JP3196145B2 - Contact point and contact normal detection method for machining / assembly equipment - Google Patents

Contact point and contact normal detection method for machining / assembly equipment

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JP3196145B2
JP3196145B2 JP11194492A JP11194492A JP3196145B2 JP 3196145 B2 JP3196145 B2 JP 3196145B2 JP 11194492 A JP11194492 A JP 11194492A JP 11194492 A JP11194492 A JP 11194492A JP 3196145 B2 JP3196145 B2 JP 3196145B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、作業対象物の表面に沿
って加工する倣い作業や、部品間の接触を伴う組立など
多彩な作業に使用される加工・組立装置における工具ま
たは組立対象部品の接触点および接触法線の検出法に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a tool or a part to be assembled in a machining and assembling apparatus used for various operations such as a copying operation for processing along the surface of an object to be processed and an assembly involving contact between parts. And a method for detecting a contact point and a contact normal.

【0002】[0002]

【従来の技術】加工・組立装置の工具・組立対象部品と
外部との接触点を検出する従来技術としては、装置とし
てロボットアームを考えた場合について、例えば「日本
ロボット学会誌4巻2号」の27頁に記載されている。
これは、反力情報を用いた接触点の検出方法で、工具と
加工対象間の摩擦係数を予め求めておく必要があり、ロ
ボットアームの作業中に摩擦係数が変化した場合には対
応できないという欠点がある。
2. Description of the Related Art As a conventional technique for detecting a contact point between a tool / assembly target part of a machining / assembly apparatus and the outside, a case where a robot arm is considered as an apparatus is described in, for example, "Journal of the Robotics Society of Japan Vol. 4, No. 2,". On page 27.
This is a method of detecting a contact point using reaction force information, in which it is necessary to obtain the friction coefficient between the tool and the object to be processed in advance, and cannot cope with a change in the friction coefficient during the operation of the robot arm. There are drawbacks.

【0003】「日本ロボット学会第8回学術講演会予稿
集(1)」の395頁に記載されている接触点を変化さ
せずに姿勢を変えるなどの制御により荷重を変化させ、
そのとき測定した偏差力ベクトルを基に接触点を推定す
る方法では、姿勢や作用力を一定にする必要のある倣い
作業には適用できず、さらに偏差力ベクトル計測中に接
触点が変化する場合には適用できないという欠点もあ
る。
[0003] The load is changed by control such as changing the posture without changing the contact point, described on page 395 of the 8th Annual Meeting of the Robotics Society of Japan (1).
The method of estimating the contact point based on the deviation force vector measured at that time cannot be applied to copying operations that require a constant posture or acting force, and furthermore, if the contact point changes during the deviation force vector measurement Also has the disadvantage that it cannot be applied.

【0004】一方、特開平3−256103号公報に記
載されている力検出器の三方向の力成分から接触法線を
求める方法では、ロボットアームにおける周辺との接触
点が不変とみなしているため、接触点における摩擦や作
業中のロボットアームの接触点の変化に対応できないと
いう欠点がある。
On the other hand, in the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-256103, in which a contact normal is obtained from force components in three directions of a force detector, it is assumed that a contact point with the periphery of the robot arm is invariable. However, there is a drawback that it is impossible to cope with friction at the contact point or a change in the contact point of the robot arm during operation.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】以上に加えて、把持物
体または工具の自重や加速度運動などに伴い力検出器の
測定値には必ず誤差が生じる。このため、把持物体また
は工具の質量、重心位置、慣性モーメント、アームの手
先姿勢を基にこれらの誤差を補正することが試みられて
いるが、正確な質量、重心位置、慣性モーメントを同定
することはそもそも困難であることから、これによる力
検出器に誤差は避けられない。
In addition to the above, an error always occurs in the measured value of the force detector due to the weight of the object to be gripped or the tool or the acceleration motion. For this reason, attempts have been made to correct these errors based on the mass, center of gravity position, moment of inertia, and hand posture of the arm of the gripped object or tool. Because of the difficulty in the first place, errors in the force detector due to this are inevitable.

【0006】さらに、温度変化やヒステリシス、非直線
性などによる検出誤差も考え合せると、力検出器におけ
る誤差要因は多岐にわたる。前記の従来技術は、いずれ
もかかる要因から生じる力検出器の誤差を軽減する機能
を本質的に有してないという欠点がある。
Further, considering detection errors due to temperature change, hysteresis, non-linearity, etc., error factors in the force detector are various. The above-mentioned prior arts have a drawback that they do not essentially have a function of reducing a force detector error caused by such factors.

【0007】ここにおいて、本発明は前記従来の課題に
鑑み、接触点における摩擦力や摩擦係数の変動、作業中
の加工・組立装置における外部環境との接触点の変動に
も対応でき、力検出器の誤差を補正する機能を有する加
工・組立装置の接触点および接触法線検出法を提供せん
とするものである。
In view of the above-mentioned problems, the present invention can cope with fluctuations in frictional force and friction coefficient at a contact point and fluctuations in a contact point with an external environment in a working / assembly apparatus during work. It is an object of the present invention to provide a method of detecting a contact point and a contact normal of a machining / assembly apparatus having a function of correcting an error of a vessel.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記課題の解決の特徴
は、本発明が次の新規な特徴的構成手法を採用すること
により達成される。すなわち、本発明の特徴は、作業を
行う空間内での工具または保持する組立対象部品の三次
元位置・姿勢または速度・角速度を検出する機能を持
ち、かつ当該工具・組立対象部品に加わる作用力を検出
する機能を持った加工・組立装置における接触点および
接触法線を検出する方法であって、当該加工・組立装置
と前記工具・組立対象部品の間に配置され当該工具・組
立対象部品の力検出器の出力信号から、当該工具・組立
対象部品に作用する反力をコンピュータで求め、この反
力から力の作用線を計算しする力作用計算処理ステップ
と、与えられた当該工具・組立対象部品の幾何形状デー
タを用いて、当該工具・組立対象部品と前記力の作用線
の交点を前記コンピュータで計算する交点計算処理ステ
ップと、工具・組立対象部品表面上の前記交点近傍に複
数の候補点を設定し、各候補点における法線ベクトル
と、位置または速度検出機能により各候補点の並進速度
を前記コンピュータで計算し法線ベクトルと並進速度の
内積を求める内積計算処理ステップと、前記候補点から
当該工具・組立対象部品の前記交点までの距離を求め、
各候補点における当該内積と当該距離からなる関数を前
記コンピュータで計算する関数計算処理ステップを順次
踏んで当該関数を評価関数として、前記候補点のうち評
価関数を最小とする点およびその点における法線ベクト
ルを、当該工具・組立対象部品と加工対象または周辺に
配置された部品との接触点および接触法線として前記コ
ンピュータで算出してなる加工・組立装置における接触
点および接触法線検出法である。
The features for solving the above-mentioned problems are achieved by the present invention employing the following novel characteristic construction method. That is, the feature of the present invention is that it has a function of detecting a three-dimensional position / posture or a velocity / angular velocity of a tool or a component to be held in a space in which work is performed, and an acting force applied to the tool / component to be assembled. A method for detecting a contact point and a contact normal in a machining / assembly device having a function of detecting a tool / assembly component, wherein the contact point and the contact normal are detected between the machining / assembly device and the tool / assembly component. A force action calculation processing step of calculating, by a computer, a reaction force acting on the tool / assembly target component from the output signal of the force detector, and calculating a force action line from the reaction force; An intersection calculation processing step of calculating, by using the computer, an intersection of the tool / assembly target part and the line of action of the force using the geometric shape data of the target part; A plurality of candidate points are set in the vicinity of the intersection, a normal vector at each candidate point, and a translation speed of each candidate point by the position or speed detection function are calculated by the computer, and an inner product calculation is performed to obtain an inner product of the normal vector and the translation speed. Processing step, determine the distance from the candidate point to the intersection of the tool and the assembly target part,
A function calculation processing step of calculating, by the computer, a function consisting of the inner product and the distance at each candidate point, the function is used as an evaluation function, and a point at which the evaluation function is minimized among the candidate points and a method at that point A line vector is calculated by the computer as a contact point and a contact normal between the tool / assembly target part and a part to be processed or a part arranged in the vicinity. is there.

【0009】[0009]

【作用】本発明は前記のような手法を講じたので、摩擦
力の影響の受けない工具・組立対象部品の幾何形状と力
の作用線の交点の値を用いるため、摩擦力や摩擦力の変
動、作業中のロボットアームなどの加工・組立装置にお
ける周辺との接触点の変動にも適用可能である。
Since the present invention employs the above-described method, the value of the intersection between the geometrical shape of the tool / part to be assembled and the line of action of the force, which is not affected by the frictional force, is used. The present invention is also applicable to fluctuations and fluctuations of contact points with surroundings in a processing / assembly apparatus such as a robot arm during work.

【0010】さらに、加速度運動や周辺の温度変化に対
して誤差を増大する事のない変位または速度検出器の制
御信号を用いて、工具・組立対象部品の表面上の前記交
点近傍に複数の候補点を設定し、各候補点における法線
ベクトルと並進速度の内積を求める内積計算処理ステッ
プと、候補点からの工具・組立対象部品の前記交点まで
の距離を求め、各候補点における内積と当該距離からな
る関数を計算する関数計算処理ステップを備える。
Further, a plurality of candidates are provided near the intersection on the surface of the tool / part to be assembled by using a control signal of a displacement or speed detector which does not increase an error with respect to an acceleration motion or a change in surrounding temperature. A point is set, an inner product calculation processing step for obtaining an inner product of the normal vector and the translation speed at each candidate point, and a distance from the candidate point to the intersection of the tool / part to be assembled is obtained. And a function calculation processing step of calculating a function consisting of the distance.

【0011】前記関数を評価関数として、前記候補点の
うち評価関数を最小にする点および法線ベクトルを、接
触点および接触法線とする検出方法であるため、工具・
組立対象部品の自重や加速度運動、力検出器の温度変
化、ヒステリシス、非直線性などにより生じる力検出器
の誤差を軽減できないという従来技術の問題を解決し、
姿勢や作用力を一定にする必要がある倣い作業などにも
そのまま適応できる汎用性も実現する。
[0011] Since the above function is used as an evaluation function and the point and the normal vector of the candidate points which minimize the evaluation function are the contact points and the contact normals, the tool
Solves the problem of the conventional technology that the error of the force detector that cannot be reduced due to its own weight and acceleration motion of the parts to be assembled, temperature change of the force detector, hysteresis, nonlinearity, etc.,
It realizes versatility that can be applied as it is to copying operations that require constant posture and acting force.

【0012】[0012]

【実施例】本発明の実施例を図面につき詳細する。図1
は本実施例の実施に直接使用するロボットアームの各関
節の自由と各リンク長を示す模式図、図2は同・制御系
構成図、図3は本実施例において、表面形状と力の作用
線の交点近傍での候補点の設定例を示した図、図4は同
・ロボットアームの先端に取り付けられた工具の一例を
示す図、図5は同・ロボットアームのエンドイフェクタ
に把持された部品の一例を示した図、図6は本実施例の
フローチャートである。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. FIG.
Is a schematic diagram showing the freedom of each joint and each link length of a robot arm used directly in the implementation of this embodiment, FIG. 2 is a diagram of the same control system, and FIG. FIG. 4 is a view showing an example of setting a candidate point near the intersection of lines, FIG. 4 is a view showing an example of a tool attached to the tip of the robot arm, and FIG. FIG. 6 is a flow chart of the present embodiment.

【0013】図中、Aは旋回軸、軸回転それぞれ三づつ
計六の自由度を有するロボットアーム、Bはロボットア
ームAの先端部エンドイフェクタ、C1はツール、C2
は組立対象部品、Dは加工対象、Eは周辺側の部品、1
〜6はそれぞれロボットアームAの順次基部からの関
節、L1,L2,L3はそれぞれ例えば500mm,4
00mm,47mm長のリンク、X,Y,Zはそれぞれ
横軸,縦軸,高さ軸の方向を示す。
In the drawing, A is a robot arm having a total of six degrees of freedom, three for each of a pivot axis and a shaft rotation, B is a tip end effector of the robot arm A, C1 is a tool, C2
Is a part to be assembled, D is a processing object, E is a peripheral part, 1
6 are joints from the base of the robot arm A sequentially, and L1, L2 and L3 are, for example, 500 mm and 4 respectively.
A link having a length of 00 mm and 47 mm, X, Y, and Z indicate directions of a horizontal axis, a vertical axis, and a height axis, respectively.

【0014】7はロボットアームAの各関節1〜6に取
り付けるエンコーダ、8はアップダウンカウンタ、9は
ロボットアームAの手先に取り付ける六軸力検出器、1
0はA/Dコンバータ、11はD/Aコンバータ、12
はサーボアンプ、13はアクチュエータ、14はロボッ
トアームAの全体の動作の制御および本実施例の接触点
および接触法線検出法に必要な演算を行うコンピュータ
である。
7 is an encoder attached to each of the joints 1 to 6 of the robot arm A, 8 is an up / down counter, 9 is a six-axis force detector attached to the hand of the robot arm A, 1
0 is an A / D converter, 11 is a D / A converter, 12
Is a servo amplifier, 13 is an actuator, and 14 is a computer for controlling the overall operation of the robot arm A and performing calculations necessary for the contact point and contact normal detection method of this embodiment.

【0015】以下では、図4に示すようなロボットアー
ムAの先端に取り付けた工具の加工対象物および、図5
に示すようなロボットアームAのエンドイフェクタBが
把持した部品をそれぞれツールC1と組立対象部品C2
とし、このツールC1と組立対象部品C2が周辺に固定
された加工対象物Dや部品Eと接触する部分の表面形状
が、円柱や楕円体、球などの二次曲線で記述できる場合
を例にとり図6につき詳細な検出手法を説明する。
In the following, an object to be processed by a tool attached to the tip of the robot arm A as shown in FIG.
The parts gripped by the end effector B of the robot arm A as shown in FIG.
In this example, the surface shape of the part where the tool C1 and the component C2 to be assembled come into contact with the workpiece D or the component E fixed to the periphery can be described by a quadratic curve such as a cylinder, an ellipsoid, or a sphere. A detailed detection method will be described with reference to FIG.

【0016】まず、開始ステップ直後にツールC1又は
組立対象部品C2(以下、ツールC1等)の表面形状の
対象軸上に基準手先座標計を設定し、前記表面形状を表
す三行三列行列Mをコンピュータ14に記憶させる(ス
テップ[1]参照)。このとき前記表面形状を表す方程
式を式(1)に示す。また、表面の法線ベクトルを表す
方程式を式(2)に示す。
First, immediately after the start step, a reference hand coordinate meter is set on a target axis of the surface shape of the tool C1 or the component C2 to be assembled (hereinafter, tool C1 or the like), and a three-row three-column matrix M representing the surface shape is set. Is stored in the computer 14 (see step [1]). At this time, an equation representing the surface shape is shown in equation (1). Equation (2) shows the equation representing the surface normal vector.

【0017】 xT Mx = 1 (1) n(x) = Mx/‖Mx‖ (2) x:基準手先座標系における表面の三次元位置ベクトル M:三行三列対称行列 n(x):基準手先座標系におけるxにおける外向き法線単位ベクトルX T Mx = 1 (1) n (x) = Mx / {Mx} (2) x: three-dimensional position vector of the surface in the reference hand coordinate system M: three-row, three-column symmetric matrix n (x): Outward normal unit vector at x in the reference hand coordinate system

【0018】上式において‖・‖はベクトルの長さを表
す。このとき、ツールC1等が周辺に固定された加工対
象物Dまたは部品Eと一点で接触している場合に、力検
出器9からA/Dコンバータ10を介してコンピュータ
14に取り込まれる(ステップ[2]参照)検出信号S
1から得られる前記基準手先座標系における反力値を用
いて(ステップ[3]参照)、式(3)により力の作用
線を表す方程式を計算する(ステップ[4]参照)。
In the above equation, ‖ · ‖ represents the length of the vector. At this time, when the tool C1 or the like is in contact at one point with the workpiece D or the component E fixed to the periphery, the tool C1 is taken into the computer 14 from the force detector 9 via the A / D converter 10 (step [ 2]) Detection signal S
Using the reaction force value in the reference hand coordinate system obtained from 1 (see step [3]), an equation representing the line of action of the force is calculated by equation (3) (see step [4]).

【0019】 L=u×uO+tu (3) ただし、 u =f/‖f‖ uO=(mO−(mO・u)u)/‖f‖ L:基準手先座標系における力の作用線上の三次元位置ベクトル t:媒介変数 f:基準手先座標系における反力ベクトル mO:基準手先座標系における反力モーメントベクトルL = u × uO + tu (3) where u = f / {f} uO = (mO− (mO · u) u) / {f} L: three-dimensional on the force action line in the reference hand coordinate system Position vector t: Parameter f: Reaction force vector in reference hand coordinate system mO: Reaction force moment vector in reference hand coordinate system

【0020】ここでもし、‖f‖が零または、予め定め
られた領域Flim より小さい場合には接触点が存在しな
いとする(ステップ[5]参照)。又、力の作用線を表
す方程式(3)や零に等しいが大であるかを判別する
(ステップ[6]参照)。次に、YESであれば前記表
面形状と力の作用線の交点を式(4)により計算する。
Here, if {f} is zero or smaller than a predetermined area Flim, it is assumed that no contact point exists (see step [5]). Also, it is determined whether equation (3) representing the line of action of the force is equal to or greater than zero (see step [6]). Next, if YES, the intersection of the surface shape and the line of action of force is calculated by equation (4).

【0021】 pO=u×uO+t’u (4) ただし、 pO:基準手先座標系における表面形状と力の作用線上
の交点の三次元位置ベクトル t’=(−b±√(b2 −4ac))/(2a) a=uT Mu b=uT M(u×uO)+(u×uO)T Mu c=(u×uO)T M(u×uO)−1
PO = u × uO + t′u (4) where pO is a three-dimensional position vector of an intersection on the line of action between the surface shape and the force in the reference hand coordinate system t ′ = (− b ± √ (b 2 -4ac) ) / (2a) a = u T Mu b = u T M (u × uO) + (u × uO) T Muc = (u × uO) T M (u × uO) −1

【0022】ここで、通常t’は二つ求められるが接触
による力はロボットアームAを押す方向に働くことから
式(5)をみたすt’を用いる(ステップ[7]参
照)。 u・n(u×uO+t’u)≦0 (5)
Here, two t 'are usually obtained, but since the force due to contact acts in the direction of pushing the robot arm A, t' that satisfies equation (5) is used (see step [7]). u · n (u × uO + t′u) ≦ 0 (5)

【0023】以上のようにして求められた、pOおよび
n(pO)はそれぞれ、摩擦力および摩擦係数の変動に
関わらず、把持物体または工具・組立対象部品の自重や
加速度運動、力検出器9の温度変化、ヒステリシス、非
直線性などにより生じる力検出器9の誤差が無い場合に
は接触点および、接触法線を表し、このような理想的状
態では式(4)の判別式b2 −4acも必ず正の値をと
る。
The pO and n (pO) obtained as described above are independent of the weight and acceleration motion of the grasped object or the tool / part to be assembled, regardless of the fluctuation of the frictional force and the frictional coefficient, respectively. When there is no error of the force detector 9 caused by temperature change, hysteresis, non-linearity, etc., the contact point and the contact normal are represented, and in such an ideal state, the discriminant b 2 − 4ac also always takes a positive value.

【0024】通常は多岐にわたる要因のため力検出器9
に誤差が生じるため、以下の手順によりこのような力検
出器9の誤差による影響を軽減させる手段を講じる。た
だし、判別式b2 −4acが負の値をとる場合には、力
の作用線Lから最近傍にあたるツールC1等表面上の点
をpOとして(ステップ[8]参照)以下の処理を進め
る。
Usually, force detector 9 is used due to various factors.
Therefore, a measure is taken to reduce the influence of such an error of the force detector 9 by the following procedure. However, if the discriminant b 2 -4ac takes a negative value, the point on the surface of the tool C1 or the like closest to the force line L is set as pO (see step [8]), and the following processing proceeds.

【0025】まず、ロボットアームAの各関節1〜6に
取り付けられたエンコーダ7からアップダウンカウンタ
8を介してコンピュータ14に取り込まれる関節角度変
位を基に、差分や疑似微分フィルタなどの操作により関
節角速度を計算し、式(6)により、絶対座標系から見
た基準手先座標系原点の速度を計算する(ステップ
[9]参照)。
First, based on the joint angular displacement taken into the computer 14 via the up / down counter 8 from the encoder 7 attached to each of the joints 1 to 6 of the robot arm A, the joint is operated by a difference or a pseudo-differential filter. The angular velocity is calculated, and the velocity of the origin of the reference hand-end coordinate system viewed from the absolute coordinate system is calculated by equation (6) (see step [9]).

【0026】 (VT ωT T =J(θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6 )T (6) V:絶対座標系からみた基準手先座標系原点の並進速度
ベクトル ω:絶対座標系からみた基準手先座標系原点の角速度ベ
クトル J:ヤコビ行列 θ1 〜θ6 :第一関節〜第六関節角速度
[0026] · · · · · · (V T ω T) T = J (θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6) T (6) V: translational velocity vector of the standard hand coordinate system origin as seen from the absolute coordinate system ω: absolute coordinates the angular velocity vector J of the standard hand coordinate system origin as seen from the system: Jacobi matrix · · θ1 ~θ6: the first joint to sixth joint angular velocity

【0027】次に、前記表面状と力の作用線の交点pO
の近傍の表面に、例えば図3に示すようなn×m個の候
補点を設定し(ステップ[10]参照)、式(7)によ
り各候補点における並進速度ベクトルを計算する。同様
に式(8)を用いて各候補点における法線ベクトルを求
める(ステップ[11]参照)。
Next, an intersection point pO between the surface state and the line of action of the force.
For example, n × m candidate points as shown in FIG. 3 are set on the surface near (see step [10]), and the translation speed vector at each candidate point is calculated by equation (7). Similarly, a normal vector at each candidate point is obtained using equation (8) (see step [11]).

【0028】 Vi=V−(R(pi−pO))×ω (7) Vi:候補点i(1〜n×m)の絶対座標からみた並進
速度ベクトル pi:候補点iの基準手先座標系における三次元位置ベ
クトル R :基準手先座標系から絶対座標系への座標変換行列 nw(pi)=Rn(pi) (8) nw(pi):候補点iの絶対座標系からみた法線ベク
トル
Vi = V− (R (pi−pO)) × ω (7) Vi: translation speed vector viewed from the absolute coordinates of the candidate point i (1 to n × m) pi: reference hand end coordinate system of the candidate point i R: a coordinate conversion matrix from the reference hand coordinate system to the absolute coordinate system nw (pi) = Rn (pi) (8) nw (pi): normal vector of the candidate point i as viewed from the absolute coordinate system

【0029】これを基に、各候補点について式(9)に
示す線形な評価関数Hの値を計算する。 H=α|Vi・nw(pi)|+β‖pi−pO‖ (9) α,β:重み係数 |・|は絶対値を表す。
Based on this, the value of the linear evaluation function H shown in equation (9) is calculated for each candidate point. H = α | Vi · nw (pi) | + β {pi−pO} (9) α, β: weighting factors | · | represent absolute values.

【0030】ここで、評価関数Hを最小とする法線ベク
トルpiを求め(ステップ[12]参照)その候補点i
を、ツールC1等における周辺に固定された加工対象D
または部品Eとの接触点とし、この接触点での法線を接
触法線とする(ステップ[13]参照)。その後、終了
かどうかを判別して(ステップ[14]参照)、NOな
らばステップ[2]に戻って繰り返し、又、YESなら
終了ステップへ完全移行する。
Here, a normal vector pi that minimizes the evaluation function H is obtained (see step [12]).
To the processing target D fixed around the tool C1 and the like
Alternatively, a contact point with the component E is set, and a normal at this contact point is set as a contact normal (see step [13]). Thereafter, it is determined whether or not the process is to be ended (see step [14]). If NO, the process returns to step [2] and is repeated. If YES, the process completely shifts to the end step.

【0031】以上の処理手順により求められた接触点お
よび接触法線は、把持物体または工具の自重や加速度運
動、力検出器9の温度変化、ヒステリシス、非直線性な
どによる力検出器9の誤差が存在する場合についても、
これら加速度運動や温度変化などによって誤差の増大す
ることの無いロボットアームAの関節角度の情報を用い
て接触点および接触法線の検出誤差の影響を軽減するこ
とが可能となる。
The contact point and the contact normal obtained by the above processing procedure are the error of the force detector 9 due to its own weight or acceleration motion of the grasped object or tool, temperature change of the force detector 9, hysteresis, non-linearity, etc. Also exists if
Using the information on the joint angle of the robot arm A, which does not increase the error due to the acceleration motion or the temperature change, it is possible to reduce the influence of the detection error of the contact point and the contact normal.

【0032】また、以上の説明はツールC1等の表面形
状が、円柱や楕円体、球などの二次曲面で記述できる場
合を例に示したが、これが四角柱や六角柱などの平面に
より構成される多面体の場合でも、多面体と二次曲線の
組み合わせで構成される形状の場合にも、複数の二次曲
面で構成される形状の場合にも適用できる。さらに本実
施例は、ロボットアームAなどの加工・組立装置の自由
度が六未満の場合や七以上の場合についても何等問題を
生じること無く適用できる。
In the above description, the case where the surface shape of the tool C1 or the like can be described by a quadratic surface such as a cylinder, an ellipsoid, or a sphere has been described. This can be applied to the case of a polyhedron, a shape composed of a combination of a polyhedron and a quadratic curve, and a shape composed of a plurality of quadratic surfaces. Further, the present embodiment can be applied without any problem even when the degree of freedom of the processing / assembly apparatus such as the robot arm A is less than six or seven or more.

【0033】(実験例)次に、本実施例による具体的実
験例を図面につき説明する。図7は実験例において表面
形状と力の作用線の交点およびその法線ベクトルを示し
た図、図8は同・検出した接触点の軌跡および接触法線
ベクトルを示した図である。
(Experimental Example) Next, a specific experimental example according to this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a diagram showing an intersection of a surface shape and an action line of force and a normal vector thereof in an experimental example, and FIG. 8 is a diagram showing a trajectory and a contact normal vector of the same detected contact point.

【0034】前記ロボットアームAに手先に取り付けた
力検出器9の先端に先端15[mm]、長さ120[m
m]のアルミ製円柱を取り付け、半径200[mm]の
塩化ビニル製の板を周辺側に水平に固定し、人間がロボ
ットアームAの力検出器9の取り付け位置より基部側を
動作させることにより、円柱を塩化ビニル板の縁に一点
で接触させ倣わせる作業を行ったときの力検出器9およ
びエンコーダ7の検出信号S1,S2をサンプリング間
隔0.05[sec]で計測した。
The tip of the force detector 9 attached to the hand of the robot arm A has a tip of 15 [mm] and a length of 120 [m].
m], an aluminum cylinder having a radius of 200 [mm] is fixed horizontally on the peripheral side, and a human moves the base side from the position where the force detector 9 of the robot arm A is mounted. The detection signals S1 and S2 of the force detector 9 and the encoder 7 when the cylinder was brought into contact with the edge of the vinyl chloride plate at one point and imitated were measured at a sampling interval of 0.05 [sec].

【0035】図7に、式(4)および式(5)を用いて
手算出した円柱表面と力の作用線との交点の絶対座標系
からみた軌跡、および当該交点における円柱表面の法線
ベクトルを図示する。ここで、円柱表面と力の作用線と
の交点の絶対座標系からみた軌跡αは塩化ビニル板の
縁を表し、円柱表面の法線ベクトルβは塩化ビニル板
の法線ベクトルを表す。
FIG. 7 shows the trajectory of the intersection point of the line of force and the line of action of the force, which is manually calculated using equations (4) and (5), as viewed from the absolute coordinate system, and the normal vector of the cylinder surface at the intersection. Is illustrated. Here, the trajectory alpha 1 viewed from the absolute coordinate system at the intersection of the line of action of the cylinder surface and the force represents the edge of the vinyl chloride plate, normal vectors beta 1 of the cylinder surface represents a normal vector of the vinyl chloride plate.

【0036】図7に示すように法線ベクトルβは半径
200[mm]の円周に対する法線と比較しして明らか
に誤差を生じている。これは、加速度運動、力検出器9
の温度変化、ヒステリシス、非直線性などによる力検出
器9の検出誤差に起因するものである。
As shown in FIG. 7, the normal vector β 1 clearly has an error as compared with the normal to the circumference of a radius of 200 [mm]. This is the acceleration motion, force detector 9
This is caused by a detection error of the force detector 9 due to a temperature change, hysteresis, non-linearity, and the like.

【0037】図8に、本実験例に対し従来と同一の計測
データを用いて検出した結果を図7と同様に示す。図8
では法線ベクトルβと円周の軌跡αは扇型状に等間
隔に正しくならび、図7と比較して法線ベクトルβ
検出結果が大幅に改善されている。よって、本実験例に
よる力検出器9の誤差を軽減する機能の有効性が証明さ
れた。
FIG. 8 shows the result of detection using the same measurement data as in the prior art for this experimental example, as in FIG. FIG.
In FIG. 7, the normal vector β 2 and the trajectory α 2 of the circumference are correctly arranged at regular intervals in a fan shape, and the detection result of the normal vector β 1 is greatly improved as compared with FIG. Therefore, the effectiveness of the function of reducing the error of the force detector 9 according to this experimental example was proved.

【0038】また、本実験例では従来技術で必要であっ
た摩擦係数を予め求めておくなどの頻雑な作業を必要と
しない。さらに、実験では接触点や接触力を一定に保つ
などのロボットアームAの制御を一切行っていないの
で、本実験例による加工・組立装置における接触点およ
び接触法線検出法はロボットアームAの制御方法に依存
しない。本実験例ではロボットアームAの制御方法が直
接的に力を制御する方法であっても、間接的に力を制御
する方法であっても、全く制御を伴わない場合であって
も、いずれにおいて何等変更を加えることなく適用でき
る。
Further, in this experimental example, a complicated operation such as previously obtaining a friction coefficient required in the prior art is not required. Furthermore, in the experiment, since the control of the robot arm A such as keeping the contact point and the contact force constant is not performed at all, the method of detecting the contact point and the contact normal in the machining / assembly apparatus according to the present experimental example is the control of the robot arm A. Independent of the method. In this experimental example, whether the control method of the robot arm A is a method of directly controlling a force, a method of controlling a force indirectly, or a case without control at all, Applicable without any changes.

【0039】[0039]

【発明の効果】かくして、本発明によれば、従来の技術
では対応できなかった、接触点における摩擦力や摩擦係
数の変動、作業中のロボットアームにおける周辺との接
触点の変動にも対応でき、さらに従来の技術にはない力
検出器の誤差を補正する機能を有するほか、姿勢や作用
力を一定にする必要がある倣い作業などに適用でき、ロ
ボットアームなどの加工・組立装置の制御系に依存せず
に接触点および接触法線の検出が可能となる等優れた効
果を奏する。
As described above, according to the present invention, it is possible to cope with the fluctuation of the frictional force and the friction coefficient at the contact point and the fluctuation of the contact point with the periphery of the working robot arm, which cannot be coped with the conventional technology. In addition, it has a function to correct the error of the force detector, which is not available in the conventional technology, and it can be applied to copying operations that require constant posture and acting force. And an excellent effect such as the detection of the contact point and the contact normal line without depending on the image.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例を適用するロボットアームの各
関節の自由と各リンク長を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the freedom of each joint and each link length of a robot arm to which an embodiment of the present invention is applied.

【図2】同上、制御系構成図である。FIG. 2 is a control system configuration diagram according to the first embodiment;

【図3】本発明の実施例において、表面形状と力の作用
線の交点近傍での候補点の設定例を示した図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of setting candidate points near an intersection of a surface shape and a line of action of a force in the embodiment of the present invention.

【図4】同上、ロボットアームの先端に取り付けられた
工具の一例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a tool attached to the tip of the robot arm.

【図5】同上、ロボットアームのエンドイフェクタに把
持された部品の一例を示した図である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a component held by the end effector of the robot arm.

【図6】同上のフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart of the above.

【図7】実験例において、表面形状と力の作用線の交点
およびその法線ベクトルを示した図である。
FIG. 7 is a diagram showing an intersection of a surface shape and a line of action of a force and a normal vector thereof in an experimental example.

【図8】同上、本発明により検出した接触点の軌跡およ
び接触法線ベクトルを示した図である。
FIG. 8 is a diagram showing a trajectory of a contact point and a contact normal vector detected according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

A…ロボットアーム B…エンドイフェクタ C1…ツール C2…組立対象部品 D…加工対象 E…部品(周辺側) L1…500mm長のリンク L2…400mm長のリンク L3…47mm長のリンク 1…ロボットアームの基部からの第一関節 2…同・第2関節 3…同・第3関節 4…同・第4関節 5…同・第5関節 6…同・第6関節 7…エンコーダ 8…アップダウンカウンタ 9…力検出器 10…A/Dコンバータ 11…D/Aコンバータ 12…サーボアンプ 13…アクチュエータ 14…コンピュータ α,α…円柱表面と力の作用線との交点の軌跡 β,β…法線ベクトルA: Robot arm B: End effector C1: Tool C2: Assembly target part D: Processing target E: Part (peripheral side) L1: Link of 500 mm length L2: Link of 400 mm length L3: Link of 47 mm length 1: Robot arm 2 joints 3 joints 3 joints 4 joints 4 joints 5 joints 5 joints 6 joints 6 joints 7 encoder 8 up-down counter 9 ... force detector 10 ... a / D converter 11 ... D / a converter 12 ... servo amplifier 13 ... actuator 14 ... computer α 1, α 2 ... trajectory beta 1 at the intersection of the line of action of the cylinder surface and the force, beta 2 … Normal vector

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05B 19/18 B25J 9/10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G05B 19/18 B25J 9/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】作業を行う空間内での工具または保持する
組立対象部品の三次元位置・姿勢または速度・角速度を
検出する機能を持ち、かつ当該工具・組立対象部品に加
わる作用力を検出する機能を持った加工・組立装置にお
ける接触点および接触法線を検出する方法であって、 当該加工・組立装置と前記工具・組立対象部品の間に配
置され当該工具・組立対象部品の力検出器の出力信号か
ら、当該工具・組立対象部品に作用する反力をコンピュ
ータで求め、当該反力から力の作用線を計算する力作用
計算処理ステップと、 与えられた当該工具・組立対象部品の幾何形状データを
用いて、当該工具・組立対象部品表面と前記力の作用線
の交点を前記コンピュータで計算する交点計算処理ステ
ップと、 工具・組立対象部品表面上の前記交点近傍に複数の候補
点を設定し、各候補点における法線ベクトルと、位置ま
たは速度検出機能により各候補点の並進速度を前記コン
ピュータで計算し法線ベクトルと並進速度の内積を求め
る内積計算処理ステップと、 前記候補点から前記工具・組立対象部品の前記交点まで
の距離を求め、各候補点における当該内積と当該距離か
らなる関数を前記コンピュータで計算する関数計算処理
ステップを順次踏んで、 当該関数を評価関数として、前記候補点のうち評価関数
を最小とする点およびその点における法線ベクトルを、
当該工具・組立対象部品と加工対象または周辺に配置さ
れた部品との接触点および接触法線として前記コンピュ
ータで算出することを特徴とする加工・組立装置におけ
る接触点および接触法線検出法
1. A function for detecting a three-dimensional position / posture or a speed / angular velocity of a tool or a component to be held in a space in which work is performed, and detecting an acting force applied to the tool / component to be assembled. What is claimed is: 1. A method for detecting a contact point and a contact normal in a machining / assembly device having a function, comprising: a force detector disposed between the machining / assembly device and the tool / assembly target component; From the output signal of the above, the reaction force acting on the tool / assembly target component is obtained by a computer, and a force action calculation processing step of calculating a line of action of the force from the reaction force; An intersection calculation processing step of calculating, using the computer, an intersection of the tool / assembly target component surface and the line of action of the force using the shape data; and a vicinity of the intersection on the tool / assembly target component surface A plurality of candidate points are set, a normal vector at each candidate point, an inner product calculation processing step of calculating a translation speed of each candidate point by the computer by a position or speed detection function to obtain an inner product of the normal vector and the translation speed, Finding the distance from the candidate point to the intersection of the tool / assembly target part, sequentially performing a function calculation processing step of calculating the function consisting of the inner product and the distance at each candidate point by the computer, As an evaluation function, a point at which the evaluation function is minimized among the candidate points and a normal vector at that point are
A method for detecting a contact point and a contact normal in a machining / assembly apparatus, wherein the computer calculates a contact point and a contact normal between the tool / assembly target component and a component disposed on or around the machining target.
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