JP2008110406A - ロボットの直接教示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導力を加える教示作業者の意図を理解して教示作業中に力制御の操作感を自動的に変更し、もって教示作業の能率と位置決め精度とを向上する実用的な直接教示装置を提供する。
【解決手段】多関節ロボット１の先端部に力センサ３を介して設けられた操作ハンドル４を備え、教示作業者が操作ハンドル４に加える力を力センサ３により検出し、その力に応じて力制御によりロボット１を所望の位置へと誘導し教示を行うロボットの直接教示装置において、力センサ３によって検出される力の変化量とロボット１の動作速度の変化量に応じて、ロボット１の動作状態を所定の複数の状態のいずれかに判別する動作状態判定手段６５と、動作状態判定手段６５の判定結果に従い、ロボット１の誘導中に力制御のモデルを動的に変更するモデル変更手段６６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は産業用ロボットの教示装置に関し、特に作業者が直接ロボットに力を加えロボットを動作させて教示を行う直接教示装置に関するものである。

従来から、力制御に基づくロボットの直接教示方法が提案されている。この直接教示方法は、教示作業者がロボットのアームの先端部に設けられた手先効果器に力を加え、この加えられた力をリスト部に備えた力センサで検出し、力センサが出力する力信号に基づき且つ予め定められた演算式により力制御を行う制御手段によって、加えられた力に応じるようにロボットのアームの動作を制御し、手先効果器の移動速度と移動方向を決定し、手先効果器を目標位置に誘導して教示データを記憶するものである。
この力制御によるロボットの制御では、前記の演算式の上において手先効果器に仮想質量を設定し、教示作業者により力センサに対し加えられた力に比例した速度又は加速度、又はその代数和で手先効果器を移動させるように構成されている。このように構成される従来のロボットの直接教示装置又は直接教示方法としては、特許文献１や特許文献２等に開示されるものがある。
さらに、直接教示作業の状況に応じてロボットの操作感を変更することができ、これによって教示作業の能率と教示する位置や姿勢の精度とを向上したロボットの直接教示装置として、特許文献３に開示されたものがある。こうした従来のロボットの直接教示装置は、手先効果器を取り付けたアームのリスト部に力センサを備え、教示作業者が手先効果器を直接に把持して手先効果器に対し力を加え、力センサが力に対応して出力する力信号を制御手段に入力し力信号に基づき力制御に従って教示作業者がアームを誘導して直接に教示作業を行うロボットの直接教示装置において、アームを誘導する教示作業者の誘導操作感を複数の操作感モードのうちいずれかに設定することが可能なモード設定手段と、このモード設定手段で設定されたモードを教示作業者による直接のアーム誘導中に切換えるためのモード切換え手段とを備えるように構成されている。
特開昭５９−１４４８４号公報 特開昭５９−１５７７１５号公報 特開平３−１２３９０７号公報

以上述べたように、従来の直接教示装置では、教示作業中に教示作業者が外部に設置されたモード設定手段を操作することにより操作感を変更していた。しかしながら実際の教示現場においては操作感を変更するたびに手先効果器や操作ハンドルなどから手を離さねばならず、教示効率が悪かった。
また、ロボットによる重量物の搬送を教示する際など、教示作業者が操作ハンドルを把持しつつ、もう一方の手で重量物を支えながら教示作業を行うような場合が発生する。このような場合には操作感覚を手動設定で切換えることは教示作業の中断を意味し作業効率が著しく悪くなるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明は、誘導力を加える教示作業者の意図を理解して教示作業中に力制御の操作感を自動的に変更し、もって教示作業の能率と位置決め精度とを向上する実用的な直接教示装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、多関節ロボットの先端部に力センサを介して設けられた操作ハンドルを備え、教示作業者が前記操作ハンドルに加える力を前記力センサにより検出し、その力に応じて力制御により前記ロボットを所望の位置へと誘導し教示を行うロボットの直接教示装置において、前記力センサによって検出される力の変化量と前記ロボットの動作速度の変化量に応じて、前記ロボットの動作状態を所定の複数の状態のいずれかに判別する動作状態判定手段と、前記動作状態判定手段の判定結果に従い、前記ロボットの誘導中に前記力制御のモデルを動的に変更するモデル変更手段とを備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記動作状態判定手段は、前記力センサによって検出される力の変化量および前記ロボットの動作速度の変化量をそれぞれ所定の複数のパラメータと比較することにより、前記ロボットの動作状態を停止状態、加速状態、一定速度状態、減速状態の４種類に判別することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記４種類の動作状態は、予め定められた状態遷移の遷移パターンに沿って各状態間を遷移することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、前記モデル変更手段は、前記動作状態判定手段によって前記ロボットの動作状態が前記停止状態と判別された場合は前記力制御のモデルの粘性係数を第１の所定値とし、前記減速状態と判別された場合は前記力制御のモデルの粘性係数を第２の所定値とし、前記第１の所定値は前記第２の所定値より小さいことを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、前記所定の複数のパラメータを変更する判定条件設定手段を備えたことを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、前記判定条件設定手段は、前記操作ハンドル上に設けられたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、教示作業者が操作ハンドルに加える力とロボットの動作状速度の情報から、教示作業者の操作意図を推定して自動的に操作感を変更できるため、教示作業者は教示作業を中断することなく操作意図に合致した操作感を得ることができ操作性が格段に向上する。
また、請求項２に記載の発明によると、ロボットの動作状態を教示作業者の操作意図に合致した状態に設定することができ、教示作業者は違和感のない操作感覚を得ることができ、操作性が格段に向上する。
また、請求項３に記載の発明によると、教示作業者の操作意図を状態遷移の遷移パターンとして認識しているため、教示作業者の操作意図と遷移条件との対応付けが明確にできる。
また、請求項４に記載の発明によると、ロボットを停止状態から動かす際の操作が軽くなり、さらにロボットを停止させたい場合には即座に停止するため、操作性が向上する、
また、請求項５に記載の発明によると、動作状態の遷移条件を変更できるため、教示作業者の個性に合わせた操作感の設定も容易にできる。
また、請求項６に記載の発明によると、教示作業者がハンドルを把持した状態から操作感の設定を即座に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示すロボットの直接教示装置システム全体の構成図である。図１において、１は多関節ロボットであり、その設置側から各可動軸を順次数えて、第１番目の軸をＪ１ 軸とし、以降Ｊ６ 軸までが軸連節を成している。
ロボット１の先端には、エンドエフェクタ２が取り付けられている。ロボット１の先端とエンドエフェクタ２の間には力センサ３が配置され、力センサ３には教示作業者が直接教示を行う際に把持する操作ハンドル４が固定されている。力センサ３は、操作ハンドルに加わる力の方向および大きさを検出することができる。
６０は、ロボット１を制御するための制御装置で、インピーダンスモデル部６１と、逆変換処理部６２と、位置速度サーボ系６３と、サーボアンプ６４とを備える。
さらに制御装置６０は、動作状態判定手段６５と、モデル変更手段６６を備える。
なお、制御装置６０については、直接教示時にロボット１の各軸の位置や動作速度を記録したり、実行時に記録データを呼び出したりする機能に関する部分については省略して描いている。

ここでインピーダンスモデル部６１内のインピーダンスモデルは次の式（１）のように表現される。

但し、Ｆ：力センサ３の出力である操作力
ｘ：エンドエフェクタ２の位置
Ｍ：慣性係数
Ｂ：粘性係数
Ｋ：バネ係数
であって、いずれも実数とする。
式（１）の慣性係数Ｍと粘性係数Ｂ、バネ係数Ｋを調整し、求めたｘをロボット１への指令とすることで、力センサ３にて検出した力に対するロボット１の直接操作時の動作特性を変更することが出来る。インピーダンス制御は公知技術であるので、詳細な説明は割愛する。

次に、教示作業者（オペレータ）が操作ハンドル４を把持しロボット１を誘導する場合における制御装置６０での制御について説明する。
まず、オペレータが把持した操作ハンドル４に加わる誘導力を力センサ３で検出し、この力情報と仮想の慣性と粘性によるインピーダンスモデル（以下の実施例ではバネ係数Ｋ＝０とする）に基づき、インピーダンスモデル部６１にて式（１）により直交座標系での位置指令を算出する。この位置指令を逆変換処理部６２にてロボット１の関節座標系に逆変換し、Ｊ１〜Ｊ６の各関節の関節角度指令を求める。
この関節角度指令と、ロボット１の各駆動部分又は各関節部分に設けられた図示しない関節角度検出器によって検出された関節角度及び関節速度とに基づいて位置速度サーボ系６３内でＪ１〜Ｊ６の駆動源である各サーボモータ（図示せず）の発生トルクを算出し、サーボアンプ６４によりサーボモータが駆動される。

具体的な教示作業の例として図２に示すようなロボット１の動作の直接教示を考える。図２ではロボット１の先端にはエンドエフェクタとしてハンドが装着されている。７０はオペレータで、ロボット１のハンドで把持した第１部品７１を第２部品７２に組み付ける作業の教示作業を示している。図２（ａ）は第１部品７１を把持した状態で移動する様子を示し、図２（ｂ）は組み付けの様子を示す。このロボット１による一連の組み付け作業の教示において、オペレータ７０によるロボット操作状態は、図２（ａ）から（ｂ）に向かって「停止状態」→「加速状態」→「一定速度状態」→「減速状態」→「停止状態」と遷移する。
図３は、こうしたオペレータ７０によるロボット操作の状態遷移の様子を示す図である。図３の各状態間を結ぶ矢印線の添字Ｃ１〜Ｃ６は状態遷移のための条件で、その内容を図４に示す。図４において、ΔＶはエンドエフェクタ２の移動速度のサンプリング時間当たりの変化を表し、ΔＦは力センサ３により検出された誘導力のサンプリング時間当たりの変化を表す。また、ｃｒ１〜ｃｒ１２はそれぞれ予め定められた定数である。これらの定数は動作状態判定手段６５に格納されている。ｃｒ１〜ｃｒ１２は後述するようにその値を変更することも可能である。動作状態判定手段６５は力センサ３および位置速度サーボ系６３の出力をサンプリング時間ごとに取得してその変化量を求め、図４のテーブルに従いロボットの操作状態が図３のどの状態に該当するか判定を行うとともにモデル変更手段６６に対し操作状態を出力する。
なお、ロボット操作については各状態間で自由に遷移できるわけではない。例えば、加速状態から急に停止状態に遷移することはなく、減速状態からしか停止状態へは遷移できない。

オペレータ７０が操作ハンドル４を把持しただけで、まだ誘導力が作用していない状態においては、動作状態判定手段６５は、図３に示す状態遷移図と図４に示す遷移条件のテーブルに基づいて、オペレータ７０によるロボット操作状態が「停止状態」であると判定する。この判定を受けてモデル変更手段６６は、インピーダンスモデル部６１の粘性係数Ｂを所定の小さな値に設定し、オペレータ７０がロボット１を誘導しやすいようにする。

続いてオペレータ７０は操作ハンドル４を把持した状態で誘導操作を開始する。この状態において、動作状態判定手段６５は、図３に示す状態遷移図と図４に示す遷移条件のテーブルに基づいて、ロボット操作状態が「加速状態」であると判定する。この判定を受けてモデル変更手段６６は、インピーダンスモデル部６１の粘性係数Ｂ、慣性係数Ｍを加速の操作感に適した所定の値に設定する。

さらにオペレータ７０は操作ハンドル４を把持したまま誘導操作を継続する。この状態において、動作状態判定手段６５は、図３に示す状態遷移図と図４に示す遷移条件のテーブルに基づいて、ロボット操作状態が「一定速度状態」であると判定する。この判定を受けてモデル変更手段６６は、インピーダンスモデル部６１の粘性係数Ｂ、慣性係数Ｍを移動の操作感に適した所定の値に設定する。

次にオペレータ７０は移動状態から操作ハンドル４の誘導を止めてロボット１を停止させようとする。この状態において、動作状態判定手段６５は、図３に示す状態遷移図と図４に示す遷移条件のテーブルに基づいて、ロボット操作状態が「減速状態」であると判定する。この判定を受けてモデル変更手段６６は、ロボット１が停止しやすいようインピーダンスモデル部６１の粘性係数Ｂを所定の大きな値に設定する。

最後にオペレータ７０は操作ハンドル４を把持した状態でロボット１を停止させる。この状態において、動作状態判定手段６５は、図３に示す状態遷移図と図４に示す遷移条件のテーブルに基づいて、ロボット操作状態が「停止状態」であると判定する。この判定を受けてモデル変更手段６６は、次回、オペレータ７０がロボット１を誘導しやすいようインピーダンスモデル部６１の粘性係数Ｂを加速しやすい所定の小さな値に設定する。

このようにオペレータの操作意図を推定しながら、インピーダンスモデルの適切なパラメータを動的に設定していくため、オペレータの操作感は格段に向上する。またオペレータ７０がロボット１の操作感を調整したい場合は、動作状態判定手段６５の不揮発性メモリに記録された図４に示す遷移条件テーブルの設定値（ｃｒ１〜ｃｒ１２）を書き換えるだけでよい。図示しないが、設定値を表示するディスプレイと、設定値を変更するためのテンキーからなる操作デバイスを操作ハンドル４上に設置してもよい。このようにするとオペレータ７０は教示作業を中断することなく、操作ハンドル４上の操作デバイスを操作して即座に操作感を改善することができる。

以上の述べたように、インピーダンスモデルがオペレータの操作モードに応じて自動的に切換わるため、図５（ｂ）に示すように、操作力に対する速度の追従特性が各段に向上する。なお、図５（ａ）は、軽い誘導力で操作できるようにするため、粘性係数Ｂを小さく設定したまま操作したときの追従特性である。本発明（図５（ｂ））はこれに比べて誘導力に対するロボットの動作速度の追従遅れが小さくなっており、誘導力を加えるのを止めた後のロボットの停止遅れ時間も改善されていることが分かる。

本発明は、ロボットの直接教示のみならず、操作者が直接力を加えて動作させる作業機械などの操作性向上にも利用できる。

本発明の全体構成を示すブロック図 本発明での直接教示の例を示す図 本発明のロボットの動作状態の遷移を示す図 図３の動作状態遷移の条件を示す表 従来技術と本発明とでロボットの動作特性を比較した図

符号の説明

１ ロボット
２ エンドエフェクタ（ハンド）
３ 力センサ
４ 操作ハンドル
６０ 制御装置
６１ インピーダンスモデル部
６２ 逆変換処理部
６３ 位置速度サーボ系
６４ サーボアンプ
６５ 動作状態判定手段
６６ モデル変更手段
７０ オペレータ
７１ 第１部品
７２ 第２部品
８１ 停止状態
８２ 加速状態
８３ 一定速度状態
８４ 減速状態
Ｃ１ 停止状態から加速状態に遷移する遷移条件
Ｃ２ 加速状態から一定速度状態に遷移する遷移条件
Ｃ３ 一定速度状態から減速状態に遷移する遷移条件
Ｃ４ 加速状態から減速状態に遷移する遷移条件
Ｃ５ 減速状態から加速状態に遷移する遷移条件
Ｃ６ 減速状態から停止状態に遷移する遷移条件

Claims (6)

1. 多関節ロボットの先端部に力センサを介して設けられた操作ハンドルを備え、教示作業者が前記操作ハンドルに加える力を前記力センサにより検出し、その力に応じて力制御により前記ロボットを所望の位置へと誘導し教示を行うロボットの直接教示装置において、
   前記力センサによって検出される力の変化量と前記ロボットの動作速度の変化量に応じて、前記ロボットの動作状態を所定の複数の状態のいずれかに判別する動作状態判定手段と、
   前記動作状態判定手段の判定結果に従い、前記ロボットの誘導中に前記力制御のモデルを動的に変更するモデル変更手段とを備えることを特徴とするロボットの直接教示装置。
2. 前記動作状態判定手段は、前記力センサによって検出される力の変化量および前記ロボットの動作速度の変化量をそれぞれ所定の複数のパラメータと比較することにより、
   前記ロボットの動作状態を停止状態、加速状態、一定速度状態、減速状態の４種類に判別することを特徴とする請求項１記載の直接教示装置。
3. 前記４種類の動作状態は、予め定められた状態遷移の遷移パターンに沿って各状態間を遷移することを特徴とする請求項２記載の直接教示装置。
4. 前記モデル変更手段は、前記動作状態判定手段によって前記ロボットの動作状態が前記停止状態と判別された場合は前記力制御のモデルの粘性係数を第１の所定値とし、前記減速状態と判別された場合は前記力制御のモデルの粘性係数を第２の所定値とし、前記第１の所定値は前記第２の所定値より小さいことを特徴とする請求項２記載の直接教示装置。
5. 前記所定の複数のパラメータを変更する判定条件設定手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の直接教示装置。
6. 前記判定条件設定手段は、前記操作ハンドル上に設けられたことを特徴とする請求項５記載の直接教示装置。

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