JP2009190147A - ロボットの教示装置およびロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを対象物の穴に挿入する作業やギヤの位相を合わせながら嵌め合わせ作業を行う組み立て作業ロボットの、簡便、確実で安全な教示装置を提供する。
【解決手段】押圧を設定するための押圧設定手段５５と、押し圧力を表示する作用力表示手段５６と、探索移動量の指令値と実際値の偏差を表示する探索移動量表示手段５７と、ロボットの力制御を実現する力制御手段６５と、探索動作時の押し圧を調整するための押し圧変更調整手段６３１と、を備える。ロボットアーム先端に取り付けたエンドエフェクタに保持されたワークを対象物に挿入作業を行うロボットの教示において、教示作業者は作用力表示手段５６に表示される押し圧力と、探索移動量表示手段５７に表示される偏差とに基づいて前記押し圧設定手段５５を操作することで、探索動作中に押し圧の調整が可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械部品の組み立て作業、特にワークを対象物の穴に挿入する作業やギヤの位相を合わせながら嵌め合わせ作業を行う組み立て作業ロボットの教示装置およびロボットシステムに関するものである。

嵌め合わせる２つの部材等の一方をロボットアーム先端のハンド等で把持し、他方の部材に該一方の部材を挿入する作業において、この嵌め合いのクリアランスが厳しいときには、ロボット先端にコンプライアンス機構を取り付けて、位置・姿勢の誤差を修正しながら、一方の部材を他方の部材に挿入する方法が取られている。また、コンプライアンス機構を使用せず、力制御で一方の部材を他方の部材に挿入する方法も採用されている。これは、挿入中の力・モーメントを検出し、その力・モーメントを減少させる方向へロボットを動作させることにより、この挿入を無理なく実現することを可能にしたものである。
コンプライアンス機構を使用する場合も、力制御を用いる場合も、ロボットで把持する一方の部材を嵌合する他の部材の嵌合位置に正確に教示しなければならない。例えば、棒状のワークをロボットハンドで把持し、対象物の穴に該ワークを挿入するような組立作業の場合、挿入しようとする穴の入り口の位置にワーク先端が正確に位置付けられるように教示されなければならない。クリアランス（公差）を考慮した穴内に、ワークを相対的に位置決めされなければ、ワークを対象物の穴の方向に押圧しても、ワークは穴に挿入することはできない。また、穴に面取りがされているような場合には、挿入可能なワークと穴の位置決め誤差は、面取り分だけ増加し、クリアランスと面取り量によって決まる。
この位置決め許容誤差内に位置決めできなければ、ワークは穴に挿入することはできず、それでも対象物に対してワークを押圧しつづけると、ワークや対象物を損傷させる恐れが生じる。
このような理由から、位置決めを自動化する方法がいくつか提案されており、その１つとして嵌合位置を自動動的に探索する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、予め設定した押圧状態で、一定の範囲を探索動作して挿入可能位置を探索する方法である。
上述した嵌合位置を自動動的に探索する方法は、予め、実験などを通じて把握できている押し圧力を設定する必要があり、予め部材の表面の物理特性が既知で、組み立て経験のある部材の場合には有効な方法である。
特開２００４−１６７６５１号

しかし、対象物が新規部材の場合は、その材質、表面粗さ等が明確でないと、予め設定された押圧力が大きすぎて、対象物が破損したり、あるいは逆に小さすぎて確実に押し付けられなかったりするなどの欠点があった。特に、プラスチックなどの破損しやすい部品の嵌め合い作業の場合、教示作業者が誤って大きな押圧力を設定し、対象物を破損するだけでなく、破損片が教示作業者に飛来し危険な状態になるなど安全上の問題も発生していた。
また、更に、探索動作のために設定された座標系（ロボット座標系、ワーク座標系、ユーザ座標系等）と実際の座標系との誤差が大きい場合にも、押し圧が急激に大きくなったりして効果的な探索動作を行うことができないなどの問題が発生し、特に峡間部の人間の目で確認できない面での教示においては、動作座表系の不一致による不具合が発生し、教示効率が低下していた。
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、機械部品の組み立て作業、特にワークを対象物の穴に挿入する作業やギヤの位相を合わせながら嵌め合わせ作業を行う組み立て作業ロボットの、簡便、確実で安全な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、押圧を設定するための押圧設定手段（５５）と、押し圧力を表示する作用力表示手段（５６）と、探索移動量の偏差を表示する探索移動量表示手段（５７）と、ロボットの力制御を実現する力制御手段（６５）と、探索動作時の押し圧を調整するための押し圧変更調整手段（６３１）と、を備え、ロボットアーム先端に取り付けたエンドエフェクタに保持されたワークを対象物に挿入作業を行うロボットの教示装置において、教示作業者が、前記作用力表示手段（５６）に表示される押し圧力と、探索移動量表示手段（５７）に表示される探索移動量の偏差と、に基づいて前記押し圧設定手段（５５）を操作し、前記押し圧変更調整手段（６３１）は、前記操作された押し圧設定手段（５５）の出力に基づいて押し圧を設定し、前記力制御手段（６５）は、前記設定された押し圧に基づいて力制御を行うことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記押し圧変更調整手段（６３１）は、教示作業者が手動にて連続的に調整可能なジョグダイヤルからの入力に基づき、予め設定された一定の割合で押し圧を変更することを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記押し圧変更調整手段（６３１）は、探索移動量の時間変化から押し圧を自動調整することを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記挿入位置探索制御手段（６３）は、前記押し圧変更調整手段の調整結果を記憶する押し圧データ記憶手段（６３２）を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかに記載のロボット教示装置と、前記ロボット教示装置によって動作が教示されるロボットと、を備えたことを特徴とするものである。

請求項１、５に記載の発明によると、探索圧移動量をモニタリングしながら、自動もしくは手動にて、探索動作中に調整できるため、教示効率の向上と安全を実現することが可能で実用に適している。
また、請求項２、５に記載の発明によると、教示作業者が、探索移動量をモニタリングしながら、連続的に押し圧を変更できる、更に制御パラメータの急激な変更による不安定動作を防止することが可能なため、安全で確実な押し圧調整が可能となる。
また、請求項３、５に記載の発明によると、ロボットが自動的に、押し圧を調整できるため、教示作業者の作業負担を低減することが可能で教示効率の向上と安全を実現することが可能で実用に適している。
また、請求項４、５に記載の発明によると、前記請求項２で述べている手動調整の場合の調整結果をデータベースとして記憶して、次回からの教示作業で活用していくことが可能となるため教示効率の向上を実現することが可能で実用に適している。

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、本発明の実施例を示すロボット教示装置の全体構成図である。図１において、１は複数の関節駆動部を備えた多関節型のロボットである。３はロボット１の先端のハンド２に把持された第１部品であり、４は第１部品３が嵌め合わされる第２部品であり、一定の公差で加工されている。８は力センサで、ハンド２とロボット１の間に固定され、ハンド２に作用する力やモーメントを検出する。
５は教示装置インターフェース部であり、操作スイッチや表示部が設けられ、教示作業者７とのインターフェース部分となる。具体的には、操作スイッチとして、トグルＳＷなどで構成された教示／自動切り替え手段５１、ワーク座標系ΣＷの各軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｘ軸周りの回転方向、Ｙ軸周りの回転方向、Ｚ軸周りの回転方向）にロボットを動作させることが可能なＪＯＧ操作手段５２、押しボタン式の押し当て動作開始ＳＷ５３、押しボタン式の探索動作開始ＳＷ５４およびジョグダイヤル式の押し圧設定手段５５が設けられている。なお、前記ＪＯＧ操作手段５２と押し当て動作開始ＳＷ５３と探索動作開始ＳＷ５４は、前記教示／自動切り替え手段５１で教示側にＯＮされていない限り操作有効とはならない。また、ＬＣＤ画面等で構成された作用力表示手段５６およびＬＣＤ画面等で構成された探索移動量の偏差（図３に示す目標探索移動量と実探索移動量との差）を表示する探索移動量表示手段５７が設けられている。
６は教示装置本体部であり、前記ＪＯＧ操作手段５２からの速度指令を入力して一定制御周期毎の前記ロボット１の動作指令量を生成する補間処理制御部６１と、前記押し当て動作開始ＳＷ５３と前記探索動作開始ＳＷ５４の入力により、前記ロボット１の動作パターンを切り替える動作パターン切り替え手段６２と、挿入位置が見つかるまで探索動作を実行制御する挿入位置探索制御部６３と、一定の押し圧になるまで前記ロボット１の動作を制御する押し当て動作制御部６４と、前記挿入位置探索制御部６３と前記押し当て動作制御部６４から入力された目標力Ｆdと前記力センサ８の出力Ｆrに基づいて前記ロボット１の目標力を実現するように力制御（インピーダンス制御）を実行する力制御部６５と、前記補間処理制御部６１の出力結果と前記力制御部６５の出力結果である位置修正量に基づいて指令トルクを出力して前記ロボット１の各関節駆動部を制御する位置速度制御部６６と、前記位置速度制御部６６の指令トルクに応じて、前記ロボット１の各関節の駆動部への指令電流を制御するサーボアンプ６７で構成される。更に、挿入位置探索制御部６３は、押し圧変更調整手段６３１と押し圧データ記憶手段６３２で構成される。

力制御部６５は、図２に示すようなブロック図で表される。図２において、６５１は、センサ座標系での力センサ８の力データを、制御点座標系での力データに変換するセンサ座標変換部である。６５２は、目標力に対する所望のコンプライアンス特性を実現するための位置修正量を算出するためのインピーダンスモデル部で、算出された位置修正量は、前回のフィードバック位置から、公知技術である順運動額の順運動学の計算に該当する順変換６５４で計算された制御点位置に加算され、逆変換６５３に入力される。逆変換６５３は、位置修正量を加味した目標位置を、前記ロボット１の各関節の目標角度を算出する逆変換部で、公知技術であるところの逆運動学の計算に該当する。前記逆変換６５３の出力である目標角度と前回のフィードバック角度の差が、前記ロボット１の各関節の位置修正量として力制御部６５から出力される。
力制御部では、前記力センサ８の出力を、センサ座標変換部６５１で制御点座標系での力に変換し、インピーダンスモデル部６５２に出力する。ここで、前記インピーダンスモデル部６５２のインピーダンスモデルは式（１）で示される。

但し、Ｆ：Ｆｄ−Ｆｒ（Ｆｄ：目標力、Ｆｒ：力センサ出力）、Ｍ：慣性係数、Ｂ：粘性係数、Ｋ：バネ係数であり、慣性係数Ｍ、粘性係数Ｂおよびバネ係数Ｋを調整することで、前記ロボット１のコンプライアンス特性を調整することが出来る。インピーダンス制御は公知技術であるため、これ以上の詳細な説明は割愛する。
すなわち、

次に、本発明の教示装置の動作について説明する。
教示作業者７は、教示装置インターフェース部５の教示／自動切り替え手段５１を操作して、教示側にＯＮする。
次に、教示作業者７は押し当て動作開始ＳＷ５３をＯＮし、教示装置本体部６の押し当て動作制御部６４を有効にする。押し当て動作制御部６４は、所定の目標力Ｆｄを、前記力制御部６５に設定し、前記力制御部６５の出力を有効にし、押し当て有無の認識処理を開始する。
次に、教示作業者７は、前記ＪＯＧ操作手段５２を押下し、前記ロボット１を前記ワーク座標系ΣＷのＺ軸の−方向（第２部品の方向）に動作させる。前記第１部品３が前記第２部品４に接触し、予め設定された力以上になると押し当て状態に達したと判断し、前記作用力表示手段５６に押し当て状態を表示し、前記力制御部６５により、一定の押し圧力が維持された状態となる。
次に、教示作業者７は、前記作用力表示手段５６で、押し圧が所望の値に到達したのを確認し、前記探索動作開始ＳＷ５４を押下し、前記挿入位置探索制御部６３を有効にする。挿入位置探索制御部６３の探索動作の基本的な処理フローは、従来の公知技術と同じであるが、本発明では、探索動作中に、前記ジョグダイヤル式の押し圧設定手段５５によって教示作業者７が、押し圧調整可能となるところに特徴があり、前記挿入位置探索制御部６３の押し圧変更調整手段６３１が、前記ジョグダイヤル式の押し圧設定手段５５の入力信号を受信して、予め定められた制御周期で、調整目標力を加算することにより前記力制御部６５の押し圧力としての目標力Ｆｄを変更する。

図３は、探索移動量のフィードバック値（実探索移動量）と目標値（目標探索移動量）についての時間経過を表す図である。（ａ）は探索移動が失敗している場合を示す図、（ｂ）探索移動が成功している場合を示す図である。例えば、予め設定されている押し圧力が大きすぎる場合、第２部品との摩擦力が大きくなり第１部品を移動させることができなくなるため、（ａ）に示すようにフィードバック値に変化はなく、追従偏差量が大きくなる。しかし、本発明により、手動調節可能な形態とすると、図３（ｂ）に示すように追従偏差量を一定の偏差内に収束させることが可能となり、円滑な挿入位置探索動作が教示作業で可能となる。

次に、第２実施例について説明する。教示作業者７は、教示装置インターフェース部５の教示／自動切り替え手段５１を操作して、教示側にＯＮする。
次に、教示作業者７は押し当て動作開始ＳＷ５３をＯＮし、教示装置本体部６の押し当て動作制御部６４を有効にする。押し当て動作制御部６４は、所定の目標力Ｆｄを、前記力制御部６５に設定し、前記力制御部６５の出力を有効にし、押し当て有無の認識処理を開始する。次に、教示作業者７は、前記ＪＯＧ操作手段５２を押下し、前記ロボット１を前記ワーク座標系ΣＷのＺ軸の−方向（第２部品の方向）に動作させる。前記第１部品３が前記第２部品４に接触し、予め設定された力以上になると押し当て状態に達したと判断し、前記作用力表示手段５６に押し当て状態を表示し、前記力制御部６５により、一定の押し圧力が維持された状態となる。

次に、教示作業者７は、前記作用力表示手段５６で、押し圧が所望の値に到達したのを確認し、前記探索動作開始ＳＷ５４を押下し、前記挿入位置探索制御部６３を有効にする。挿入位置探索制御部６３の探索動作の基本的な処理フローは、従来の公知技術と同じであるが、本実施例では、探索動作中に、前記押し圧変更調整手段６３１が、図４に示すブロック図に基づいて自動的に、探索移動動作が一定の追従特性を維持するように押し圧を自動調整する。

図４は、押し圧変更調整手段の制御ブロック図を示す。図において、４０１は追従偏差を一定に保つために比例ゲイン係数、４０２は力変換係数である。なお、ＡＢＳ（ｘ）は、ｘの絶対値を示している。ＡＢＳ（Ｖ＿ｒｅｆ）とＡＢＳ（Ｖ＿ｆｂ）が入力されると、追従偏差に比例ゲイン係数４０１と力変換係数４０２が乗算された値を正負反転して調整目標力として前記力制御部６５に入力する。

したがってこの場合、教示作業者７は、押し圧状態を気にすることなく、接触作業の教示作業を継続していくことが可能となる。更に、押し圧データ記憶手段６３２に、自動調整後の押し圧データが記憶され、次回からの初期の押し圧データとして活用可能となるため、教示作業中の挿入位置探索動作がより円滑に進めることが可能となる。

なお、上記実施例におけるワーク座標系ΣＷは、これに限らず、ロボット座標系やユーザ座標系等、任意の座標系で良い。

本発明は、機械部品の組み立て作業、特にワークを対象物の穴に挿入する作業やギヤの位相を合わせながら嵌め合わせ作業を行う組み立て作業ロボットの、簡便、確実で安全な教示装置を提供できる。

本発明の実施例を示す教示装置の全体構成図 本発明の力制御部のブロック図 探索移動量のフィードバック値（実探索移動量）と目標値（目標探索移動量）についての時間経過を表す図 本発明の押し圧変更調整手段の制御ブロック図

符号の説明

１ ロボット
２ ハンド
３ 第１部品
４ 第２部品
５ 教示装置インターフェース部
５１ 教示／自動切り替え手段
５２ ＪＯＧ操作手段
５３ 押し当て動作開始ＳＷ
５４ 探索動作開始ＳＷ
５５ 押し圧設定手段
５６ 作用力表示手段
５７ 探索移動量表示手段
６ 教示装置本体部
６１ 補間処理制御部
６２ 動作パターン切り替え手段
６３ 挿入位置探索制御部
６３１ 押し圧調整変更手段
６３２ 押し圧データ記憶手段
６４ 押し当て動作制御部
６５ 力制御部
６６ 位置速度制御部
６７ サーボアンプ
７ 教示作業者
８ 力センサ

Claims (5)

1. 押圧を設定するための押圧設定手段（５５）と、押し圧力を表示する作用力表示手段（５６）と、探索移動量の偏差を表示する探索移動量表示手段（５７）と、ロボットの力制御を実現する力制御手段（６５）と、探索動作時の押し圧を調整するための押し圧変更調整手段（６３１）と、を備え、ロボットアーム先端に取り付けたエンドエフェクタに保持されたワークを対象物に挿入作業を行うロボットの教示装置において、
   教示作業者が、前記作用力表示手段（５６）に表示される押し圧力と、探索移動量表示手段（５７）に表示される探索移動量の偏差と、に基づいて前記押し圧設定手段（５５）を操作し、
   前記押し圧変更調整手段（６３１）は、前記操作された押し圧設定手段（５５）の出力に基づいて押し圧を設定し、
   前記力制御手段（６５）は、前記設定された押し圧に基づいて力制御を行うことを特徴とするロボットの教示装置。
2. 前記押し圧変更調整手段（６３１）は、教示作業者が手動にて連続的に調整可能なジョグダイヤルからの入力に基づき、予め設定された一定の割合で押し圧を変更することを特徴とする請求項１記載のロボット教示装置。
3. 前記押し圧変更調整手段（６３１）は、探索移動量の時間変化から押し圧を自動調整することを特徴とする請求項１記載のロボット教示装置。
4. 前記挿入位置探索制御手段（６３）は、前記押し圧変更調整手段の調整結果を記憶する押し圧データ記憶手段（６３２）を備えたことを特徴とする請求項３に記載のロボット教示装置。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載のロボット教示装置と、
   前記ロボット教示装置によって動作が教示されるロボットと、を備えたロボットシステム。