CN107662098A - 控制装置、机器人及机器人系统 - Google Patents

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CN107662098A CN201710622419.4A CN201710622419A CN107662098A CN 107662098 A CN107662098 A CN 107662098A CN 201710622419 A CN201710622419 A CN 201710622419A CN 107662098 A CN107662098 A CN 107662098A
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小林正
小林正一
下平泰裕
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Abstract

本发明提供了控制装置、机器人以及机器人系统，能够降低将插入物插入被插入物时失败的概率。该控制装置对具有可动部的机器人进行控制，其具备控制部，通过所述可动部中设置的末端执行器移动插入物，使所述插入物相对于被插入物具有的插入孔的中心轴倾斜，在使所述插入物与所述插入孔接触后，将所述插入物插入所述插入孔。

Description

控制装置、机器人及机器人系统
技术领域
本发明涉及控制装置、机器人及机器人系统。
背景技术
在进行螺钉紧固动作的自动螺钉紧固装置中，在和螺钉紧固时受到的力的向量同一直线上设定螺钉紧固机构的刀头(bit)的目标姿势的结构是已知的(参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-214435号公报
在现有的技术中，将螺钉插入螺纹孔有时是困难的。例如，在螺纹孔中设置有锥形的情况下，螺钉与锥形接触，力的向量变为锥形的法线方向时，由于螺钉朝向锥形的法线方向，因此将螺钉插入螺纹孔是困难的。此外，例如在螺纹孔的中心轴(例如，图9的线D，后文详述)上存在其他部件的情况下，如果螺钉或螺丝刀(driver)沿螺纹孔的中心轴上接近螺纹孔，则将螺钉插入螺纹孔是困难的。此外，如果强硬插入，则其他部件和螺丝刀会相互干扰，有可能损坏其他部件。
发明内容
为了解决上述问题的至少一个，本发明的控制装置对具有可动部的机器人进行控制，所述控制装置具备控制部，所述控制部通过所述可动部中设置的末端执行器移动插入物，使所述插入物相对于被插入物具有的插入孔的中心轴倾斜，在使所述插入物与所述插入孔接触后，将所述插入物插入所述插入孔。
根据该结构，能够降低将插入物插入被插入物时失败的概率。例如，即使中心轴上存在其他部件，也能够利用避开该部件的位置使插入物接近插入孔，从而插入插入孔。此外，例如即使作为插入孔的螺纹孔的开口部形成有锥形，也不会因为锥形的法线方向的力而不能移动，从而能够使作为插入物的螺钉插入螺纹孔。
附图说明
图1是机器人的立体图。
图2是控制部的功能框图。
图3是示出螺丝刀的罩及刀头的图。
图4是螺钉插入处理的流程图。
图5是示意性地示出螺钉的插入开始位置和姿势的图。
图6是示出螺钉插入时的动作的图。
图7是示出作用于螺钉的力的图。
图8是示出插入中的螺钉的图。
图9是示出进行倾斜的螺钉的插入的工件的例子的图。
图10是示出沿中心轴观察具有锥形的螺纹孔时的状态的图。
图11是示出从臂作用于TCP的力的图。
符号说明
1 机器人 10 臂
21 螺丝刀 21a 罩
21b 刀头 30 螺钉
30a 接触点 40 控制装置
40a 控制部 40b 螺丝刀控制器
40c 真空泵 41 力控制部
42 位置控制部。
具体实施方式
下面，参照附图按以下顺序对本发明的实施方式进行说明。此外，在各图中，相应的构成元素被赋予相同的标号，并省略重复说明。
(1)机器人的结构：
(2)控制装置的结构：
(3)螺钉插入处理：
(4)示教位置：
(5)其他实施方式
(1)机器人的结构：
图1是本发明的一实施方式涉及的机器人1的立体图。如图1所示，机器人1具备臂10和末端执行器。臂10是具有三个弯曲关节B1～B3和三个扭转关节R1～R3的六轴臂。所谓弯曲关节B1～B3是构成臂10的部件以与臂10的长度方向正交的轴为中心旋转的关节。所谓扭转关节R1～R3，是构成臂10的部件以臂10的长度方向的轴为中心旋转的关节。臂10具备作为驱动部的电机(图中未示出)，该驱动部用于使弯曲关节B1～B3和扭转关节R1～R3进行动作。
包括螺丝刀21的末端执行器被安装在臂10的前端。末端执行器中具备位于螺丝刀21和臂10之间的力觉传感器P。力觉传感器P是输出作用于该力觉传感器P的三轴的力、和作用于该三轴周边的力矩相对应的力及力矩的传感器。在本实施方式中，在力觉传感器P的一面(臂10相反侧的面)具备螺丝刀21。因此，能够输出作用于螺丝刀21的三轴的力、和作用于三轴周边的力矩相对应的力及力矩。
此外，螺丝刀21具备刀头，螺丝刀21通过降低被设置在刀头周围的圆筒状的罩内的气压，能够使螺钉被吸附在刀头上(图1中未示出)。因此，在螺钉被吸附在螺丝刀21上的状态下，作用于螺钉的力和力矩实质上与作用于螺丝刀21的力和力矩相等，在力和力矩作用于吸附在刀头上的螺钉的情况下，力觉传感器P也能够输出与作用于螺钉的力、力矩相对应的力和力矩。此外，螺丝刀21和螺钉与外部物体接触，施加给外部物体的力及力矩，与外部物体作用于螺丝刀21和螺钉的力和力矩是方向相反但大小相同的物理量。因此，虽然也能够视作力觉传感器P会检测任一个，但这里以螺丝刀21和螺钉施加给外部物体的力及力矩是力觉传感器P的输出为例进行说明。
此外，螺丝刀21通过旋转被吸附在刀头上的螺钉，能够使螺钉旋转。因此，如果将螺钉配置在螺纹孔的开口部并旋转螺丝刀21的刀头，则螺钉会被插入螺纹孔。臂10通过旋转各关节B1～B3、R1～R3，能够将螺丝刀21配置在规定的范围内，并设置为规定的姿势(角度)。在本实施方式中，在机器人1的设置空间附近设置有臂10的操作空间，通过图中没有示出的输送装置输送具有螺纹孔H的工件W，能够将工件W固定在操作空间内。在操作空间内配置有螺钉的供给装置F，机器人1通过使螺丝刀21的前端向供给装置F移动，使螺钉被吸附在刀头上，能够为螺丝刀21供给螺钉。
机器人1能够基于力觉传感器P的输出驱动臂10使螺丝刀21的位置、姿势发生变化。在本实施方式中，在螺丝刀21的刀头上吸附有螺钉的状态下，如果机器人1移动螺丝刀21，则螺钉会随螺丝刀21移动至任意位置。此外，在螺钉被吸附在螺丝刀21上的状态下，机器人1通过将螺钉移动至螺纹孔H的开口部，并通过刀头旋转螺钉，将螺钉插入工件W的各螺纹孔H中。因此，在本实施方式中，插入物是螺钉，被插入物是工件W，插入孔是螺纹孔H，可动部是臂10。
(2)控制装置的结构：
在本实施方式中，机器人1由控制装置40控制。因此，机器人1和控制装置40构成机器人系统。控制装置40具有控制部40a和螺丝刀控制器40b。控制部40a及螺丝刀控制器40b具备图中没有示出的程序执行部(CPU、RAM、ROM等)。此外，控制部40a及螺丝刀控制器40b通过图中没有示出的接口进行信号的输入输出。机器人1、螺丝刀21的电源可利用各种电源，在本实施方式中，控制部40a接受商用电源的电力供给，为臂10具备的各电机供给电力。螺丝刀21由商用电源供给电力。
控制部40a基于机器人1的末端执行器上安装的力觉传感器P的输出，供给被用于控制臂10具备的各电机的控制信号和电力。此外，控制部40a与真空泵40c连接。真空泵40c能够降低螺丝刀21的罩内的气压，根据控制部40a输出的控制信号进行驱动。即，控制部40a通过控制真空泵40c，能够控制螺丝刀21的刀头对螺钉的吸附。此外，螺丝刀控制器40b对机器人1的力觉传感器P上安装的螺丝刀21输出用于控制刀头的旋转等的控制信号。此外，螺丝刀21输出表示作用于刀头的力矩的信号。
下面，对控制部40a的结构进行更详细的说明。图2是控制部40a的功能框图。控制部40a通过执行预定的程序来驱动机器人1。力控制部41、位置控制部42示意性地示出了由该程序实现的功能。
在本实施方式中，控制部40a向臂10的关节B1～B3和扭转关节R1～R3各自对应的电机输出控制信号。力控制部41控制臂10的各关节，以使末端执行器中设置的力觉传感器P的输出为目标力。即，力控制部41获取力觉传感器P的输出，对螺丝刀21(或螺钉)施加给其他物体的力进行检测。此外，在该被检测的力不是目标力的情况下，力控制部41计算实现该目标力被检测的状态所需的臂10的驱动量(电机的控制量)，通过向电机输出控制信号，使电机根据控制量进行动作。该电机的控制量可由各种方法确定，例如可采用由阻抗控制确定控制量的结构等。当然，力控制部41也可控制臂10，以使力觉传感器P输出的力矩为目标力矩。
位置控制部42控制臂10的各关节，以使预先设定的TCP(Tool Center Point：和臂10一同移动的基准部位)的位置为目标位置，具有TCP的部位的姿势为目标姿势。即，在机器人1中，TCP的位置在预定的机器人坐标系(图1所示的正交xyz坐标系)中定义。具有TCP的部位的姿势基于局部坐标系确定，该局部坐标系在TCP上具有原点，相对于螺丝刀21被固定。局部坐标系能够进行各种定义，例如可以由刀头延伸方向上的一轴和与该方向垂直的二轴定义。
TCP能够设定在各种部位上，在本实施方式中，被设定在螺丝刀21的刀头上安装的螺钉前端的中央点上。图3是示出螺丝刀21具备的圆筒状的罩21a的图，在该图3中，将罩21a沿刀头21b延伸的方向切断，与刀头21b及螺钉30一同示出。
在可动范围内TCP位于任意坐标、任意姿势所需的各臂10的动作是预先确定的。在机器人坐标系中，TCP的目标位置及目标姿势被确定时，位置控制部42基于该目标位置及目标姿势计算臂10的驱动量(电机的控制量)。此外，位置控制部42通过向电机输出控制信号，使电机根据控制量进行动作。当然，在该控制中，也可通过PID(Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分)控制等反馈控制获取电机的控制量。
根据以上结构，控制部40a能够控制臂10以使螺丝刀21或螺钉30施加给其他物体的力为目标力。此外，控制部40a能够使螺丝刀21上安装的螺钉30的TCP向目标位置移动，以TCP为基准使螺丝刀21变为目标姿势。
(3)螺钉插入处理：
下面，对本实施方式中控制装置40控制机器人1向工件W的螺纹孔H插入螺钉30并进行螺钉紧固时的螺钉插入处理进行说明。图4是示出螺钉插入处理的流程图。在螺钉插入处理开始前，处理中所需的目标位置、目标姿势会被预先示教。即，在本实施方式中，机器人1重复进行从供给装置F接受螺钉30的供给，在螺钉30被吸附在螺丝刀21上的状态下，使螺钉30向工件W的螺纹孔H移动，将螺钉30插入螺纹孔的操作。为了执行该操作，各操作的开始位置被作为示教位置示教，开始位置中的姿势被作为示教姿势示教。
在进行了这样的示教的状态下，在控制部40a开始螺钉插入处理时，首先，位置控制部42使螺丝刀21向螺钉供给位置移动(步骤S100)。即，位置控制部42向电机输出控制信号，驱动臂10使螺丝刀21向螺钉30的供给装置F的上方(z轴方向的正方向)的示教位置移动。此外，位置控制部42向电机输出控制信号，驱动臂10使螺丝刀21的姿势变为示教姿势。
接着，位置控制部42为螺丝刀21供给螺钉30(步骤S105)。即，位置控制部42向电机输出控制信号，驱动臂10使螺丝刀21的罩21a的开口部接近供给装置F的螺钉30。此外，控制部40a向真空泵40c输出控制信号，降低螺丝刀21的罩21a的内部的气压。结果，螺钉30被吸附在刀头21b侧。
接着，位置控制部42使螺丝刀21向插入开始位置移动，使螺钉30倾斜(步骤S110)。即，在图1所示的工件W中形成有多个螺纹孔H，在向各螺纹孔H插入螺钉30时，作为操作的开始位置，各螺纹孔H的上方的位置被示教。因此，位置控制部42从工件W具有的多个螺纹孔H中，选择尚未被插入螺钉30的螺纹孔H。此外，位置控制部42向电机输出控制信号，驱动臂10使螺丝刀21向被作为螺钉30相对于被选择的螺纹孔H的插入开始位置示教的位置移动。
此外，位置控制部42向电机输出控制信号，驱动臂10，使螺丝刀21变为被示教的姿势。在本实施方式中，该被示教的姿势为相对于螺纹孔H的中心轴倾斜的姿势。图5是示意性地示出将螺钉30插入工件W的螺纹孔H的操作开始前的插入开始位置和姿势的图(省略罩21a)。如图5所示，在使螺钉30从该插入开始位置向z轴负方向移动的情况下，插入开始位置被设定在螺钉30的前端进入螺纹孔H的概率较高的位置。此外，倾斜角被设定为使螺钉30的中心轴As相对于螺纹孔H的中心轴AH只倾斜角度θ(例如7°)。此外，螺丝刀21向插入开始位置的移动和倾斜可以同时进行，也可由任一方先进行。
螺丝刀21向插入开始位置移动，螺钉30倾斜后，控制部40a向力觉传感器P输出控制信号，对力觉传感器P进行复位(步骤S115)。即，以步骤S110中设定的姿势，对传感器进行复位使力觉传感器P的输出结果为预定值(例如0)。
接着，力控制部41将x轴方向及y轴方向上的目标力设定为0，将z轴负方向上的目标力设定为预定值(步骤S120)。即，力控制部41基于力觉传感器P的输出，获取x轴方向、y轴方向及z轴方向上的力Fx(N)、Fy(N)及Fz(N)。此外，力控制部41基于Fx及Fy，控制臂10使x-y平面上的合力为0。此外，在本实施方式中，在向螺纹孔H插入螺钉30时，螺钉30沿螺纹孔H的中心轴前进的方向为插入方向。因此，在本实施方式中，z轴负方向与插入方向平行，x轴方向及y轴方向与插入方向正交。
具体地，在Fx及Fy不为0的情况下，力控制部41计算使力觉传感器P的输出Fx及Fy同为0所需的臂10的驱动量(电机的控制量)。此外，力控制部41通过向电机输出控制信号，使电机根据控制量进行动作，将力觉传感器P的输出变为0。
图7示出了x-y平面上的合力为Fx1(即Fy＝0)的例子。即，在图7所示的例子中，螺钉30与螺纹孔H的开口部(z轴正方向的端部)中形成的锥形在接触点30a处接触，通过螺钉30向插入方向(z轴负方向)移动，螺钉30受到锥形的反作用力，这里，假定螺钉30从该接触点30a受到的反作用力为朝向x轴负方向的大小为Fx1的力的例子。
如图7所示，通过使罩21a内的气压降低，螺钉30被吸附在刀头21b上，因此作用于螺钉30的力Fx1通过刀头21b、罩21a传递给力觉传感器P。此外，接触点30a作用于螺钉30的反作用力和螺丝刀21施加给接触点30a的力是方向相反大小相等的力。因此，从力觉传感器P输出Fx＝Fx1(x轴方向的力)、Fy＝0。在这种情况下，力控制部41向电机输出控制信号，驱动臂10，使螺丝刀21稍微向Fx1的反方向(即x轴负方向)移动。结果，虽然螺钉30的接触点30a会偏离螺纹孔H的开口部中的锥形，但在螺钉30偏离接触点30a的瞬间，与x-y平面平行的方向上的力不再作用于螺钉30。因此，力觉传感器P的输出中Fx＝Fy＝0，力控制部41视作力觉传感器P的输出变为了目标力，中断对与x-y平面平行的方向上的位置或力有关的控制。
在这种控制的过程中，力控制部41控制臂10，以使z轴方向的力Fz变为预定值。具体地，力控制部41计算z轴方向的力Fz变为预定的大小(例如6N)的、朝向z轴负方向的力Fz1所需的臂10的驱动量(电机的控制量)。此外，力控制部41通过向电机输出控制信号，使电机根据控制量进行动作，进行调整以使力觉传感器P的输出变为Fz1。力Fz的预定大小可以基于各种要素确定，例如基于螺丝刀21的重量等确定。
接着，位置控制部42以螺钉30在单位时间的插入速度向z方向移动(步骤S125)。即，在本实施方式中，被插入工件W的螺纹孔H的螺钉30是按照预定的规格制造的螺钉，每旋转一周向插入方向的移动距离，即导程(lead)是按照规格制造的。因此，一旦螺丝刀21的旋转速度确定，则螺钉30一边以该旋转速度旋转一边插入螺纹孔H时向插入方向移动的速度也确定。
具体地，在螺钉30的导程为L(mm/转)，螺丝刀每秒的旋转速度为R(rps)的情况下，如果以该旋转速度旋转螺钉30，则每秒向螺纹孔H插入R×L(mm)的距离。因此，在本实施方式中，会进行位置控制，以使螺丝刀21根据螺钉30被插入螺纹孔H的速度向z轴负方向(插入方向)移动。
具体地，螺丝刀控制器40b向螺丝刀21输出控制信号，以预定的旋转速度R旋转螺丝刀21。此外，位置控制部42将螺钉30的导程L和旋转速度R的积作为速度V获取。此外，位置控制部42向电机输出控制信号，驱动臂10使螺丝刀21以速度V向z轴负方向移动。
此外，作为各种控制的结果，位置控制部42进行控制使螺丝刀21(螺钉30)的移动速度变为速度V。因此，通过力控制部41的控制，在以速度vf向插入方向移动的情况下，位置控制部42驱动臂10，通过加上V－vf的速度，使作为结果的螺丝刀21(螺钉30)的移动速度变为速度V。例如，在通过力控制以((z轴方向的目标力－力觉传感器P的输出)/阻尼器)的方式获得速度vf的情况下，如果螺钉30与螺纹孔H接触等导致力觉传感器P的输出发生变化，则通过力控制获得的速度vf也会变化。此外，阻尼器是阻抗控制等中的虚拟粘性系数。
作为更具体的例子，例如在螺钉30的种类为M1，导程L为0.25mm，旋转速度R为13.3rps的情况下，力控制时的插入方向的速度V约为3.3mm/sec(＝13.3×0.25)。在这种情况下，作为阻抗参数(虚拟惯性系数m(N/(mm/s2))、虚拟粘性系数d(N/(mm/s)))的数值，例如可列举对于Fx有m＝0.001，d＝1；对于Fy有m＝0.001，d＝1；对于Fz有m＝0.005，d＝5的例子。此外，可列举将阻抗参数(虚拟弹性系数k(N/mm))的数值全部设为0(对于Fx为0，对于Fy为0，对于Fz为0)，将插入方向的目标力的数值设为3(N)的例子。
此外，在螺钉30的种类为M1～M39的情况下，可采用以下例子。即，将作为力控制时的插入方向的速度设为1～20(mm/sec)，将阻抗参数(虚拟惯性系数m、虚拟粘性系数d)的数值(m(N/(mm/s2))、d(N/(mm/s)))设为对于Fx有m＝0.0005～0.002，d＝0.5～2；对于Fy有m＝0.0005～0.002，d＝0.5～2；对于Fz有m＝0.001～0.01，d＝1～10，将阻抗参数(虚拟弹性系数k(N/mm))的数值全部设为0，将插入方向的目标力的数值设为大于0(N)且在40(N)以下的值的例子。
位置控制部42根据该变化控制螺丝刀21(螺钉30)的移动速度，使螺丝刀21(螺钉30)的移动速度为速度V。根据该结构，如图6所示，在刀头21b以旋转速度R旋转的同时，被设定在螺钉30的前端的TCP以速度V向z轴负方向移动。此外，在图6中，罩21a被省略。此外，速度控制能够采用各种结构，也可采用这种控制：只要螺钉30被控制为在插入时的速度为V即可，以通过位置控制获得的速度和通过力控制获得的速度之和V+Vf移动是允许的，在螺钉30与其他物体接触的情况下和在作用于z轴方向的力为目标力的情况下使移动速度变为V。
此外，在螺钉30到达螺纹孔H，螺钉30的槽与螺纹孔H的槽开始啮合时，螺钉30一边旋转一边插入螺纹孔H，但由于螺钉30的导程L和螺丝刀21的旋转速度R的积为V，因此在螺丝刀21向z轴负方向移动的速度V不变的情况下，螺钉30被插入螺纹孔H。当然，螺丝刀21既可以在螺钉30被插入螺纹孔H期间以速度V移动，也可以在螺钉30到达螺纹孔H之前以高于速度V的速度移动，在螺钉30到达螺纹孔H的阶段再变为速度V。
如此，在本例的控制中，在步骤S125中，在螺丝刀21旋转的同时，使螺钉30和螺丝刀21一同以速度V向z轴负方向移动，此外，在螺钉30与其他物体接触时，使臂10向z轴负方向作用力Fz1。因此，在螺钉30与螺纹孔H的槽啮合，能够对螺钉30向z轴负方向作用力的状态下，力Fz1继续向z轴负方向作用于螺钉30，使其随螺丝刀21旋转。此外，螺钉30与锥形接触后，为了使x-y平面方向的力变为0，如果螺钉30在x-y平面内稍微向锥形相反侧移动，则螺钉30向z轴负方向移动。螺钉30向z轴负方向移动时，从锥形向x-y平面方向的力会再次作用于螺钉30，因此使该力变为0的控制被进行，螺钉30在x-y平面内稍微向锥形相反侧移动。
在本实施方式中，由于该动作被重复执行，因此螺钉30沿锥形表面一边避开锥形一边向z轴负方向插入。即，螺钉30一边与螺纹孔的壁面接触一边被插入螺纹孔的仿形控制被执行。此外，在螺钉30的前端到达锥形更内侧时，由于螺钉30被旋转，因此螺钉30被插入螺纹孔H。即，臂10向z轴负方向移动，在该过程中，臂10的姿势不变，但由于螺钉30与螺纹孔H的槽啮合，因此在螺钉30到达锥形更内侧时，相对于螺钉30的中心轴的倾斜会逐渐变小。此外，螺钉30的轴会逐渐变为与螺纹孔H的中心轴平行，并被插入螺纹孔H。图8是示出螺钉30的前端被插入螺纹孔H的锥形更内侧(z轴负方向)的过程的图。
在这样的控制被执行的状况下，螺丝刀控制器40b对是否检测到螺钉紧固完成进行判断(步骤S130)。即，螺丝刀控制器40b能够基于螺丝刀21的输出信号对作用于刀头21b的力矩进行检测，在预定阈值以上的力矩在预定期间作用于刀头21b的情况下，检测到螺钉紧固完成。此外，在螺丝刀21中，螺钉30和刀头21b的接触部被配置在罩21a的内侧(例如，参照图3)。因此，螺丝刀21中具备在螺钉30的螺钉紧固完成前，刀头21b在将螺钉30向刀头21b的长度方向挤出的同时移动(或者，罩21a沿刀头21b的长度方向向螺丝刀21侧退避)的结构。
在步骤S130中，在没有判断为检测到螺钉紧固完成的情况下(螺钉30没有完全插入到插入孔的情况下)，位置控制部42及力控制部41在判断检测到螺钉紧固完成之前待机(继续步骤S120、S125的控制)。此外，在检测到螺钉紧固完成前，如果检测到螺钉紧固失败(例如，检测到螺钉30从刀头21b脱落的情况下)，例如，会进行诸如回到步骤S100对同一螺纹孔进行处理等处理。
在步骤S130中，在判断为检测到螺钉紧固完成的情况下，位置控制部42及力控制部41会结束位置控制和力控制(步骤S135)。然后，控制部40a判断螺钉30对全部螺纹孔H的插入是否都完成了(步骤S140)。即，由于工件W中形成的螺纹孔H的数量是预先确定的，因此控制部40a会判断螺钉30对全部螺纹孔H的插入是否都完成了，并重复进行步骤S100之后的处理，直到判断为已经完成。
根据以上结构，能够降低将螺钉30插入螺纹孔H时失败的概率。例如，在使螺钉30朝向作用于螺钉30的力的法线方向的现有结构中，螺钉30与螺纹孔H的锥形接触时，螺钉30可能会朝向锥形的法线放线，变得无法移动。但是，根据本实施方式，螺钉30朝向锥形的法线方向会被抑制。此外，在本实施方式中进行了仿形控制，使螺钉30即使与锥形接触，也能避开锥形插入螺纹孔H中。因此，能够降低螺钉30插入螺纹孔H时失败的概率。
此外，在本实施方式中，由于使螺钉30倾斜着接近螺纹孔H，因此即使插入孔的中心轴上存在其他部件，也能利用避开该部件的位置使螺钉30接近螺纹孔，并插入螺纹孔。图9是示出具有这种螺纹孔H的工件W的例子的图。如图9所示，工件W是去除了中空的六面体的一面的形状，在侧面S1上形成有螺纹孔H。由于在该螺纹孔H的中心轴D上存在相反侧的侧面S2，因此在螺纹孔H的中心轴上配置螺丝刀21、螺钉30并将螺钉30插入螺纹孔H是困难的。
但是，在本实施方式中，能够使螺钉30倾斜着接近螺纹孔H，并将螺钉30插入螺纹孔H。因此，能够避开在螺纹孔H的中心轴上存在的侧面S2，使螺钉30接近螺纹孔H并插入。此外，倾斜这样的螺钉30，在螺钉30的轴与螺纹孔H的中心轴不平行的状态下将螺钉30插入螺纹孔H的情况下，如果没有力控制部41的控制，则通过螺钉30与锥形接触，螺钉30的插入容易失败。但是，在本实施方式中，通过力控制部41的控制，能够使螺钉30避开锥形前进到螺纹孔H的内侧。因此，能够在不提高失败概率的前提下将螺钉30插入螺纹孔H。
(4)示教位置：
下面，对本实施方式中作为螺钉30的插入开始位置的示教位置进行详细说明。在重复进行预定操作的机器人中，通常会对操作的每个关键点中可动部的位置、姿势进行示教。在作为工业产品的机器人中，由于制造误差、经时变化等，可动部的位置可能产生误差。通常，示教位置和示教姿势可基于各种要素确定，但一般示教位置及示教姿势会被确定为操作成功概率最高的方式。
在将螺钉30插入螺纹孔H的操作中，一般螺钉30的姿势会被示教为使螺钉30的轴与螺纹孔H的中心轴平行。此外，示教位置被设定为在与中心轴平行的视线方向上观察螺纹孔H的情况下螺钉30的中心被配置在螺纹孔H的中央。图10示出了沿z轴方向观察具有锥形T的螺纹孔H时的状态。在图10中，用符号O示出了在与中心轴(z轴方向)平行的视线方向上观察螺纹孔H时螺纹孔H的中央。
在不使螺钉30相对于螺纹孔H的中心轴倾斜的情况下，如果以该中央O作为示教位置，则螺钉30的插入操作的成功概率最高。但是，在使螺钉30以倾斜的状态向螺纹孔H移动的结构中，如图7所示，螺钉30中螺纹孔H侧的端部(插入孔侧的端部：刀头21b相反侧的端部)可能最先与锥形接触。因此，已判明中央O不是理想的示教位置。
即，已判明优选在从该中央O向位移方向位移的位置设定示教位置的结构。具体地，优选以螺钉30在螺纹孔H侧的端部相对于螺纹孔H的中心轴倾斜的方向为位移方向，将从中央O向位移方向位移的位置作为示教位置的结构。此外，这里螺钉30在螺纹孔H侧的端部相对于螺纹孔H的中心轴倾斜的方向由与螺纹孔H的中心轴垂直的方向定义。例如，在图5所示的例子中，螺钉30在螺纹孔H侧的端部Pe(本例中和TCP一致)相对于螺纹孔H的中心轴As倾斜的倾斜方向不是θ方向(以旋转中心为基准的旋转方向)，而是在x-y平面内定义。因此，在图5所示的例子中，用虚线示出的箭头Dx是倾斜方向。此外，螺钉30在螺纹孔H侧的端部Pe只要是螺纹孔H侧的一点即可，例如被定义在螺钉30的中心轴AS上即可，以使在螺钉30的中心轴AS存在于螺纹孔H的中心轴AH上的情况下和倾斜的情况下产生差异。
向位移方向的位移量，例如可通过以各种位移量位移并重复进行插入动作，获取成功及失败的统计数据等来确定。图10示出了从中央O的位移量在x轴方向上为dx，在y轴方向上为dy时尝试插入动作时的位置Pt。以在x轴方向上位移dx，在y轴方向上位移dy的位置Pt为插入开始位置，重复进行将螺钉30插入螺纹孔H的动作，并计算螺钉30被恰当插入的概率，结果如表1所示。
即，在表1中，使x轴方向、y轴方向上的位移量每次变化0.2mm，并计算概率。此外，本例中使用的螺钉30是M1.2×2mm的粗牙螺纹的SUS制的螺钉，工件W是铁制的。
表1
这里关注表1中成功率为100％的位移量。如果关注成功率为100％时位移量在y轴方向上的变化，可以发现以dy＝0.0mm为中心在y轴方向上是对称分布的(dx＝－0.2，dy＝－0.2除外)。例如，在dx＝0.0mm时，成功率为100％的分布中dy在－0.4mm～0.4mm的范围内分布，分布中心的dy为0.0mm。因此，优选y轴方向上的位移量为0。
另一方面，如果关注dy为0.0mm时成功率在x轴方向上的分布，可以发现成功率为100％时dx在－0.2mm～0.8mm的范围内分布。因此，成功率为100％时的分布的分布中心为dx＝0.3mm。因此，如果将dy＝0.0mm、dx＝0.3mm的位置设为示教位置，则在倾斜螺钉30的本实施方式中，能够使螺钉30的插入成功率最高。
如上所示，将偏离位移方向的位置作为插入开始位置，在多个位置实施多次插入螺钉30的操作，确定在该位移方向内成功率在规定概率(虽然本例中为100％，但80％左右也可以)以上的位移量的分布，将该分布的中心(本例中dx＝0.3mm)作为示教位置，如果采用这样的结构，则在倾斜螺钉30的结构中，就能够以和不倾斜螺钉30的结构相同的成功率将螺钉30插入工件W中。此外，在倾斜螺钉30的情况下，成功率为100％的位移量的分布，比不倾斜螺钉30的情况下成功率为100％的位移量的分布广。因此，在倾斜螺钉30的情况下，即使插入开始位置的示教不严密，相比不倾斜螺钉30的情况，也能够使螺钉30插入成功的概率为高概率。
(5)其他实施方式：
以上实施方式只是用于实施本发明的一例，也能够采用其他各种实施方式。例如，控制装置可以内置在机器人中，也可以存在于和机器人的设置场所不同的场所，例如外部服务器等中。此外，控制装置也可以被构成为控制多个机器人。当然，控制装置也可被分散配置在多个装置中。例如，控制装置的一部分被内置在机器人中，其他部分被配置在机器人的外部的服务器等中。
此外，上述实施方式的一部分结构也可以省略，处理的顺序也可以变动或省略。例如，也可以是不对每个螺钉分别进行力觉传感器的复位，而是对多次螺钉的操作进行一次复位的结构。
此外，机器人只要具有可动部即可，机器人只要能通过使可动部进行动作来实现任意功能即可。可动部只要以相对于机器人的设置位置移动、姿势会变化的方式构成即可，其自由度(可动轴的数量等)是任意的。至少只要能够使插入物相对于插入孔的中心轴倾斜，并将插入物插入插入孔即可。因此，机器人的方式不受限定，轴的数量、臂的数量、末端执行器的方式等能够采用各种方式。
此外，可动部只要能够通过该可动部被驱动，使插入物随着可动部的动作移动即可。因此，插入物只要以被安装在可动部或可动部中设置的末端执行器等上的方式构成即可，安装的方式能够采用各种方式。例如，能够实现通过利用了气压、磁力等的吸附、把持、夹持等或这些的组合将插入物安装在可动部或可动部中设置的末端执行器等上的结构。用于将插入物安装在可动部上的装置(例如，用于吸附的装置或末端执行器等)，可以由可动部具有，也可以能够拆卸。
被插入物只要是具有插入物插入的插入孔的物体即可，只要插入物能够插入，则形状、材质等是任意的。被插入物只要在插入物的插入动作开始前被配置在预定的位置即可，其姿势等可以是各种姿势。例如，在上述图1所示的例子中，作为被插入物的工件W的姿势和图1所示的姿势不同，螺纹孔H的中心轴也可以朝向x轴方向、y轴方向或其他方向。
插入孔只要是能够插入插入物的部位即可，例如，被插入物上形成的孔等能够成为插入孔。由于插入孔是被插入插入物的形状，因此在与插入孔的中心轴平行的视线方向上观察插入孔的情况下，是插入孔的内壁与插入物的外壁相接的形状等，但为了在将插入物插入插入孔后使插入物在插入孔内无法移动，优选插入孔的内壁比插入物的外壁稍大而形状几乎相同的结构。
此外，插入孔的插入方向是插入物沿该插入方向移动的情况下插入物被插入的方向，主要设想了直线方向，也可设想沿曲线的方向(例如，插入环面体的一部分的插入孔等)。
插入物只要是能够插入被插入物的插入孔的物体即可，只要能够插入被插入物的插入孔，则形状、材质等是任意的。插入物只要在被插入插入孔前能够由可动部移动即可，也可由供给装置等供给可动部。插入可以是组装的一部分，也可以是连接的一部分。后者由螺钉进行的情况下，为了进行插入，插入物移动的移动方向不仅可以是插入方向，也能够向以插入孔的中心为轴的旋转方向移动。
相对于插入物的中心轴的倾斜，至少在插入物与插入孔的内壁接触的情况下被实现即可，在插入物开始向插入孔插入的情况下(例如，开始螺钉紧固动作的情况下)，可以倾斜，也可以是倾斜的状态已完成，也可以是倾斜角逐渐接近0。当然，也可以采用在插入物相对于插入方向没有倾斜的状态下进行仿形控制的结构，在这种情况下，也能够以较高的成功概率将插入物插入被插入物。
控制部只要是能够通过控制可动部使插入物移动即可，只要能够使插入物的姿势随着该移动变化即可。因此，作为控制部，例如可列举对具有多个自由度的可动部执行变形或旋转等控制指令，驱动电机或致动器等驱动部的控制部。
控制部中的控制至少包括可动部的控制即可，以进行插入物的移动、插入物的姿势的调整(倾斜)和插入物向插入孔的插入，能够通过可动部的位置和姿势中至少一方变化的控制来实现。当然，控制时的控制目标能够采用各种目标，可以是使可动部、插入物移动至目标位置的位置控制、使可动部或插入物进行动作以使作用于可动部或插入物的力为目标力的力控制、使可动部或插入物进行动作以使作用于可动部或插入物的加速度为目标加速度的加速度控制等，也可以是多种控制的组合。
作为控制的具体例子，也可以是这种结构：在向插入孔插入插入物期间，控制部进行控制以使插入物中作用于插入孔的插入方向的力大于作用于与插入方向正交的方向的力。即，控制部能够通过控制驱动可动部，根据该驱动的结果，可动部的位置或作用于可动部的力会发生变化。根据这种控制，能够控制作用于插入物的力，并进行控制以使作用于插入物的插入方向的力大于作用于与该插入方向正交的方向的力。
此外，在插入物中，如果使比作用于与插入方向正交的方向的力大的力作用于插入方向，则能够使用于使插入物向插入方向移动的力，即用于使插入物插入插入孔的力作用于插入物。此外，如果作用于与插入方向正交的方向的力为0，则在插入物与其他物体接触的情况下，向其他物体的相反侧移动，如果作用于与插入方向正交的方向的力大于0，则在多数情况下，插入物能够根据该力向该正交方向移动。
图11示出了在和图7相同的状态下，不是螺钉30从其他物体受到的力，而是根据臂10的驱动刀头21b作用于TCP的力为Fx3、Fx4的情况。即，根据臂10的驱动，z方向的力Fx4作用于刀头21b。因此，刀头21b通过力Fx4将螺钉30插入螺纹孔H。
此外，在本例中，臂10被控制以使作用于刀头21b的x方向的力为Fx3(y方向的力为0)。如果该力Fx3为0，则即使螺钉30在接触点30a处与锥形接触，臂10也会被控制以消除其反作用力，因此螺钉30会避开锥形，对于其他物体的接触，螺钉30以向其他物体的相反侧移动以避开该其他物体的方式进行动作。此外，如果将与从锥形的接触点30a受到的反作用力相同方向的大于0的力Fx3作用于TCP，则臂10会被控制以避开锥形等物体。
如此，在关注插入物的情况下，作用于插入孔的插入方向的力大于作用于与插入方向正交的方向的力这种状态能够通过各种目标力实现。即，作用于与臂10联动的任意部位(图11所示的螺钉30的接触点30a或TCP)的力，由于通过运算能够改变，因此能够将作用于与臂10联动的任意部位的力作为目标力。因此，并不限于图11所示的作用于TCP的目标力被直接定义、控制装置40进行力控制的结构，也可对各种部位设定各种目标力来进行控制。此外，关注插入物的情况下，如果作用于插入孔的插入方向的力大于作用于与插入方向正交的方向的力，则在使插入物相对于插入孔的中心轴倾斜着与插入孔接触后，能够进行使插入物插入插入孔的控制。
如上所示，即使妨碍插入物向插入方向移动的其他物体与插入物接触，插入物也能避开该物体。此外，通过使插入方向的力大于与插入方向正交的方向的力，能够进行控制使插入物避开其他物体插入到插入孔中。此外，将插入物插入插入孔的期间，只要是从插入物开始插入插入孔到插入完成期间的至少一部分期间即可，例如，也可以是作为插入物的螺钉与作为插入孔的螺纹孔的锥形接触的期间等(下同)。
此外，作为控制的具体例子，控制部也可具备力控制部，将可动部中设置的力检测部的输出作为目标力。即，如果可动部(或和可动部一同移动的插入物)与其他物体接触，则从该其他物体向可动部施加力，从可动部向其他物体施加力。这些力彼此方向相反大小相同。力检测部能够检测可动部向其他物体施加的力。
此外，如果控制部将用于移动可动部的力作用于该可动部，则作为结果，可动部向其他物体施加的力可能会变化。因此，如果控制部控制可动部的位置等，则力检测部的输出可能会变化。因此，控制部通过控制可动部的位置等，能够控制可动部使力检测部的输出为特定的目标力。
此外，虽然力检测部被设置在可动部中，对作用于可动部的力进行检测，但在这里，由于在将和可动部一同移动的插入物插入插入孔时会进行控制，因此优选力检测部中检测的力和作用于插入物的力实质上相等。即，在通过吸附等使插入物与可动部实质上被一体化，插入物和可动部一同移动的结构中，能够将力检测部检测的力和作用于插入物的力视为实质上相等。
此外，如上所述，在能够执行作为可动部的控制的力控制的结构中，在将插入物插入插入孔期间，力控制部也可以是将朝向插入方向的力作为目标力的结构。根据该结构，力控制部能够控制可动部，通过可动部使朝向插入方向的力作用于插入物。结果，能够控制可动部使插入物插入插入孔。此外，如果力检测部的输出不是可动部向其他物体施加的力，而是作为其他物体的反作用力的力，则目标力的方向会变为相反方向(因此，是朝向插入方向的相反方向的力)。
此外，在将朝向插入方向的力作为目标力的结构中，也可在与插入方向正交的方向上设定目标力。例如，在将插入物插入插入孔期间，力控制部也可采用将与插入方向正交的方向上的目标力设为0的结构。即，只要没有其他物体从与插入方向正交的方向接触可动部(或插入物)，则关于与插入方向正交的方向，力检测部检测的力为0。因此，在这种情况下，即使将与插入方向正交的方向上的目标力设为0，实质上也没有意义。
另一方面，如果有其他物体从与插入方向正交的方向接触可动部(或插入物)，则作为作用于与插入方向正交的方向的力，会有有限的值(≠0)从力检测部输出。因此，像这样在其他物体从与插入方向正交的方向接触可动部(或插入物)的情况下，如果与插入方向正交的方向上的目标力为0，则可动部会被驱动以使有限的值为0。结果，可动部被控制以避开与可动部(或插入物)接触的其他物体移动。
此外，根据该控制，在没有其他物体从与插入方向正交的方向接触可动部(或插入物)的状态下，力检测部的输出变为0(即目标力)，变为根据目标力进行可动部的控制的状态。因此，在插入方向上，通过朝向该插入方向的力变为目标力，在妨碍向插入方向移动的物体(螺纹孔的锥形等)与可动部(或插入物)接触的状态下，使插入物避开该物体逐渐向插入方向插入的控制被进行。即，使插入物与插入孔的壁面接触着插入插入孔的仿形控制被执行。
此外，在将朝向插入方向的力作为目标力的结构中，也可使用力以外的其他物理量来执行仿形控制。例如，能够采用具备位置控制部的结构，使和可动部一同移动的基准部位的位置向目标位置移动。即，如果和可动部一同移动的基准部位向目标位置移动，则通过将该基准部位作为目标位置，能够执行控制可动部和插入物的位置的位置控制。此外，基准部位是能够由控制部把握该基准部位的位置、能够在任意坐标系中向任意位置移动的部位。作为基准部位，能够设想各种部位，例如可动部中设定的TCP(Tool Center Position)、末端执行器的重心、插入物的特定部位(螺钉的前端)等。
在能够进行这种位置控制的情况下，在将插入物插入插入孔期间，位置控制部也可采用进行使基准部位的位置向目标位置移动的控制的结构。根据该结构，在朝向插入方向的力作用于插入物的状态下，即使可动部(或插入物)与妨碍插入的物体接触，通过使基准部位向目标位置移动，能够避免在与该物体接触的状态下静止的可能性较高。如果避开该物体进行插入，则通过重复避开该物体等，能够获得避开物体与插入插入物不断进行的状况。在这种情况下，也可以说进行了仿形控制。
在位置控制中，虽然能够设定各种目标位置，但是例如至少在使目标位置向与插入方向正交的方向、不存在妨碍插入物的插入的方向变化的结构中，即使插入物与妨碍插入物向插入方向移动的物体接触，也能够提高避开该物体的概率。此外，也可通过使可动部(或插入物)以预定的速度移动的控制来实现位置控制。
此外，位置控制中目标位置可以通过各种方法确定，例如，在将作为插入物的螺钉插入作为插入孔的螺纹孔的例子中，在螺钉中有朝向插入孔的中心方向(插入方向的直角方向)的大的力作用的情况下，可以推测螺钉会与螺纹孔的锥形接触。另一方面，可以想到螺钉中朝向插入孔的中心方向的力较小的情况为开始插入时。因此，在朝向插入孔的中心方向的力较大的情况下，如果进行移动控制使向该力的方向移动，则螺钉会逃离锥形，但由于有力作用于插入方向，因此螺钉会沿锥形向里面移动。由此，仿形控制被实现。当然，为了在朝向插入方向的力为目标力的状态下进行仿形控制，也能够采用其他各种控制，也可以采用各种位置控制或速度控制等组合的结构等。
此外，为了使可动部(或插入物)以预定速度移动而设定的基准部位的位置的速度，可以基于螺丝刀单位时间的旋转数和螺钉的导程之积确定，积的值本身可以是速度，对积的值设置了余量的值也可以是速度。此外，作为余量，可列举各种示例，例如可采用将积的0.5倍以上2倍以下的值作为速度的结构，即如果速度不到积的0.5倍，则螺钉的插入速度变慢，效率变差，此外，螺钉插入失败的概率增加。另一方面，如果速度超过积的2倍，则作用于螺钉和螺纹孔的力增加，此外，螺钉插入失败的概率增加。单位时间可以以秒为单位也可以以分钟为单位，能够采用各种单位。

Claims (9)

1.一种控制装置，其特征在于，
所述控制装置对具有可动部的机器人进行控制，
所述控制装置具备控制部，
所述控制部通过所述可动部中设置的末端执行器移动插入物，使所述插入物相对于被插入物具有的插入孔的中心轴倾斜，在使所述插入物与所述插入孔接触后，将所述插入物插入所述插入孔。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
在将所述插入物插入所述插入孔期间，所述插入物中作用于所述插入孔的插入方向的力大于作用于与所述插入方向正交的方向的力。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，
所述控制部具备力控制部，所述力控制部将所述可动部中设置的力检测部的输出作为目标力，
在将所述插入物插入所述插入孔期间，所述力控制部将朝向所述插入方向的力作为所述目标力。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，
在将所述插入物插入所述插入孔期间，所述力控制部将与所述插入方向正交的方向上的所述目标力设为0。
5.根据权利要求3或4所述的控制装置，其特征在于，
所述控制部具备位置控制部，所述位置控制部使与所述可动部一同移动的基准部位的位置向目标位置移动，
在将所述插入物插入所述插入孔期间，所述位置控制部进行控制使所述基准部位的位置向所述目标位置移动。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，
所述末端执行器包括螺丝刀，
所述插入物是安装在所述螺丝刀上的螺钉，
所述位置控制部以基于所述螺丝刀的每单位时间的旋转数和所述螺钉的导程之积而设定的速度，使所述基准部位的位置向所述插入方向移动。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制装置，其特征在于，
所述控制部在将与所述可动部一同移动的基准部位向示教位置移动后，开始将所述插入物插入所述插入孔的控制，
所述示教位置设定在从所述插入孔的中央向位移方向位移的位置，
所述插入孔的中央是在与所述中心轴平行的视线方向上观察所述插入孔的情况下的中央，
所述位移方向是所述插入物在所述插入孔侧的端部相对于中心轴倾斜的方向。
8.一种机器人，其特征在于，由权利要求1至7中任一项所述的所述控制装置控制。
9.一种机器人系统，其特征在于，具备权利要求1至7中任一项所述的所述控制装置；以及由所述控制装置控制的所述机器人。
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