための定義された経路データから隣接するＴＣＰ位置までの最短距離のうちの最大値を判定することによって算出されている。別の例として、実際のＴＣＰ経路２０２に沿って与えられた任意の点について、実際のＴＣＰ経路２０２と所望の連続的な経路２００との間のオフセットの量を識別するオフセットベクトル２０４が算出されてもよい。ステップ１１４で識別されたずれ及び変動は、プログラマブルコントローラ６２によって実行される所望の経路プログラムを補正し、それにより補正済みのプログラムを生成するのに使用されうる。また、所望の経路プログラムは、プロセスの速度、許容誤差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）、向き（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）、又はこれらに類似したものに対する変更を実現するために、自動又は手動で調節されてもよい。これらの調節のそれぞれが、補正済みのプログラムによって実現される実際のＴＣＰ位置に対して影響を及ぼすことがある。次いで、ステップ１１６において、補正済みのプログラムが、プログラマブルコントローラ６２によって起動されている。先程と同様に、ロボット工具１０は、補正済みのプログラムがステップ１１６で実行されているときには、ワーク品目１６に対して如何なる動作も実行していない。その代わりに、補正済みのプログラムが実行されており、第２の実際のＴＣＰ経路がエンコーダデータから記録されている。実際のＴＣＰ経路は、プロットされ且つ教示ペンダント７２若しくはディスプレイ７０においてユーザーに表示されるか、又はプロットされ且つ教示ペンダント７２及びディスプレイ７０の両方においてユーザーに表示される。加えて、ステップ１１２からのＴＣＰ位置２０８と補正済みの所望の経路２００に沿った補正済みのＴＣＰ位置２１０との間の差に相当する経路補正ベクトル２０６が識別されうる。

ステップ１１８において、ユーザーは実際のＴＣＰ経路を検討している。ユーザーの検討は、教示ペンダント７２又はディスプレイ７０における視覚的な検討、並びに変動及びずれの既定の許容誤差との比較の組合せでありうる。ディスプレイに基づいて又は他の方法で、許容誤差が満足されているとユーザーが視覚的に判定した場合には、ステップ１２０において、補正済みのプログラムと関連する学習済みのデータが記録される。次いで、ステップ１２２において、学習済みのデータが製造中に利用されることになる。

但し、実際のＴＣＰ経路がユーザーにとって満足なものでない場合には、付加的な学習の反復１２４が行われうる。具体的には、補正済みのプログラムが再度調節されることによって、切削工具１４が所望の経路２００のより近くを進むことを可能にする修正された補正済みのプログラムが生成されることになる。具体的には、ステップ１１４が繰り返されることによって、経路のずれが補正されるようにＴＰ教示位置データが調節されることになる。ステップ１１６が繰り返されることによって、修正された補正済みのプログラムが起動されると共に、エンコーダデータからのＴＣＰプロットが教示ペンダント又は別のディスプレイにグラフィカルに表示されることになり、また、プロットを検討するためにステップ１１８が繰り返されることによって、ユーザーは修正された補正済みのプログラムを容認又は拒絶できるようになる。許容誤差が満足されるか又はユーザーがプロットを手動で選択するまで、更なる反復が行われることになる。

例えば、図５に示されているように、ユーザーは、切削動作のいくつかの反復３００を実行しうる。ＴＰ又は別のディスプレイは、反復的な補正済みのプログラムによって指令されたＴＣＰの実際の運動のプロット又は軌跡３０２を表示しうる。具体的には、それぞれのプロット又は軌跡３０２は、実際のＴＣＰ経路３０４のグラフィカルな表示を含みうる。加えて、オーバーレイ軌跡３０６は、実際のＴＣＰ経路３０４に対する比較のために、所望のＴＣＰ経路を表示しうる。反復の都度、ユーザーには、検討及び選択のために、先行する反復のプロット又は軌跡が提供されうることを理解されたい。従って、ＴＰ又はプログラマブルコントローラは、ユーザーが生産レベルのプログラムとなる特定の反復を表す軌跡をステップ１２０で選択するまで、軌跡情報を含むそれぞれの反復と関連するデータを保存している。このように、ユーザーは、ＴＰ学習プログラムの以前の反復を再度実行しなくても、ＴＰ学習プログラムの以前の反復の際に生成された軌跡の一部又は全部から選択を実行しうる。

重要なのは、本発明が、既定の数学的な許容誤差レベルを超えないずれの単純な削除に依存していないということである。その代わりに、プログラムされた経路のそれぞれを所望の経路と比較して視覚的に検討する機会がユーザーに提供されている。更に、ユーザーは、反復的な補正済みプログラムのうちのいずれかによって生成された軌跡のいずれかを、主観的な基準及び客観的な基準の両方に基づいて選択できるようになる。このような選択には、外観のみに基づく選択も含まれる。反復的な補正済みプログラムの視覚的な選択を含む主観的な尺度を利用する機能は、特に、切削動作に適している。その理由は、いくつかの用途においては、数学的なずれよりも、切削された連続的な経路の外観のほうが重要な場合があるからである。更に、視覚的な検査及び主観的な基準によれば、ユーザーは、多大な時間を要する再プログラミングを行う必要なく、或いは、数多くの反復を行う必要なく、不適切に又は不正確にプログラムされた切削動作を補正することができるであろう。最後に、切削動作の適用対象であるいくつかの材料は、切削動作自体の影響を受けうるので、プログラムされた精度の他にも、切削動作に影響を及ぼす材料の運動、収縮、及び延伸等が引き起こされる場合がある。本発明によれば、有利なことに、ユーザーは、学習プログラムのプログラムされた精度を調節してプロセスの速度、向き、又はこれらに類似したものを含む要素を調節できるだけでなく、切削動作に対する任意の調節の効果及び結果的に得られる切削部の外観の任意の変化を視覚的に検討及び検査できるようになる。その結果、切削動作が、速度、精度、及び再現性のみならず、外観についても最適化されうる。

本発明の例示の目的のために特定の代表的な実施形態及び詳細について説明してきたが、添付した特許請求の範囲に更に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更が実施されうることが当業者にとって明らかであろう。

Claims (10)

1. ロボットを制御する方法であって、
   ユーザープログラムを起動して前記ロボットを第１の連続的なプログラムされた経路に沿って運動させることによって、実際の工具中心点の位置を表す第１軌跡を生成するステップと、
   前記第１の連続的なプログラムされた経路と前記第１軌跡との間の経路のずれを演算するステップと、
   前記ユーザープログラムを演算された経路のずれの量だけ調節することによって、補正済みのユーザープログラムを生成するステップと、
   実際の工具中心点の位置を表す前記第１軌跡をメモリ装置に保存するステップと、
   前記補正済みのユーザープログラムを起動して前記ロボットを第２の連続的なプログラムされた経路に沿って運動させることによって、実際の工具中心点の位置を表す第２軌跡を生成するステップと、
   前記第１の連続的なプログラムされた経路、前記第１軌跡及び前記第２軌跡を表示するステップと、
   ユーザーが前記第２軌跡は満足なものでないと判断した場合に、前記第２軌跡を調節し、調節された前記第２軌跡を表示するステップと、
   を含み、
   ユーザーが所望の連続的な経路を、前記第２軌跡から、軌跡の外観に基づいて選択するようにした、方法。
2. ユーザーが容認可能な所望の連続的な経路を選択するまでに、
   前記ユーザープログラムを演算された経路のずれの量だけ調節して補正済みのユーザープログラムを生成するステップと、
   前記補正済みのユーザープログラムを起動して前記ロボットを第２の連続的なプログラムされた経路に沿って運動させることによって実際の工具中心点の位置を表す第２軌跡を生成して表示するステップと、
   が前記ユーザーによって繰り返し実行させられることを可能にするステップを更に含む請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の連続的なプログラムされた経路は、標準的な幾何学的形状である、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の連続的なプログラムされた経路は、ＣＡＤデータによって定義されている、請求項１に記載の方法。
5. 前記ユーザープログラムを演算された経路のずれの量だけ調節することは、プロセスの速度、許容誤差、及び向きのうちの１つを自動的に調節している、請求項１に記載の方法。
6. ロボットを制御する方法であって、
   経路学習制御プログラムを実行するロボットコントローラによって、ロボットを第１の連続的なプログラムされた経路に沿って運動させるステップであって、前記ロボットが被加工品に対する動作を実行することなく運動する、ステップと、
   前記第１の連続的なプログラムされた経路に沿った前記ロボットの実際の運動を記録するステップと、
   ユーザーが前記第１の連続的なプログラムされた経路は満足なものでないと判断した場合に、前記第１の連続的なプログラムされた経路を反復的に調節することによって１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路を生成するステップと、
   前記経路学習制御プログラムを実行する前記ロボットコントローラによって、前記ロボットを前記１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路に沿って運動させるステップであって、前記ロボットが前記被加工品に対する動作を実行することなく運動する、ステップと、
   前記１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路に沿った前記ロボットの実際の運動を記録するステップと、
   前記第１の連続的なプログラムされた経路及び前記１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路に沿った前記ロボットの記録済みの実際の運動の複数の軌跡を表示するステップと、
   前記１つ又は複数の修正済みの連続的なプログラムされた経路の複数の軌跡のうちの１つを、前記軌跡の外観に基づいてユーザーが所望の連続的な経路として選択できるようにするステップと、
   前記ロボットコントローラによって前記ロボットを前記所望の連続的な経路に沿って運動させるステップであって、前記ロボットが前記被加工品に対する前記動作を実行しながら運動する、ステップと、を含む方法。
7. 前記第１の連続的なプログラムされた経路は、標準的な幾何学的形状である、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の連続的なプログラムされた経路は、ＣＡＤデータによって定義されている、請求項６に記載の方法。
9. 表示される軌跡の少なくとも１つは、所望の連続的な経路を更に含んでいる、請求項６に記載の方法。
10. 前記第１の連続的なプログラムされた経路を反復的に調節することは、プロセスの速度、許容誤差、及び向きのうちの１つを自動的に調節している、請求項６に記載の方法。

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