JP2009023047A - ロボット制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットのアーム先端部に加わった外力を直接表示できるようにし、同時にその時の位置情報を容易に知ることができるロボット制御装置を提供する。
【解決手段】ロボット制御装置１０は、力センサ１６からの出力信号を周期的に読み取ってその信号値から力変換値を求める力変換手段２０と、力変換値から特定時点の力変換値を差し引いてその差分値を力検出値として算出する力検出値算出部２２と、特定時点の力変換値を記憶する力変換値保持部２４と、操作者からのリセット要求を受け付けるリセット入力手段２６と、リセット入力手段２６にリセット要求がされたときにその時点での力検出値を「リセット時の力検出値」として記録する力検出値保持部２８と、力検出値からリセット時の力検出値を差し引いて力表示値を算出する力表示値算出部３０と、力表示値を表示する表示手段３２とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、力センサを搭載したロボットを制御するロボット制御装置に関する。

多関節型ロボット等のアームの先端に力センサを取り付け、力センサで検出したデータをフィードバックしてロボットの動作を制御する技術は公知である。また力センサを装着したロボットにおいて、検出された力検出値を表示する手段も知られている。例えば特許文献１には、ロボットの手首部に搭載された力センサの検出データを処理し、各軸成分毎に表示する技術が開示されている。また特許文献２には、ロボット先端部に設けた力センサが検出した力のフィードバックにより、コンプライアンス制御を行う制御系を含む自動組立装置が開示されている。

力センサを搭載した多関節型ロボットでは、ロボットの動きによって力センサの重力軸に対する姿勢（方向と向き）が変化する。力センサは、力センサの先に取り付けられたハンド及びハンドが把持しているワークの質量により、重力軸方向に力を受け、力検出値にはこの重力成分が含まれる。従って重力軸に対する姿勢が変化すると、力センサの検出成分が変化する。一般に、力センサ搭載ロボットではハンド又は把持しているワークに対する外力を識別してロボットの動作を制御するが、力検出値には重力成分が含まれるため、外力のみを識別することは難しい課題である。

これに対する解決策として、力センサの先に取り付けられた物体の質量及び力センサの重力軸に対する姿勢の情報から力センサに作用する重力成分を計算し、力検出値から重力成分を除去することにより外力を識別する方法が、例えば特許文献１に開示されている。しかしこの方法では、ハンドがつかんだ物体の質量と重心位置の情報が必要であるため、つかむ物体が多種類存在する場合は適用が難しい。これを解決する手段として、先ずロボットがアプローチする前の力検出値を基準値とし、その基準値からの変化量を外力と見做し、外力が指定値を超えたことを以ってハンド等が外部の物体に接触したと認識する技術が例えば特許文献２に開示されている。この方法により、重力軸に対する力センサの姿勢が変化しない場合に、外力を正しく識別してロボットを制御できる。

特開平６−２６２５６３号公報 特開平７−２４６６５号公報

ロボットによる組立て作業を行う場合、多関節型ロボットのハンドで把持した部品を自由な姿勢で配置できることが望まれる。しかし、力センサが様々な姿勢をとると、力センサの先に取付けたエンドエフェクタや把持したワークに働く重力等の外力によって力検出値は変化する。例えば、力センサに取付けたエンドエフェクタに重力が作用して力センサに引張荷重がかかる場合に、重力が作用する軸線上でエンドエフェクタを逆向きに配置すると力センサには逆に圧縮荷重がかかることになる。また、力センサが同じ姿勢で荷重が変化しない状態でも、温度変化や経時変化により力センサの信号が変化することがあり、それによって力検出値にドリフト誤差が発生する。

このようにロボットのツール姿勢や周囲温度等の変化によって力検出値は変化するので、操作パネル表示画面などに表示された力表示値は、必ずしもエンドエフェクタへの外力を直接表示しているわけではない。そのために、エンドエフェクタ又は把持したワークに働く正確な外力をロボット使用中に知るためには、外力がかかる前の力検出値を記録し、かつ外力がかかった後の力検出値との比較を行う必要があり、手間がかかるという問題があった。

従来技術を利用して、力センサを装着したロボットを用いてエンドエフェクタ又はワークの接触作業を含む教示作業を行う場合、力成分の表示手段を利用して接触状況を確認することはできる。しかしながら、力センサにかかる外力のみを、簡易な手段で正確に表示して操作者に知らせることができる試みはなされていない。さらに、例えばジグとエンドエフェクタがある一定力で接触している位置を教示したい場合等、力成分及び位置の２つの情報を確認して教示位置を決めたい場合には、力については力成分を表示した表示手段で確認し、位置情報を確認するためには力成分の表示手段から位置情報の表示手段に切り替えなければならず、接触作業を含む教示作業を効率よくできない問題があった。

そこで本発明は、ロボットのアーム先端部に加わった外力を直接表示できるようにし、同時にその時の位置情報を容易に知ることができるロボット制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、力センサを備えたロボットを制御する制御装置であって、前記力センサが検出した値を力表示値として表示する表示手段と、操作者からのリセット要求を受け付けるリセット入力手段と、前記リセット入力手段にリセット要求がされたときの、前記表示手段に表示された前記力表示値をゼロにする算出部と、を有し、前記表示手段は前記リセット要求後の力表示値を表示するように構成されることを特徴とする、ロボット制御装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロボット制御装置において、前記力センサからの出力から力変換値を求める力変換手段と、前記力変換値から特定時の力変換値を差し引いてその差分値を力検出値として算出する力検出値算出部と、前記リセット入力手段にリセット要求がされたときの前記力センサの力検出値をリセット時の力検出値として記録する力検出値保持部と、を有し、前記算出部は、前記力検出値算出部が算出した前記リセット要求以降の前記力センサの力検出値と前記リセット時の力検出値との差分を前記力表示値として算出する、ロボット制御装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のロボット制御装置において、前記力センサからの出力から力変換値を求める力変換手段と、前記リセット入力手段にリセット要求がされたときの前記力センサの力変換値をリセット時の力変換値として記録する力変換値保持部と、を有し、前記算出部は、前記力変換手段が変換した前記リセット要求以降の前記力センサの力変換値と前記リセット時の力変換値との差分を前記力表示値として算出する、ロボット制御装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のロボット制御装置において、前記リセット入力手段にリセット要求がされたときの前記力センサの出力信号をリセット時の力センサ信号として記録する力センサ信号保持部と、前記算出部が計算した、前記リセット要求以降の前記力センサの出力信号と前記リセット時の力センサ信号との差分を力変換値に変換する力変換手段と、を有し、前記表示手段は、前記力変換手段が変換した力変換値に基づいて前記力表示値を表示する、ロボット制御装置を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボット制御装置において、前記表示手段は、前記力表示値及びロボットの現在位置情報を同時に表示するように構成される、ロボット制御装置を提供する。

本発明に係るロボット制御装置によれば、力センサの姿勢が重力軸に対して変化しない場合において、外力が加わる前に操作者が力表示値のリセット要求を行うことにより、リセット要求時点からの力変化を表示させることができ、操作者は外力を正確かつ容易に読み取ることができる。また、リセット要求時点からの温度変化及び経時変化が小さい場合では、ドリフト誤差が小さくなるのでより正確な外力を表示させることができる。

具体的にはロボット制御装置は、力センサからの出力から力変換値を求める力変換手段と、力変換値から特定時の力変換値を差し引いてその差分値を力検出値として算出する力検出値算出部と、リセット入力手段にリセット要求がされたときの力センサの力検出値をリセット時の力検出値として記録する力検出値保持部と、を有することができ、この場合算出部は、力検出値算出部が算出したリセット要求以降の力センサの力検出値とリセット時の力検出値との差分を力表示値として算出すればよい。

またロボット制御装置は、力検出値保持部の代わりにリセット時の力変換値保持部を有してもよく、その場合上記力検出値算出部及び特定時の力変換値は不要となる。

あるいはロボット制御装置は、リセット入力手段にリセット要求がされたときの力センサの出力信号をリセット時の力センサ信号として記録する力センサ信号保持部と、算出部が計算した、リセット要求以降の力センサの出力信号とリセット時の力センサ信号との差分を力変換値に変換する力変換手段と、を有してもよく、この場合表示手段は、力変換手段が変換した力変換値に基づいて力表示値を表示することができる。

また本発明によれば、力の表示値とロボットの位置情報の表示とを同時に行うことも可能であり、これにより例えば力表示値からエンドエフェクタがジグ等に接触したことを知り、同時にその接触位置を表示手段から読み取ることができる。

図１は、本発明に係るロボット制御装置１０及びロボット制御装置１０により制御されるロボット１２の全体構成を示す。ロボット１２は例えば、その手首１４の先に力センサ１６を装着し、さらに力センサ１６の先にエンドエフェクタ１８が装着された多関節型ロボットである。また、力センサ１６は、例えば６軸力センサであり、手首１４における互いに直交する３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向の力及び各軸回りのモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を検出でき、故にロボットの手首１４に作用するどの方向からの力も検出できる。

図２は、ロボット制御装置１０の機能構成を示す図である。ロボット制御装置１０は、力センサ１６からの出力信号を周期的に読み取ってその信号値から力変換値を求める力変換手段２０と、力変換値から特定時点の力変換値を差し引いてその差分値を力検出値として算出する力検出値算出部２２とを有する。ここで特定時点とは、例えばキャリブレーション時やロボット制御装置の電源投入時であり、特定時点の力変換値は力変換値保持部２４に格納しておくことが可能である。

またロボット制御装置１０は、操作者からのリセット要求を受け付けるリセット入力手段２６と、リセット入力手段２６にリセット要求がされたときにその時点での力検出値を「リセット時の力検出値」として記録する力検出値保持部２８を有する。力検出値保持部２８は、ロボット制御装置１０の電源投入時にそのときの力検出値をセットする初期化を行う。

ロボット制御装置１０はさらに、力検出値からリセット時の力検出値を差し引いて力表示値を算出する力表示値算出部３０と、力表示値算出部３０が算出した力表示値を表示する操作パネル表示画面等の表示手段３２とを有する。これによりリセット時点での力表示値はゼロとなり、それ以後の力検出値の変化が力表示手段に表示される。

図３は、本発明に係るロボット制御装置の起動から力表示までの処理の流れを示すフローチャートである。先ず、電源投入によりロボット制御装置１０の起動動作が開始され（ステップＳ１）、次に力センサ１６の出力信号の読み取り、及び力変換手段２０による力変換値への変換が行われる（ステップＳ２）。次のステップＳ３では、力検出値算出部２２により力検出値が算出される。この力検出値は起動中に得られた力検出値であり、リセット時の力検出値保持部２８の初期値として記録され、力検出値保持部２８の初期化が行われる（ステップＳ４）。

起動動作終了後、ステップＳ５において力センサ１６からの信号を読み取り、力変換手段２０によって力変換値を求める。次に力検出値算出部２２が、力変換値保持部２４に記録されている特定時の力変換値とステップＳ５で求めた力変換値との差分を、力検出値として求める（ステップＳ６）。

次のステップＳ７では、リセット入力手段２６が操作者からのリセット要求を受け付けたか否かを判定し、リセット要求があった場合は力検出値保持部２８に保持している力検出値を、リセット要求の受け入れ時点の力検出値に更新する（ステップＳ８）。リセット要求がなければステップＳ８はスキップして次のステップＳ９に移行する。ステップＳ９では、周期的に力検出値算出部２２にて算出される力検出値から、リセット要求時に記録した力検出値を差し引いて力表示値を求める。次にステップＳ１０において、ステップＳ９において計算された力表示値を表示する。従ってリセット要求時点で力センサに何ら外力が作用していなければ、力表示値はゼロになる。その後、力センサ信号の読み取り処理（ステップＳ５）に戻り、何らかの終了要求があるまで、一連の処理を周期的に繰返し行う。

図４は、表示手段３２が表示する表示画面の一例を示す図である。表示手段３２は、各力成分を表示できるとともに、ツール先端点等の所定点の位置を表示することができる。図１のような力センサを装着したロボットを利用して、エンドエフェクタ又はワークの接触作業を含む教示作業を行う際、力成分の情報とロボットのツール先端位置情報との双方を把握しながら作業を進めたい場合があるが、図４のように力表示値及びツール先端位置を同時に表示する表示手段を用いることにより、力表示から接触があったことを知ると同時にその接触位置を読み取ることができるので、教示作業の効率を上げることができる。

エンドエフェクタ１８又はそれに把持されたワーク（図示せず）が外部の物体に接触していないときは、力センサ１６による力検出値は、エンドエフェクタ１８及びワークの重力による力成分、力センサ１６のオフセット誤差（すなわち無荷重時にゼロにならない検出誤差）成分、及び温度変化等によるドリフト誤差成分の和になる。ここでリセットを要求した時点で、エンドエフェクタ１８がいずれの物体にも接触していなければ、上記の誤差要因となる力成分を「リセット時の力検出値」として記録する。従って本発明によれば、重力軸に対する力センサ１６の姿勢が変化しないか又はその変化が無視できる場合には、以後の力検出値の変化はエンドエフェクタ１８又はワークに働く外力によって生じたものであると言えるので、力表示値は外力を示すことになる。さらに、リセット要求以降の温度変化や経時変化等によるドリフト誤差がないか又は無視できる場合には、力表示値はより正確な外力を示すことになる。

例えば、プリント板上のメス側コネクタにロボットが把持しているオス側コネクタを挿入する場合、コネクタの挿入位置にハンドで把持したコネクタを移動させ、ハンドを挿入に適した姿勢にした後に力表示のリセットを行い、力成分の表示値をゼロとする。ロボットを操作し、力センサの姿勢を保ったままコネクタを挿入させると、挿入時にコネクタに掛かる力成分を表示手段に表示することができる。すなわち、このような場合には、挿入時間が短くドリフト誤差を無視でき、さらに、力センサの姿勢が重力軸に対して実質変化しないので、表示手段に表示された力成分は検出誤差等を含まない外力のみを表示していると判断して差支えない。従って操作者は、高感度な力センサを搭載したロボットにおいて行うタッチ検出と同様の操作を、外力を監視しながらロボットの手動操作でも行うことができる。

図５は、本発明に係るロボット制御装置の第１の変形例であるロボット制御装置１１０を示す図である。同図において、ロボット制御装置１０の各要素に対応する要素には１００が加算されている。ロボット制御装置１１０が上述のロボット制御装置１０と異なる点は、リセット時の力検出値保持部、特定時の力変換値保持部及び力検出算出部を含まず、代わりにリセット時の力変換値保持部１３４を有することである。ロボット制御装置１０における力表示値の算出では、測定された力検出値及びリセット時の力検出値はいずれも、特定時の力変換値を引く処理がなされていることから、特定時の力変換値保持部を省略し、直接的にリセット要求以降の力変換値からリセット時の力変換値を差し引いた値を力表示値としてもよい。

図６は、本発明に係るロボット制御装置の第２の変形例であるロボット制御装置２１０を示す図である。同図において、ロボット制御装置１０の各要素に対応する要素には２００が加算されている。ロボット制御装置２１０が上述のロボット制御装置１０と異なる点は、リセット時の力検出値保持部、特定時の力変換値保持部、力検出算出部及び力表示値算出部を含まないことと、リセット時の力センサ信号保持部２３４及び力センサ信号値差分算出部２３６を有することである。このような構成によれば、周期的に読み取る力センサの信号から、リセット入力がされた時点で記録した力センサ信号値を差し引き、その値を力変換手段によって力変換値に変換し、それを力表示値とすることができる。

なお本発明が適用可能なロボットは多関節型ロボットでなくともよく、また力センサも６軸成分測定可能なものでなくてもよい。但し多関節型ロボットの場合、手先姿勢を自由に変えられることから、様々な方向からの力成分を測定可能な６軸力センサを使用することが好ましい。

本発明に係るロボット制御装置を含むロボットの全体構成を示す図である。 図１のロボット制御装置の機能構成を示すブロック図である。 図２のロボット制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。 ロボット制御装置の表示手段の表示例を示す図である。 図２のロボット制御装置の第１の変形例を示す機能ブロック図である。 図２のロボット制御装置の第２の変形例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１０ ロボット制御装置
１２ ロボット
１４ 手首
１６ 力センサ
１８ エンドエフェクタ
２０ 力変換手段
２２ 力検出値算出部
２４ 特定時の力変換値保持部
２６ リセット入力手段
２８ リセット時の力検出値保持部
３０ 力表示値算出部
３２ 表示手段

Claims (5)

1. 力センサを備えたロボットを制御する制御装置であって、
   前記力センサが検出した値を力表示値として表示する表示手段と、
   操作者からのリセット要求を受け付けるリセット入力手段と、
   前記リセット入力手段にリセット要求がされたときの、前記表示手段に表示された前記力表示値をゼロにする算出部と、を有し、
   前記表示手段は前記リセット要求後の力表示値を表示するように構成されることを特徴とする、ロボット制御装置。
2. 前記力センサからの出力から力変換値を求める力変換手段と、
   前記力変換値から特定時の力変換値を差し引いてその差分値を力検出値として算出する力検出値算出部と、
   前記リセット入力手段にリセット要求がされたときの前記力センサの力検出値をリセット時の力検出値として記録する力検出値保持部と、を有し、
   前記算出部は、前記力検出値算出部が算出した前記リセット要求以降の前記力センサの力検出値と前記リセット時の力検出値との差分を前記力表示値として算出する、請求項１に記載のロボット制御装置。
3. 前記力センサからの出力から力変換値を求める力変換手段と、
   前記リセット入力手段にリセット要求がされたときの前記力センサの力変換値をリセット時の力変換値として記録する力変換値保持部と、を有し、
   前記算出部は、前記力変換手段が変換した前記リセット要求以降の前記力センサの力変換値と前記リセット時の力変換値との差分を前記力表示値として算出する、請求項１に記載のロボット制御装置。
4. 前記リセット入力手段にリセット要求がされたときの前記力センサの出力信号をリセット時の力センサ信号として記録する力センサ信号保持部と、
   前記算出部が計算した、前記リセット要求以降の前記力センサの出力信号と前記リセット時の力センサ信号との差分を力変換値に変換する力変換手段と、を有し、
   前記表示手段は、前記力変換手段が変換した力変換値に基づいて前記力表示値を表示する、請求項１に記載のロボット制御装置。
5. 前記表示手段は、前記力表示値及びロボットの現在位置情報を同時に表示するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボット制御装置。

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