JP2013107175A - Assembly robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多関節のロボットアームを備え、ロボットアームの剛性制御を行いながら二つのワークを嵌合させる組立ロボットに関する。 The present invention relates to an assembly robot including an articulated robot arm and fitting two workpieces while performing rigidity control of the robot arm.
従来、組立ロボットとして、多関節のロボットアームと、ロボットアームの先端に設けられたハンドとを備えたものが知られている。この組立ロボットを用いて二つのワークの嵌合作業を行う場合、一般に、組立ロボットに把持されるワークと固定側のワークとの間には位置誤差及び姿勢誤差があり、これが作業に支障を与える。この問題を解決するために、ロボットアームとハンドとの間に、あたかもバネやダンパがあるかのように剛性制御を行いながら、嵌合作業をする方法が良く用いられる。 2. Description of the Related Art Conventionally, as an assembling robot, one having an articulated robot arm and a hand provided at the tip of the robot arm is known. When fitting two workpieces using this assembly robot, there are generally position and orientation errors between the workpiece gripped by the assembly robot and the fixed workpiece, which interferes with the operation. . In order to solve this problem, a method of performing a fitting operation while performing rigidity control as if there is a spring or a damper between the robot arm and the hand is often used.
一般には、力センサで、力、トルク等を検出し、そのフィードバックにより剛性制御を行う。この場合、高価で高精度な力センサが必要となる、或いは、外力を検出してのフィードバックなので迅速性に欠ける、等の問題がある。そこで、力センサ無しでの剛性制御を行う方法が考案されている。 In general, a force sensor detects force, torque, and the like, and performs rigidity control by feedback. In this case, there is a problem that an expensive and highly accurate force sensor is required, or that feedback is detected by detecting an external force, so that it is not quick. Therefore, a method of performing rigidity control without a force sensor has been devised.
例えば、予め、組立ロボットのハンドの動作が嵌合方向となるように、計算・設定しておき、各軸のサーボゲインを小さくして、その状態で位置制御するコンプライアンス動作を実行する（特許文献１参照）。これにより、位置剛性が緩和されているので、組立ロボットのハンドが把持しているワークが固定側のワークに接触し、把持しているワークに外力が働いた場合、所定方向への逃げ追従動作が可能となる。そして、逃げ追従動作によりワーク間の位置誤差が漸次減少して、嵌合作業が終了する。 For example, calculation and setting is performed in advance so that the operation of the hand of the assembly robot is in the fitting direction, the servo gain of each axis is reduced, and the compliance operation for controlling the position in that state is executed (Patent Document) 1). As a result, the positional rigidity is relaxed, so if the workpiece gripped by the assembly robot hand contacts the workpiece on the fixed side and an external force is applied to the gripped workpiece, the follow-up operation in a specified direction Is possible. Then, the position error between the workpieces gradually decreases due to the relief follow-up operation, and the fitting operation is completed.
しかしながら、上述した従来例のような、コンプライアンス動作を行う組立ロボットでは、サーボゲインを低下させるので、サーボ応答が遅くなるという問題があった。また、ワークが小さく、ワーク同士が嵌合する嵌合位置を探る探り動作（嵌合方向に直交する探り方向への動作）が必要な場合もある。このような場合、サーボゲインを低下させて探り動作を行うと、探り方向と剛性緩和方向が同じとなり、ワークの位置制御が迅速に行えないという問題があった。 However, the assembly robot that performs the compliance operation as in the conventional example described above has a problem in that the servo response is slowed down because the servo gain is lowered. In some cases, the work is small and a search operation (operation in a search direction orthogonal to the fitting direction) to find a fitting position where the workpieces are fitted to each other is required. In such a case, if the search operation is performed with the servo gain lowered, the search direction and the rigidity relaxation direction become the same, and there is a problem that the position control of the workpiece cannot be performed quickly.
そこで、本発明は、サーボゲインを犠牲にすることなく、探り動作の際に、ワークの位置制御を行う組立ロボットを提供することを目的とするものである。 Therefore, an object of the present invention is to provide an assembly robot that performs position control of a workpiece during a search operation without sacrificing servo gain.
本発明は、第１ワークの突起部を第２ワークの嵌合穴に嵌合させる嵌合作業を行う組立ロボットにおいて、関節で旋回可能に連結された複数のリンクを有するロボットアームと、前記ロボットアームの先端に設けられたハンドと、前記ロボットアームの各リンクを旋回駆動するリンク駆動部と、前記第１ワーク及び前記第２ワークのうちいずれか一方のワークを前記ハンドに把持させて前記嵌合作業を行う際に、前記一方のワークを嵌合方向に付勢して前記第１ワークの突起部を前記第２ワークに接触させた状態で、前記一方のワークを前記嵌合方向と直交する探り方向に移動させて前記第１ワークの突起部が前記第２ワークの嵌合穴に嵌合する位置を探る探り動作を実行するよう前記リンク駆動部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記探り動作の実行時に、前記リンク駆動部を制御して、前記ロボットアームの先端における前記嵌合方向の剛性を、前記一方のワークが他方のワークから受ける反力に追従して前記嵌合方向と反対方向に移動する第１剛性に調整すると共に、前記ロボットアームの先端における前記探り方向の剛性を、前記一方のワークが前記他方のワークから受ける反力に抗して前記探り方向の位置を保持する第２剛性に調整する、ことを特徴とする。 The present invention relates to an assembly robot that performs a fitting operation for fitting a projection of a first workpiece into a fitting hole of a second workpiece, a robot arm having a plurality of links that are pivotally connected by joints, and the robot A hand provided at the tip of the arm, a link drive unit that pivotally drives each link of the robot arm, and one of the first work and the second work is held by the hand and the fitting is performed. When performing the joint operation, the one workpiece is perpendicular to the fitting direction in a state where the one workpiece is urged in the fitting direction and the projection of the first workpiece is in contact with the second workpiece. A control unit that controls the link driving unit so as to perform a search operation for searching for a position where the protrusion of the first workpiece is fitted in the fitting hole of the second workpiece by moving in the search direction The control unit When the search operation is performed, the link driving unit is controlled so that the rigidity in the fitting direction at the tip of the robot arm follows the reaction force that the one workpiece receives from the other workpiece. And adjusting the stiffness in the search direction at the tip of the robot arm against the reaction force that the one workpiece receives from the other workpiece in the search direction. It adjusts to the 2nd rigidity which hold | maintains.
本発明によれば、探り動作時に、ロボットアームの先端における嵌合方向の剛性は緩和され、探り方向の剛性は強化されることになるので、探り動作を迅速に行うことが可能となり、嵌合作業をスピードアップすることができる。 According to the present invention, during the search operation, the rigidity in the fitting direction at the tip of the robot arm is relaxed and the rigidity in the search direction is strengthened, so that the search operation can be performed quickly, and the fitting operation is performed. Can speed up the work.
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る組立ロボットの概略構成を示す説明図である。図１に示す組立ロボット１００は、基台１と、ロボットアーム２０と、ハンド８と、リンク駆動部３０と、ハンド駆動部１５と、制御部１８と、を備えている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an assembly robot according to an embodiment of the present invention. An
ロボットアーム２０は、基台１に固定される固定部としての固定リンク２と、複数（本実施形態では、２つ）のリンク３，４とを有し、これらリンク３，４が関節５，６で旋回可能に連結されてなる。
The
具体的に説明すると、固定リンク２の基端２ａが基台１に固定される。ロボットアーム２０は、複数のリンクとして、基端３ａが第１関節５で固定リンク２の先端２ｂに連結された第１リンク３と、基端４ａが第２関節６で第１リンク３の先端３ｂに連結された第２リンク４とを有する。
More specifically, the
ハンド８は、ロボットアーム２０の先端２０ｂ、具体的には、第２リンク４の先端４ｂに旋回可能に設けられている。つまり、ハンド８は、第３関節７で第２リンク４に旋回可能に連結されている。
The
リンク駆動部３０は、各リンク３，４を旋回駆動するものである。リンク駆動部３０は、第１関節５を挟んで配置された一対の第１拮抗アクチュエータ９，１０と、第２関節６を挟んで配置された一対の第２拮抗アクチュエータ１１，１２と、を有する。更に、リンク駆動部３０は、第１関節５及び第２関節６を挟んで配置された一対の第３拮抗アクチュエータ１３，１４を有する。
The
各第１拮抗アクチュエータ９，１０の一端は、固定リンク２に接続され、他端は、第１リンク３に接続されている。また、各第２拮抗アクチュエータ１１，１２の一端は、第１リンク３に接続され、他端は、第２リンク４に接続されている。また、各第３拮抗アクチュエータ１３，１４の一端は、固定リンク２に接続され、他端は、第２リンク４に接続されている。
One end of each first
つまり、第１拮抗アクチュエータ９，１０は、固定リンク２に対して第１リンク３を旋回駆動する第１の一関節駆動アクチュエータである。第２拮抗アクチュエータ１１，１２は、第１リンク３に対して第２リンク４を旋回駆動する第２の一関節駆動アクチュエータである。また、第３拮抗アクチュエータ１３，１４は、固定リンク２に対して第１リンク３を、第１リンク３に対して第２リンク４を同時に旋回駆動する二関節同時駆動アクチュエータである。本実施形態では、各アクチュエータ９〜１４は、ＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータ（所謂、人工筋肉アクチュエータ）であり、収縮することで引っ張り力（収縮力）が発生し、弛緩することで、引っ張り力が緩和される。
That is, the first
つまり、第１拮抗アクチュエータ９，１０の駆動力の差、即ち引っ張り力の差により第１リンク３が固定リンク２に対して相対的に旋回駆動される。また、第２拮抗アクチュエータ１１，１２の駆動力の差、即ち引っ張り力の差により第２リンク４が第１リンク３に対して相対的に旋回駆動される。また、第３拮抗アクチュエータ１３，１４の駆動力の差、即ち引っ張り力の差により、第１リンク３及び第２リンク４が同時に旋回駆動される。即ち第１リンク３が固定リンク２に対して相対的に旋回駆動されると共に、第２リンク４が第１リンク３に対して相対的に旋回駆動される。
That is, the
また、第１拮抗アクチュエータ９，１０の駆動力の和、即ち引っ張り力の和により固定リンク２に対する第１リンク３の剛性が設定される。また、第２拮抗アクチュエータ１１，１２の駆動力の和、即ち引っ張り力の和により第１リンク３に対する第２リンク４の剛性が設定される。更に、第３拮抗アクチュエータ１３，１４の駆動力の和、即ち引っ張り力の和により、固定リンク２に対する第１リンク３の剛性及び第１リンク３に対する第２リンク４の剛性が設定される。
Further, the rigidity of the
したがって、これら一対の第１拮抗アクチュエータ９，１０、一対の第２拮抗アクチュエータ１１，１２、一対の第３拮抗アクチュエータ１３，１４の駆動力を調整することにより、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける剛性を設定することができる。
Therefore, by adjusting the driving force of the pair of
ハンド駆動部１５は、ハンド８をロボットアーム２０の先端２０ｂ、即ち第２リンク４の先端４ｂに対して旋回駆動するものである。このハンド駆動部１５は、第２リンク４とハンド８との間の第３関節７に設けられた電動回転モータであり、ハンド８の姿勢を調整することができる。
The
制御部１８は、リンク駆動部３０及びハンド駆動部１５を駆動制御して、各リンク３，４及びハンド８に所定の動作を行わせると共に、ロボットアーム２０の先端２０ｂの剛性、即ち第２リンク４の先端４ｂの剛性を制御するものである。
The
なお、各関節５，６，７には、旋回角度を検出する角度検出部としてのロータリーエンコーダ２１，２２，２３が組み込まれている。具体的に説明すると、第１の角度検出部としてのロータリーエンコーダ２１は、固定リンク２に対する第１リンク３の旋回角度を検出する。第２の角度検出部としてのロータリーエンコーダ２２は、第１リンク３に対する第２リンク４の旋回角度を検出する。第３の角度検出部としてのロータリーエンコーダ２３は、第２リンク４に対するハンド８の旋回角度を検出する。
Note that
第１ワーク（嵌合ワーク）１６は、円柱形状の突起部４１を有しており、第２ワーク（被嵌合ワーク）１７には、第１ワーク１６の突起部４１が嵌合する嵌合穴４２が形成されている。この嵌合穴４２は、穴底面４２ａと、穴底面４２ａから垂直に延びる垂直面４２ｂと、垂直面４２ｂの上端に接続され、上方（開放側）に向かって広がるガイド面となる傾斜面４２ｃとで形成されている。
The first work (fitting work) 16 has a
ハンド８は、第１ワーク１６及び第２ワーク１７のいずれか一方のワーク、本実施形態では、第１ワーク１６を把持する。他方のワーク、本実施形態では、第２ワーク１７は、基台１に載置固定される。
The
制御部１８は、各関節５，６，７に組み込まれたロータリーエンコーダ２１，２２，２３の検出結果（検出角度）に基づき、リンク駆動部３０及びハンド駆動部１５の駆動を制御することで、ロボットアーム２０及びハンド８を動作させる。また、制御部１８は、リンク駆動部３０、即ち各アクチュエータ９〜１４の駆動を制御することで、ロボットアーム２０の先端２０ｂ（第２リンク４の先端４ｂ）における剛性を制御する。
The
具体的には、制御部１８は、第１関節５及び第２関節６における回転角度（旋回角度）と、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける目標の剛性特性のパラメータとにより、各アクチュエータ９〜１４での発生力を計算する。そして、制御部１８は、各アクチュエータ９〜１４に発生力指令を出力し、各アクチュエータ９〜１４に発生力指令に対応する発生力を発生させ、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける剛性を目標の剛性に調整する。
Specifically, the
図２は、組立ロボット１００の嵌合作業の動作を説明するためのフローチャートであり、図３は、探り動作及び嵌合動作を説明するための図である。以下、図２及び図３を参照して、図１に示されている組立ロボット１００の動作について述べる。以下の説明において、第２ワーク１７の嵌合穴４２の延びる方向、及び固定リンク２の延びる方向と平行な軸をｖ軸とする。また、ｖ軸に垂直な方向の軸をｈ軸とする。
FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the assembling work of the
まず、嵌合作業の前工程について説明する。基台１の所定の位置には、第２ワーク１７が、作業者又は他のロボットなどによって、嵌合穴４２が上方を向く所定姿勢で固定される。
First, the pre-process of the fitting operation will be described. The
制御部１８は、予め定められた動作指令によって、第１ワーク１６をハンド８に把持させ、第１ワーク１６の突起部４１の延びる方向と第２ワーク１７の嵌合穴４２の延びる方向とが平行となるように、各関節５，６，７における関節角度（旋回角度）を調整する。
The
この時、嵌合作業前の段階なので、ハンド８の位置制御、即ち、各関節５，６，７の角度制御のみが行われ、ロボットアーム２０全体として高剛性が要件となっている。これは、拮抗配置されている一対の第１拮抗アクチュエータ９，１０、一対の第２拮抗アクチュエータ１１，１２、一対の第３拮抗アクチュエータ１３，１４の駆動源のそれぞれの発生力の和が大きくなるように設定することで実現される。
At this time, since it is a stage before the fitting operation, only the position control of the
また、以降の作業時は、ハンド８の姿勢を嵌合時の基準姿勢に保持する。この基準姿勢は、予め、冶工具等を用いて、作業開始以前に第１ワーク１６と第２ワーク１７の嵌合方向に設定される。具体的には、固定リンク２に対する第１リンク３の旋回角度と、第１リンク３に対する第２リンク４の旋回角度と、第２リンク４に対するハンド８の旋回角度との和が一定なるように制御することで達成される。本実施形態では、制御部１８は、その和を１８０°に制御する。オフセット誤差は、冶工具等を用いた初期調整で吸収する。
Further, during the subsequent work, the posture of the
このように、ハンド８に第１ワーク１６を把持させて、第２ワーク１７が基台１にセットされた後、組立ロボット１００は、第１ワーク１６の突起部４１を第２ワーク１７の嵌合穴４２に嵌合させる嵌合作業を行う。
Thus, after the
具体的に説明すると、まず、制御部１８は、リンク駆動部３０を制御して、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向（ｖ軸方向の負方向）の剛性を、低剛性である第１剛性に調整する（Ｓ１００）。このとき、制御部１８は、リンク駆動部３０を制御して、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向と直交する探り方向（ｈ軸方向）の剛性を、第１剛性よりも高い高剛性である第２剛性に調整する。ここで、第１剛性は、第１ワーク１６が第２ワーク１７から受ける反力に追従して嵌合方向と反対方向に移動する剛性に設定される。これにより、第１ワーク１６を嵌合方向に移動させる際に、ハンド８の位置での嵌合方向の剛性が緩和される。また、第２剛性は、第１ワーク１６が第２ワーク１７から受ける反力に抗して探り方向（ｖ軸方向に直交するｈ軸方向）の位置を保持する剛性に設定される。つまり、第２剛性は、第１ワーク１６が第２ワーク１７から受ける反力によっても移動しない程度の剛性である。
More specifically, first, the
そして、制御部１８は、リンク駆動部３０及びハンド駆動部１５を制御して、第１ワーク１６を嵌合方向（ｖ軸方向の負方向）に移動させ、第１ワーク１６の突起部４１を第２ワーク１７に接触させる（Ｓ１０１）。このとき、制御部１８は、第１ワーク１６を嵌合方向に付勢して第１ワーク１６の突起部４１を第２ワーク１７に接触させた状態を保持させる。つまり、第１ワーク１６の突起部４１は、第２ワーク１７に押し付けられた状態で保持されている。制御部１８は、リンク駆動部３０を制御して第１ワーク１６を第２ワーク１７に接触させる際に、ハンド駆動部１５を制御して突起部４１と嵌合穴４２との平行状態を維持している。
Then, the
この際、第１ワーク１６の突起部４１のｖ軸方向の目標位置は、設計上、微小量だけ嵌合した状態の位置に設定する。或いは、ｖ軸方向の目標位置を少しずつ更新しながら、各関節５，６，７に組み込まれたロータリーエンコーダ２１，２２，２３の出力をモニタして、その変化より接触を知る方法でも良い。つまり、第１剛性に設定されたことにより、第２ワーク１７の反力が作用した第１ワーク１６に押されてロボットアーム２０の各リンク３，４が旋回し、これに伴って制御部１８は、ハンド８が所定の姿勢を保つためにハンド８を旋回される。そして、制御部１８は、各ロータリーエンコーダ２１，２２，２３の検出結果に基づき、第１ワーク１６が第２ワーク１７に接触したか否かを判断する。
At this time, the target position in the v-axis direction of the protruding
通常は、図３（ａ）の状態で突起部４１が第２ワーク１７に接触する。この場合、両ワーク１６，１７間に力が働くが、予め、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向の剛性が緩和されているので、ワーク１６，１７間に働く力は緩和される。
Usually, the
次に、制御部１８は、探り動作を行いながら位置（ｖｎ、ｈｎ）測定値を更新していく（Ｓ１０２）。探り動作は、以下のように制御部１８により実行される。つまり、制御部１８は、リンク駆動部３０及びハンド駆動部１５を制御し、突起部４１を第２ワーク１７に接触させた状態で、第１ワーク１６を探り方向（ｈ軸方向）に移動させて第１ワーク１６の突起部４１が第２ワーク１７の嵌合穴４２に嵌合する位置を探る。
Next, the
具体的に説明すると、制御部１８は、予め調整設定された微小目標変位γ（＞０）、δ（＞０）を用いて、ｖ軸方向の突起部４１の目標位置をｖｎ−γとし、第１ワーク１６の突起部４１を第２ワーク１７に接触させる。また、制御部１８は、ｈ軸方向の探り動作の１回目は、目標位置をｈ１＋δ、２回目は、目標位置をｈ２−２・δ、３回目は、目標位置をｈ３＋３・δのように更新する。
Specifically, the
このとき、制御部１８は、探り動作の実行時に、突起部４１の延びる方向と嵌合穴４２の延びる方向とが平行な状態を維持するように、各ロータリーエンコーダ２１，２２，２３の検出結果に基づいて、ハンド駆動部１５を制御する。このように制御することで、制御部１８は、突起部４１を探り動作させたときのｖ軸方向の位置の変化を正確に把握することができる。なお、探り動作は、本実施形態では初期位置を中心に探る方法であるが、方向毎に所定距離を探る方法等でも良い。この探り動作の実行時に、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける探り方向の剛性は、第２剛性と高いままなので、迅速な探り位置制御が可能となっている。
At this time, the
次に、制御部１８は、探り動作毎に、更新された測定値より｜ｖｎ＋１−ｖｎ｜を評価、つまり、ｖｎ＋１−ｖｎの値の絶対値が所定の値Δ以上か否かを判断する（Ｓ１０３）。
Next, for each search operation, the
そして、制御部１８は、
Then, the
また、制御部１８は、
In addition, the
次に、制御部１８は、有意な変化Δがあった場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、つまり、図３（ｃ）に示す状態となった場合、これまで高剛性であった嵌合方向に垂直な探り方向（ｈ軸方向）の剛性を低剛性に緩和する（Ｓ１０４）。つまり、制御部１８は、コンプライアンス動作を実行する。この際、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向の剛性はそのままでも良いし、剛性を上げても良いが、望ましくは、剛性を上げる。
Next, when there is a significant change Δ (S103: YES), that is, when the
このコンプライアンス動作実行時、突起部４１のｖ軸方向の位置は、ｖｎ−ζを目標位置として設定される。そこで、本実施形態においては、ハンド８（つまり、ロボットアーム２０の先端２０ｂ）における剛性特性は、その分布がｖ−ｈ軸に長短軸が平行な楕円形状となるように制御されている。その結果、変位方向（探り方向）と平行な力が発生するので、ｈ軸に平行な負方向の微小な力が突起部４１に加わっている。
When this compliance operation is executed, the position of the
従って、第２ワーク１７の嵌合穴４２の傾斜面４２ｃより第１ワーク１６の突起部４１に働く外力Ｆｅｘは、図３（ｃ）中白抜き矢印で示すように、第２ワーク１７の嵌合穴４２中心軸方向となる（逃げ追従動作）。
Therefore, the external force F ex acting on the
結果、最終的は、（ｖ、ｈ）値の更新は無くなり、第１ワーク１６の突起部４１と第２ワーク１７の嵌合穴４２との嵌合が達成される。
As a result, finally, the (v, h) value is not updated, and the fitting between the
以上のように、本実施形態では、探り動作中にサーボゲインを落とすことなく、ワーク間の接触状況の変化が見られたら、剛性の特性を変えるので、迅速な嵌合作業が可能となる。つまり、探り動作時に、ロボットアーム２０の先端２０ｂにおける嵌合方向の剛性は緩和され、探り方向の剛性は強化されることになるので、探り動作を迅速に行うことが可能となり、嵌合作業をスピードアップすることができる。
As described above, according to the present embodiment, if the change in the contact state between the workpieces is observed without reducing the servo gain during the search operation, the rigidity characteristic is changed, so that a quick fitting operation can be performed. In other words, during the search operation, the rigidity in the fitting direction at the
次に、ハンド８（ロボットアーム２０の先端２０ｂ）の剛性特性をコントロール方法について詳細に説明する。図４は、図１のロボットアーム２０をモデル化した図である。以下の説明では、重力及び摩擦等の影響は無視する。
Next, a method for controlling the rigidity characteristics of the hand 8 (the
ｖ−ｈ軸をｘ−ｙ軸とし、第１リンク３をＬ１、そのリンク長をｌ１、第２リンク４をＬ２、そのリンク長をｌ２とする。また、アクチュエータ９をｅ１、アクチュエータ１０をｆ１、アクチュエータ１１をｅ２、アクチュエータ１２をｆ２、２リンク同時アクチュエータ１３をｅ３、２リンク同時アクチュエータ１４をｆ３とする。また、第１関節５周りのトルクをＴ１、第２関節６周りのトルクをＴ２として表し、第１リンクＬ１とｘ軸のなす角をθ１、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２とのなす角をθ２とする。さらに、第１関節５と第２関節６のモーメントアームをｒとする。
The vh axis is the xy axis, the
また、アクチュエータｅ１、ｆ１、ｅ２、ｆ２、ｅ３、ｆ３も筋の粘弾性モデルで表す。ＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータは、筋の粘弾性モデルを具現化するものの代表である。 The actuators e 1 , f 1 , e 2 , f 2 , e 3 , and f 3 are also represented by muscle viscoelastic models. McKibben type pneumatic actuators are representative of those that embody muscle viscoelastic models.
図５は、アクチュエータの粘弾性モデルを示す図である。このモデルでは、バネ成分及びダンパ成分を持ったアクチュエータとして表わされ、出力Ｆは、以下の式（１）のように数式化されることが知られている。 FIG. 5 is a diagram illustrating a viscoelastic model of the actuator. This model is expressed as an actuator having a spring component and a damper component, and the output F is known to be expressed by the following equation (1).
バネ成分、ダンパ成分の係数は筋肉の収縮力ｕに比例する関数として表され、収縮力ｕの設定がモデルのアクチュエータの剛性設定となる。ｋ、ｂはそれぞれ比例定数、ｘは自然長からの変位である。 The coefficients of the spring component and the damper component are expressed as a function proportional to the contraction force u of the muscle, and the setting of the contraction force u is the stiffness setting of the model actuator. k and b are proportional constants, respectively, and x is a displacement from the natural length.
周知のように、手先Ｗでの剛性は、一般に、微小外力ΔＦｘ、ΔＦｙによるリンク先端の微小変位をΔｘｔ、Δｙｔとすると、以下の式（２）となる。 As is well known, the rigidity at the hand W is generally expressed by the following equation (2), where Δx t and Δy t are the minute displacements of the link tip caused by minute external forces ΔF x and ΔF y .
したがって、手先Ｗでの剛性は、以下の式（３）に相似の楕円形状で表され、スティフネス楕円と称される。 Therefore, the rigidity at the hand W is represented by an elliptical shape similar to the following formula (3), and is referred to as a stiffness ellipse.
上述した組立ロボット１００では、先ず、ステップＳ１００で、コンプライアンス方向をｘ軸方向（ｖ軸方向）に設定、即ち、ｙ軸方向（ｈ軸方向）の剛性がｘ軸方向（ｖ軸方向）の剛性よりも高い状態に設定する。次に、ステップＳ１０４で、コンプライアンス方向をｙ軸方向（ｈ軸方向）に設定、即ち、ｘ軸方向（ｖ軸方向）の剛性がｙ軸方向（ｈ軸方向）の剛性よりも高い状態に設定する。
In the
その際、スティフネス楕円は、長短軸がｘ−ｙ軸に平行な楕円であることが望まれ、式（４）が条件となる。 At that time, it is desirable that the stiffness ellipse is an ellipse whose major and minor axes are parallel to the xy axis, and Equation (4) is a condition.
スティフネス楕円の軸長を２α、２βとすると、以下の式（５）のように表せる。 If the axial length of the stiffness ellipse is 2α and 2β, it can be expressed as the following equation (5).
従って、スティフネス楕円は、図４のようになる。各アクチュエータの駆動源の収縮力をｕｅ１、ｕｆ１、ｕｅ２、ｕｆ２、ｕｅ３、ｕｆ３として、各拮抗対に対応する和をＵ１、Ｕ２、Ｕ３とする。図４のように、粘弾性を有するアクチュエータが拮抗に配置されていると、その収縮力の各和Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を制御することにより、手先Ｗでの剛性が制御できる。 Therefore, the stiffness ellipse is as shown in FIG. The contraction force of the drive source of each actuator is set to u e1 , u f1 , u e2 , u f2 , u e3 , u f3 , and the sum corresponding to each antagonistic pair is set to U 1 , U 2 , U 3 . As shown in FIG. 4, when the actuator having viscoelasticity is arranged in an antagonistic manner, the rigidity at the hand W can be controlled by controlling the sum U 1 , U 2 , U 3 of the contraction force.
即ち、微小な外力ΔＦｘ、ΔＦｙによる、関節の微小な回転角度をΔθ１、Δθ２とすると、筋の粘弾性を有するアクチュエータは、筋の弾性力によりリンクに微小なトルクΔＴｐ１、ΔＴｐ２を発生させ、式（６），（７）の関係で表されることが知られている。 That is, if the minute rotation angles of the joints by the minute external forces ΔF x and ΔF y are Δθ 1 and Δθ 2 , the actuator having muscle viscoelasticity has a minute torque ΔT p1 and ΔT applied to the link by the muscle elastic force. It is known that p2 is generated and expressed by the relationship of the equations (6) and (7).
式（６），（７）から判るように、Ｕ１＋Ｕ３、Ｕ２＋Ｕ３、Ｕ３を大きく設定すると、各関節での剛性は高まる。そして、式（５）より、Ｕ１＋Ｕ３、Ｕ２＋Ｕ３、Ｕ３を大きく設定すると、α、βも大きくなることが判る。 As can be seen from the equations (6) and (7), when U 1 + U 3 , U 2 + U 3 , and U 3 are set large, the rigidity at each joint increases. From the equation (5), it can be seen that if U 1 + U 3 , U 2 + U 3 , and U 3 are set large, α and β also increase.
そこで、式（８）はヤコビ行列である。 Therefore, Equation (8) is a Jacobian matrix.
この式（８）のヤコビ行列を導入すると、以下の式（９），（１０）の関係がある。 When the Jacobian matrix of the equation (8) is introduced, the following equations (9) and (10) are related.
よって、これらの式（９），（１０）から、以下の式（１１），（１２）が導かれる。 Therefore, the following formulas (11) and (12) are derived from these formulas (9) and (10).
ｘ−ｙ軸に平行なスティフネス楕円を得るためには、以下の式（１３）となる。 In order to obtain a stiffness ellipse parallel to the xy axis, the following equation (13) is obtained.
所望のα、βと、第１リンクＬ１のリンク長ｌ１、第２リンクＬ２のリンク長ｌ２、第１リンクＬ１とｘ軸のなす角θ１、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２のなす角θ２、アクチュエータのバネ定数ｋ、第１関節５と第２関節６のモーメントアームｒを代入する。これらを代入した式（１３）の連立方程式を解くことで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の値が得られる。 Desired alpha, and beta, link length l 1 of the first link L 1, the link length l 2 of the second link L 2, the first link L 1 and the angle theta 1 of the x-axis, the first link L 1 and the The angle θ 2 formed by the two links L 2 , the spring constant k of the actuator, and the moment arm r of the first joint 5 and the second joint 6 are substituted. The values of U 1 , U 2 , and U 3 can be obtained by solving the simultaneous equations of Equation (13) into which these are substituted.
ここで、例を示す。ｌ１＝０．６［ｍ］、ｌ２＝０．８［ｍ］、ｋ＝３、ｒ＝０．１［ｍ］とする。 Here is an example. Let l 1 = 0.6 [m], l 2 = 0.8 [m], k = 3, and r = 0.1 [m].
ｃａｓｅ１： θ１＝５０［°］、θ２＝８０［°］
ｃａｓｅ２： θ１＝６０［°］、θ２＝９０［°］
ｃａｓｅ３： θ１＝７０［°］、θ２＝１００［°］
に関して、α＝βの時のＵ１を１として、αβ一定のもと、α／β、即ち、楕円比をパラメータとしてグラフ化したものを図６に示す。図６は、楕円比α／βに対する相対的発生力を示すグラフであり、図６（ａ）はｃａｓｅ１を、図６（ｂ）はｃａｓｅ２を、図６（ｃ）はｃａｓｅ３を示している。図６（ａ）〜図６（ｃ）より、Ｕ１を大きく、Ｕ２を小さくするに連れて、α／βを大きくすることでき、Ｕ１を小さく、Ｕ２を大きくするに連れて、α／βを小さくすることができることが判る。
case1: θ 1 = 50 [°], θ 2 = 80 [°]
case2: θ 1 = 60 [°], θ 2 = 90 [°]
case3: θ 1 = 70 [°], θ 2 = 100 [°]
FIG. 6 shows a graph of α / β, that is, the ellipticity ratio as a parameter, with U 1 being 1 when α = β and αβ constant. FIG. 6 is a graph showing the relative generated force with respect to the ellipticity ratio α / β. FIG. 6A shows
ここで、α／βの比を変えなければ、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の大小関係、比率は変わらず、α／β一定の下でのα、βに比例する。このように、所定の条件下で、所望のα、βが決まれば、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３は、一意的に決められることが判る。 Here, if the ratio of α / β is not changed, the magnitude relationship and ratio of U 1 , U 2 , and U 3 are not changed, and are proportional to α and β under constant α / β. Thus, it can be seen that U 1 , U 2 , and U 3 can be uniquely determined if desired α and β are determined under predetermined conditions.
従って、図２に示すフローチャートに従うと、ステップＳ１００では、α／βを１よりも大きめの値に設定し、嵌合方向の剛性を緩和する。ステップＳ１０４では、α／βが１よりも小さく変化するように設定し、嵌合方向に垂直な方向の剛性を緩和する。 Therefore, according to the flowchart shown in FIG. 2, in step S100, α / β is set to a value larger than 1, and the rigidity in the fitting direction is relaxed. In step S104, α / β is set to change to be smaller than 1, and the rigidity in the direction perpendicular to the fitting direction is relaxed.
ここで、Ｕｎは収縮力の和を示しているので、ＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータのように伸長力が無い場合、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３は負の値を採らない。 Since U n represents the sum of the contraction force, if there is no stretching force as McKibben type pneumatic actuator, U 1, U 2, U 3 does not take the negative value.
よって、本実施形態のようにＭｃＫｉｂｂｅｎ型空気圧アクチュエータを使う場合、ステップＳ１００ではＵ１→＋０（非負のゼロに近い値）となる（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）のセットを指令値とする。ステップＳ１０４ではＵ２→＋０（非負のゼロに近い値）となる（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）のセットを指令値とする。 Therefore, when the McKibben type pneumatic actuator is used as in this embodiment, a set of U 1 → + 0 (value close to non-negative zero) (U 1 , U 2 , U 3 ) is set as the command value in step S100. . In step S104, a set of (U 1 , U 2 , U 3 ) that satisfies U 2 → + 0 (value close to non-negative zero) is set as a command value.
尚、式（１）で近似され、伸長力も発生するアクチュエータが使用できる場合、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３は負の値も採れるので、α／βの大小がより明瞭となり、所定方向以外の剛性を上げられるで、より外乱等に強い安定した装置が実現できる。 When an actuator that is approximated by equation (1) and generates an extension force can be used, U 1 , U 2 , and U 3 can also take negative values, so that the magnitude of α / β becomes clearer, and other than the predetermined direction. Since the rigidity can be increased, a stable device that is more resistant to external disturbances can be realized.
そのようなアクチュエータのモデルとしては、図７に示すようなものが考えられる。 A model as shown in FIG. 7 is conceivable as a model of such an actuator.
駆動源５１は、モータ、減速機等からなる。駆動源の駆動量をＬ、直列のバネ要素のバネ定数ｋとすると、以下の式（１４）となる。
The
バネ定数が、ｕに依存すると、Ｆは出力端からの出力、ｘを出力端の変位として、以下の式（１５）となる。 If the spring constant depends on u, F is an output from the output end, and x is a displacement of the output end, the following equation (15) is obtained.
式（１５）は、式（１）と同等となる（粘性項は除く）。そして、駆動源５１の駆動量Ｌは極性を問わないので、収縮、伸長の力を発生することができる。
Equation (15) is equivalent to Equation (1) (excluding the viscosity term). And since the drive amount L of the
以上のようにして、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を決めることが、各拮抗対としてのアクチュエータ（ｅ１とｆ１、ｅ２とｆ２、ｅ３とｆ３）の剛性を決めることになり、この（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）のセットにより手先Ｗでの剛性の特性を決定する。 As described above, determining U 1 , U 2 , and U 3 determines the rigidity of the actuators (e 1 and f 1 , e 2 and f 2 , e 3 and f 3 ) as each antagonistic pair. Thus, the rigidity characteristic at the hand W is determined by the set of (U 1 , U 2 , U 3 ).
次に、手先Ｗの出力と変位について簡単に説明する。上述したようなｖ軸方向は、ｖｎ−γとする場合のように、現在位置を基準とした目標変位をΔｘ、Δｙとする。対応する第１関節５と第２関節６の各々の回転変位をδθ１、δθ２として、その関係は、式（９）と同等に考えられて、以下のように変換される。 Next, the output and displacement of the hand W will be briefly described. In the v-axis direction as described above, the target displacements based on the current position are set as Δx and Δy, as in the case of v n −γ. Assuming that the rotational displacements of the corresponding first joint 5 and second joint 6 are δθ 1 and δθ 2 , the relationship is considered equivalent to the equation (9), and is converted as follows.
従って、（θ１、θ２）→（θ１＋δθ１、θ２＋δθ２）として、新たな目標回転変位として、第１関節５と第２関節６の各エンコーダ値をモニタしながら、第１関節５と第２関節６へのトルク印加により、位置制御する。すると、現在位置を基準とした目標変位Δｘ、Δｙへと到達する。
Therefore, as (θ 1 , θ 2 ) → (θ 1 + δθ 1 , θ 2 + δθ 2 ), the first target 5 and the second joint 6 are monitored as encoder values of the first joint 5 as the new target rotational displacement. The position is controlled by applying torque to the joint 5 and the
そして、その結果のトルクを（Ｔ１、Ｔ２）に関して、図４のようなモデルの場合、以下の式（１７）のように表せることが知られている（粘性項は省略）。 Then, it is known that the resulting torque can be expressed by the following equation (17) in the case of a model as shown in FIG. 4 with respect to (T 1 , T 2 ) (viscous term is omitted).
ここで、１以下の実数ε１、ε２、ε３を用いると、各収縮力は以下の式（１８）となる。 Here, when real numbers ε 1 , ε 2 , and ε 3 of 1 or less are used, each contraction force is expressed by the following equation (18).
すると、式（１７）は、以下の式（１９）となる。 Then, Expression (17) becomes the following Expression (19).
従って、２つの関節を同時駆動する拮抗アクチュエータの存在により、所定のトルクに対して、解析的、かつ一意的には、各拮抗対をなすアクチュエータの駆動源の出力差、即ちε１、ε２、ε３を決定できない。 Therefore, due to the existence of the antagonistic actuator that drives the two joints simultaneously, the output difference between the driving sources of the actuators forming each antagonistic pair, that is, ε 1 , ε 2 , analytically and uniquely for a predetermined torque. , Ε 3 cannot be determined.
しかし、上述したように、所望のα、βと、目標のθ１、θ２よりＵ１、Ｕ２、Ｕ３の値が得られるので、ε３＝０．５やε１＝ε２、或いは、ε１／ε２＝一定、等々の条件下で位置制御（回転変位）により、制御結果として、ε１、ε２、ε３が決定される。
However, as described above, since the values of U 1 , U 2 , and U 3 can be obtained from the desired α and β and the target θ 1 and θ 2 , ε 3 = 0.5 or ε 1 = ε 2 , Alternatively, ε 1 / ε 2 = constant, the position control under the conditions of so (rotational displacement), as a
ここで、式（５）が成り立つ場合、手先での発生力をΔＦｘ、ΔＦｙとすると、以下の式（２０）が成り立つことが確認されている。 Here, when the formula (5) holds, it is confirmed that the following formula (20) holds if the generated force at the hand is ΔF x and ΔF y .
従って、微小目標変位を与えることにより微小力を発生でき、しかも、力の方向と変位の方向を揃えることができる。即ち、例えば、Δｘを与え続けることにより、ΔＦｘを加え続けることができる。 Therefore, a minute force can be generated by giving a minute target displacement, and the direction of the force and the direction of the displacement can be aligned. That is, for example, by adding Δx, ΔF x can be continuously added.
図８に、図４のモデルでの各アクチュエータの駆動源の発生力指令値を決定するブロック図である。θ１、θ２は更新した値としている。 FIG. 8 is a block diagram for determining the generated force command value of the drive source of each actuator in the model of FIG. θ 1 and θ 2 are updated values.
所望のα、βと、目標のθ１、θ２よりＵ１、Ｕ２、Ｕ３の値が得られる。そして、位置制御（回転位置）の過程で、ε１、ε２、ε３が決定され、その結果として、各アクチュエータｅ１、ｆ１、ｅ２、ｆ２、ｅ３、ｆ３への収縮力指令値ｕｅ１、ｕｆ１、ｕｅ２、ｕｆ２、ｕｅ３、ｕｆ３が決まる。 The values of U 1 , U 2 , U 3 are obtained from the desired α, β and the target θ 1 , θ 2 . Then, in the process of position control (rotational position), ε 1 , ε 2 , ε 3 are determined, and as a result, contraction to each actuator e 1 , f 1 , e 2 , f 2 , e 3 , f 3 Force command values u e1 , u f1 , u e2 , u f2 , u e3 , u f3 are determined.
図１に示す構成で説明すると、以下のようになる。制御部１８は、各関節５，６，７に組み込まれたロータリーエンコーダ２１，２２，２３の出力に基づいて、ハンド駆動部１５を駆動制御し、ハンド８の姿勢を一定にする。即ち制御部１８は、固定リンク２に対する第１リンク３の旋回角度と第１リンク３に対する第２リンク４の旋回角度と、第２リンク４に対するハンド８の旋回角度の和が一定（本実施形態では１８０°、つまり突起部４１と嵌合穴４２とが平行）となるように制御する。
The description of the configuration shown in FIG. 1 is as follows. The
制御部１８は、各関節に組み込まれたロータリーエンコーダの出力から、固定リンク２基準の第１リンク３の旋回角度と第１リンク３基準の第２リンク４の旋回角度を求める。
The
そして、制御部１８は、予め設定された第１リンク３及び第２リンク４のリンク長、第１関節６、第２関節７のモーメントアーム値を用いて、所望のα、βから各拮抗対のアクチュエータの駆動源の発生力指令値の和を決定する。その和を条件として、微小目標変位への位置制御により、結果として、各アクチュエータの駆動源の発生力指令値が決められ、モデルの手先Ｗに相当するハンド８での剛性の特性と励起される力の方向と大きさが決定される。そして、この概念に従って、図２に示されるフローチャートの各処理が実行される。
Then, the
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention.
上記実施形態では、一方のワークとして、ハンド８に第１ワーク１６を把持させて嵌合作業を行う場合について説明したが、ハンド８に第２ワーク１７を把持させて嵌合作業を行うようにしてもよい。
In the above embodiment, the case where the
また、上記実施形態では、他方のワークを基台１に載置固定する場合について説明したが、不図示の別のロボットハンドに他方のワークを把持させている場合であってもよい。
In the above embodiment, the case where the other work is placed and fixed on the
１…基台、２…固定リンク（固定部）、３…第１リンク、４…第２リンク、５…第１関節、６…第２関節、７…第３関節、８…ハンド、９，１０…一対の第１拮抗アクチュエータ、１１，１２…一対の第２拮抗アクチュエータ、１３，１４…一対の第３拮抗アクチュエータ、１５…ハンド駆動部、１６…第１ワーク、１７…第２ワーク、１８…制御部、２０…ロボットアーム、２０ｂ…先端、３０…リンク駆動部、４１…突起部、４２…嵌合穴、１００…組立ロボット
DESCRIPTION OF
Claims (3)
関節で旋回可能に連結された複数のリンクを有するロボットアームと、
前記ロボットアームの先端に設けられたハンドと、
前記ロボットアームの各リンクを旋回駆動するリンク駆動部と、
前記第１ワーク及び前記第２ワークのうちいずれか一方のワークを前記ハンドに把持させて前記嵌合作業を行う際に、前記一方のワークを嵌合方向に付勢して前記第１ワークの突起部を前記第２ワークに接触させた状態で、前記一方のワークを前記嵌合方向と直交する探り方向に移動させて前記第１ワークの突起部が前記第２ワークの嵌合穴に嵌合する位置を探る探り動作を実行するよう前記リンク駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記探り動作の実行時に、前記リンク駆動部を制御して、前記ロボットアームの先端における前記嵌合方向の剛性を、前記一方のワークが他方のワークから受ける反力に追従して前記嵌合方向と反対方向に移動する第１剛性に調整すると共に、前記ロボットアームの先端における前記探り方向の剛性を、前記一方のワークが前記他方のワークから受ける反力に抗して前記探り方向の位置を保持する第２剛性に調整する、
ことを特徴とする組立ロボット。 In an assembly robot that performs a fitting operation for fitting the protrusion of the first workpiece into the fitting hole of the second workpiece,
A robot arm having a plurality of links pivotably connected by joints;
A hand provided at the tip of the robot arm;
A link drive unit for driving to turn each link of the robot arm;
When one of the first workpiece and the second workpiece is gripped by the hand and the fitting operation is performed, the one workpiece is urged in the fitting direction to With the projections in contact with the second workpiece, the one workpiece is moved in a search direction perpendicular to the fitting direction so that the projection of the first workpiece fits into the fitting hole of the second workpiece. A control unit that controls the link driving unit so as to perform a search operation for searching for a position to be combined,
The control unit controls the link driving unit during execution of the search operation so that the rigidity in the fitting direction at the tip of the robot arm follows the reaction force that the one workpiece receives from the other workpiece. And adjusting the stiffness in the probe direction at the tip of the robot arm against the reaction force received by the one workpiece from the other workpiece. Adjust to the second stiffness that holds the position in the search direction,
An assembly robot characterized by that.
前記複数のリンクとして、第１関節で前記固定部に連結された第１リンク、及び第２関節で前記第１リンクに連結された第２リンクと、を有し、
前記リンク駆動部は、前記第１関節を挟んで前記固定部と前記第１リンクとに接続され、駆動力の差により前記第１リンクを旋回駆動する一対の第１拮抗アクチュエータと、
前記第２関節を挟んで前記第１リンクと前記第２リンクとに接続され、駆動力の差により前記第２リンクを旋回駆動する一対の第２拮抗アクチュエータと、
前記第１関節及び前記第２関節を挟んで前記固定部と前記第２リンクとに接続され、駆動力の差により前記第１リンク及び前記第２リンクを旋回駆動する一対の第３拮抗アクチュエータと、を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の組立ロボット。 The robot arm includes a fixed portion fixed to a base;
As the plurality of links, a first link connected to the fixed portion at a first joint, and a second link connected to the first link at a second joint,
The link driving unit is connected to the fixed unit and the first link across the first joint, and a pair of first antagonistic actuators that pivotally drive the first link by a difference in driving force;
A pair of second antagonistic actuators that are connected to the first link and the second link across the second joint and that pivotally drive the second link by a difference in driving force;
A pair of third antagonistic actuators connected to the fixed portion and the second link across the first joint and the second joint, and configured to turn the first link and the second link by a difference in driving force; Having
The assembly robot according to claim 1.
前記制御部は、前記探り動作の実行時に、前記突起部と前記嵌合穴とが平行な状態を維持するように前記ハンド駆動部を制御する、
ことを特徴とする請求項２に記載の組立ロボット。 A hand drive unit for turning the hand to adjust the posture of the hand;
The control unit controls the hand driving unit so as to maintain the projection and the fitting hole in a parallel state when the search operation is performed.
The assembly robot according to claim 2, wherein:
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| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
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