JP2012232396A - ロボットの教示システムおよび教示方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ロボット1に取り付けられ、弾性的に変位可能な接触プローブ4と、ロボット1に取り付けられ、接触プローブ4と被作業対象物52との接触を検出する外力検出器2と、ロボット1の動作を制御する位置速度制御部66と、接触プローブ4の接触状態が検出された場合、接触プローブ4の位置に基づいて接触位置を導出する接触位置計算部61と、複数の接触位置から被作業対象物52の位置姿勢を計算する位置姿勢計算部62と、計算された被作業対象物52の位置姿勢に基づきロボットの組み付け作業プログラムを生成する作業プログラム生成部63を備える。
【選択図】図1
Description
しかし、ロボットに組立作業のような微細作業を教示するには、部品を把持したロボットの手先を対象物に1mm以下の精度で位置合わせする必要があり、教示には時間と労力が必要で、教示者にとって非常に負担となっている。
特許文献1では、ロボットを目標とする教示位置の手前のアプローチ点でソフトフローティング機能を有効化し、ソフトフローティング状態で目標教示点へ向けて手動操作でロボットを移動し、エンドエフェクタ先端を目標教示点に押付け、設定されたサーボ制御の剛性に対応した押付け力と反力がバランスした位置を接触位置として教示することが開示されている。
特許文献2では、ロボットの先端に力検出器を介して操縦桿を取付け、力検出器の検出力に応じてロボットを制御する、いわゆるロボットの直接教示であって、教示者が操縦桿を直接把持して作業対象物にロボットを誘導し、経由点を順次、位置教示することが開示されている。
特許文献3では、検出対象物体と接触検出子の接触状況を電気的に出力する手段を設け、検出対象物体と接触検出子が接触した瞬間の接触検出子の位置データを記憶保持し、記憶保持された位置データから、接触検出子が検出対象物体と接触した位置を演算することが開示されている。
また、特許文献2の方法は、安定な力制御をするために大きな操作力が必要である。また精密な位置の調整が難しく、特許文献1同様、正確に接触位置を教示することは難しい。更に特許文献1同様、位置制御状態から力制御状態への切替処理を必要とするため、教示時間が長大化する。
更に特許文献1、特許文献2の方法は、各々の制御方法により接触位置を教示することが出来るが、いずれも制御的にロボットと作業対象物の間で接触状態を作り出すものであり、ロボットの発生力と作業に必要な力はバランスがとれず過大力が発生しセンサやワークの破損を生じるという可能性を常にはらんでいる。破損に至らずとも、過大力により教示した作業対象物の位置がずれることで一から再教示が必要となり非常に煩雑である。
また、直接ワーク同士が接触を伴う作業を実際のワークを用いて教示することは、把持したワークの位置がずれてしまうことがあり、その場合は一から再教示を行う必要がある。更に教示者が力感覚を直接感じることができないため、作業が成功した状態を作り出すこと自体が困難を伴うことであった。
また、特許文献3の方法では、検出対象物体と接触検出子の接触状況を電気的に出力する手段を取っており、プラスチックや樹脂など通電しない材質に対して接触検出信号が得られないため、接触位置の検出を行うことができず、接触位置検出方法としての汎用性を欠くものである。
また、接触検出した瞬間に移動停止するためロボットの減速機に多大な負荷を与え、故障の原因となる。更に、本手法の技術的意義は、CADシステムにおけるオフラインプログラムの実機との位置誤差を修正するための位置検出であり、予めCADシステムで作業教示をしておくことが前提条件で、接触作業の教示を簡易化することは困難である。
また、ワークを把持して直接接触作業を伴うことなく教示を実現できるため、教示作業の失敗の可能性が低く、複雑なワーク同士でも特徴点をタッチングすることによりワークの位置情報を得るだけで作業に必要な一連の動きをロボットコントローラで生成できるという効果がある。
まず、図1を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係るロボットの教示システムの構成について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る、ロボットの教示システムの構成図である。
ここでは、精密嵌合の説明として、ロボットによって組付けする部品(作業対象物)と、作業対象物が組付けられる部品(被作業対象物)という一般的な嵌合作業を例に説明するが、これは発明内容としての汎用性を示すためで、具体的には電子機器のケーブルコネクタやカバーなど組立作業の対象となる各種部品を指す。
ロボット1の先端部には、作業対象物51及び被作業対象物52に対して作業を行う手先効果器3が搭載されている。手先効果器3は、例えばグリッパがあるが、接触作業を行うための装置であればこれに限定されない。
上位指令生成部65は、作業プログラムの他に、教示ペンダント7からのジョグ指令を受け付けることが出来、ジョグ指令に応じてロボット1に位置速度指令を送信する。ジョグ指令とは、教示ペンダント7のキーを押下している間だけキーに割り当てられたロボットの所定の関節軸を動作させる動作指令である。
位置速度制御部66は、上位指令生成部65において計算された位置速度指令と、ロボット1の各関節を駆動するサーボモータのエンコーダによる各関節軸の位置情報から位置速度制御を行い、サーボモータ(図示せず)を駆動する。
教示ペンダント7は、教示者8がキー操作し、ロボット1の作業プログラムの教示や再生を行う際に使用される。
ステップS1で、接触プローブ4、手先効果器3のツールデータ(取付け位置姿勢、及び寸法情報から計算する位置姿勢情報)の入力を行う。例えば教示者8が、教示ペンダント7を用いて数値を入力する。入力値として、通常は設計値を用いれば良いが、正確なツールデータ(取付け位置、寸法情報)が分からない場合には、別途キャリブレーションしても良く、例えば次のような方法がある。
次に、プローブ先端位置を変化させて、キャリブレーション治具のYZ平面102に接触させ、位置検出した際のロボット1のフランジ部のX方向位置とキャリブレーション用治具のX方向位置の差から、ツールデータの(設計寸法、取付け位置)のX方向位置が取得できるのである。同様に、キャリブレーション治具XZ平面103に接触させて、ツールデータの(設計寸法、取付け位置)のY方向位置が取得できるのである。
接触位置検出の処理は、外力検出器2の検出データとエンコーダの位置情報に基づいて、接触位置計算部61において行われ、被作業対象物の位置姿勢が、接触位置に基づいて、被作業対象物の位置姿勢計算部62において求められる。接触位置検出部61において、接触が検出されると、接触状態である旨が教示ペンダント7の画面に表示されることで、教示者8は正常に位置検出が行われたことを認識してロボットを次の接触箇所に移動させることができ、過大な押し込み量を与える事無く効率的に接触位置検出が出来るのである。
図4は接触位置検出の手順を示すフローチャートである。
まずステップS31で教示者8が教示ペンダント7によりロボットをジョグ操作して位置検出動作を開始する。続いてステップS32でプローブ先端位置と外力検出器の検出値の監視を開始する。プローブ先端位置は、前述のようにロボットの各軸のエンコーダの位置情報を順変換したロボット先端位置(プローブ取り付け位置)と接触プローブの取付け位置、方向、およびプローブの寸法とから求めることができる。
ステップS36で、外力検出器2により検出された外力検出値にローパスフィルタをかけ、外力検出値に重畳しているノイズ成分を除去する。ローパスフィルタとして、シャープなカットオフ周波数特性を有するのが好ましく、該カットオフ周波数は、ロボットの特性に応じて適宜変更可能である。また、本実施例では、プローブ4の先端位置の値に対してもローパスフィルタをかける。好ましくは、外力値に対して適用したものと同じ時間的特性を有するノイズ低減フィルタリング処理を実行する。これにより、同一遅れ信号同士を対応付けることができ、接触位置の検出精度を向上させることができる。
(1)外力検出器の検出値において接触判断した時点の時刻および外力検出値
(2)接触判断した時点から所定時間前の時点の時刻および外力検出値
この(1)と(2)から実際の接触から減速停止に到るまでの外力検出値の近似直線を求め、接触していない区間における近似直線を、同様に2つの時刻および外力検出値をサンプリングすることで計算し、両直線の交点における時刻と外力検出値から実際の接触位置を算出する等の方法がある。
各接触位置からP14やP24、同次変換行列RTWを導出する処理は、被作業対象物の位置姿勢計算部62にて行われる。
本ステップは被作業対象物の位置姿勢を求めるためのもので、被作業対象物の寸法、形状が変化した場合にも接触箇所と点数、及び位置姿勢の算出方法を変化させるだけで他の処理に影響を与えることは無い。
次に、図11を参照しつつ、本発明の第2実施形態に係るロボットの教示システムについて説明する。図11は本発明の第2実施形態に係るロボット制御コントローラの構成図である。
ステップS21で、アプローチ位置、被作業対象物の設計寸法を入力する。この寸法は、後に示す被作業対象物52の位置姿勢自動検出における検出動作生成のために使用し、必要な設計寸法は被作業対象物の形状に応じて異なるが、例えば、本実施形態のように円柱状の作業対象物を挿入される形状であれば、作業対象物用の穴の半径、深さの設計寸法を入力する。
次に、ステップS22で、教示者8が、教示ペンダント7をジョグ操作し、図13−1に示すように、接触プローブ4の先端球を被作業対象物52の位置姿勢自動検出を開始する位置RTAP’に移動させる。RTAP’は被作業対象物52の中心軸と上面が交差する位置、かつ非作業対象物52の上面と垂直になるようなプローブ姿勢にする。RTAP’の位置、及び姿勢は、それぞれ1cm、1°程度の精度で大まかに目視位置合わせされている。(1cm、1°程度位置ずれしていても、後の位置検出精度に影響は無い)。また、RTAP’の位置姿勢は後の位置姿勢自動検出において初期位置として使用する値で、上記の限りでは無い。
なお接触位置計算部61での接触位置検出の処理は第1実施形態で説明した手順(図4〜図6参照)と同様であるため、ここでは説明を割愛する。
θ1、θ2は、接触位置検出動作において、手先効果器や接触プローブの先端以外の箇所が被作業対象物と干渉すること無く、接触プローブの先端が弾性方向に被作業対象物と接触するために接触プローブがとる角度であって、干渉が発生しない値であればよい。
次に図13−3のように、RTAP’の位置から、Z軸正方向に、被作業対象物の深さの1/3だけ移動させ、更に被作業対象物の半径方向に所定距離だけ移動したP30’に移動する。移動距離は、図のように被作業対象物の上面に接触できるように、被作業対象物の内径以上、外径未満となるような距離とする。P30’の位置でプローブ姿勢を維持したまま、被作業対象物の上面に接触プローブ4の先端部が接触するように接触プローブ4を移動し、接触した時点のプローブ先端位置を複数(P31’など)得る。挿入軸とP31’などから被接触対象物の同次変換行列RTWを得ることが出来る。
ステップS24以降の処理は、図3のステップS4以降の処理と同様であるため、ここでは説明を割愛する。
2 外力検出器
3 手先効果器
4 接触プローブ
51 作業対象物
52 被作業対象物
6 ロボット制御コントローラ
61 接触位置計算部
62 被作業対象物の位置姿勢計算部
63 作業プログラム生成部
64 作業プログラム確認部
65 上位指令生成部
66 位置速度制御部
67 被作業対象物の位置姿勢自動計算部
7 教示ペンダント
8 教示者
9 CCDカメラ
101 キャリブレーション用治具XY平面
102 キャリブレーション用治具YZ平面
103 キャリブレーション用治具XZ平面
Claims (16)
- ロボットの先端部の手先効果器により把持された作業対象物を被作業対象物に組み付ける作業を教示するロボットの教示システムであって、
前記ロボットに取り付けられ、弾性的に変位可能な接触プローブと、
前記ロボットに取り付けられ、前記接触プローブと前記被作業対象物との接触を検出する外力検出器と、
前記ロボットの動作を制御する位置速度制御部と、
前記接触プローブの接触状態が検出された場合、前記接触プローブの位置に基づいて接触位置を導出する接触位置計算部と、
複数の前記接触位置から前記被作業対象物の位置姿勢を計算する位置姿勢計算部と、
前記計算された前記被作業対象物の位置姿勢に基づき前記ロボットの組み付け作業プログラムを生成する作業プログラム生成部を
備えたことを特徴とするロボットの教示システム。 - 前記ロボットを操作可能な教示ペンダントを備え、前記ロボットは前記教示ペンダントによる指令により接触位置検出動作を行い前記接触プローブと前記被作業対象物とを接触させることを特徴とする請求項1記載のロボットの教示システム。
- 前記接触位置検出動作にて、少なくとも前記被作業対象物上の、前記作業対象物を前記被作業対象物に組み付ける際に前記作業対象物と接触する部分に前記接触プローブを接触させることを特徴とする請求項2記載のロボットの教示システム。
- 前記被作業対象物上の穴部に前記作業対象物を嵌合する作業を教示するに際し、前記 位置姿勢計算部にて、
前記接触位置計算部にて導出した、前記穴部の内側面上の複数箇所に前記接触プローブを接触させた際の接触位置から前記穴部の中心軸を求め、
前記接触位置計算部にて導出した、前記被作業対象物の上面の複数箇所に前記接触プローブを接触させた際の接触位置から前記被作業対象物の上面の平面を求め、
前記中心軸と前記平面との交点を求めることで前記被作業対象物の位置姿勢を計算することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のロボットの教示システム。 - 前記接触位置計算部は、前記接触プローブの位置および前記外力検出器の検出値を所定の周期で記録可能であって、前記接触プローブの接触状態が検出された場合、記録された前記外力検出器の検出値に基づいて前記接触プローブの接触時点を求め、記録された該接触時点における前記接触プローブの位置を前記接触位置として導出することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のロボットの教示システム。
- 前記接触位置計算部は、前記外力検出器の検出値が所定値を超えたとき、前記接触プローブが接触状態であるとすることを特徴とする請求項5記載のロボットの教示システム。
- 前記接触位置計算部は、前記記録された前記外力検出器の検出値の時間微分が変化した時点を前記接触時点として求めることを特徴とする請求項5または6に記載のロボットの教示システム。
- 前記接触位置計算部は、前記接触位置の導出に際し、記録された前記接触プローブの位置及び記録された前記外力検出器の検出値に対して同じ時間的特性を有するノイズ低減フィルタリング処理を行うことを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項記載のロボットの教示システム。
- 前記教示ペンダントによる指令は、教示者が前記教示ペンダントを操作して送出するジョグ指令であることを特徴とする請求項2記載のロボットの教示システム。
- 前記教示ペンダントによる指令は、教示者が前記教示ペンダントを操作して送出する自動検出コマンドであることを特徴とする請求項2記載のロボットの教示システム。
- 前記ロボットは、前記接触プローブおよび前記被作業対象物を撮像するカメラを備えたことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載のロボットの教示システム。
- 前記接触プローブの接触状態が検出された場合、前記教示ペンダント上に表示することを特徴とする請求項2または3記載のロボットの教示システム。
- 前記接触プローブは、前記ロボットへの取り付け及び該ロボットからの取り外しを可能とするか、又は、ロボットに格納可能に構成されていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項記載のロボットの教示システム。
- ロボットの先端部の手先効果器により把持された作業対象物を被作業対象物に組み付ける作業を教示するロボットの教示方法であって、
弾性的に変位可能な接触プローブを前記ロボットに取り付け、
前記接触プローブを前記被作業対象物の複数箇所に接触させて、各々の接触位置を導出し、
複数の前記接触位置から前記被作業対象物の位置姿勢を計算し、
前記計算された前記被作業対象物の位置姿勢に基づき前記ロボットの組み付け作業プログラムを生成することを特徴とするロボットの教示方法。 - 教示者が前記ロボットの制御コントローラに接続された教示ペンダントを操作して前記ロボットに対してジョグ指令を送出し、前記接触プローブを前記被作業対象物に接触させることを特徴とする請求項14記載のロボットの教示方法。
- 教示者が前記ロボットの制御コントローラに接続された教示ペンダントを操作して前記ロボットに対して自動検出コマンドを送出し、前記接触プローブを前記被作業対象物に接触させることを特徴とする請求項14記載のロボットの教示方法。
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