JP2014058029A - ロボット装置及び力覚センサの診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のロボットのそれぞれに設けられた力覚センサを容易に診断可能なロボット装置及び力覚センサの診断方法を提供すること。
【解決手段】アームと、エンドエフェクタと、力を検出する力覚センサと、を有する第１ロボット１０及び第２ロボット１０と、カメラ１７と、エンドエフェクタのそれぞれに第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂを有する力検出治具５１を把持させ、力検出治具５１を変形させた状態にて、力覚センサのそれぞれから検出される検出応力値と、カメラ１７で撮影された力検出治具５の変形による検出マークの変形量と、から第１ロボット１０及び第２ロボット１０の力覚センサのそれぞれが正常であるかを判断するコントローラ６と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、様々な部品の組み立てを行うロボット装置及びロボット装置の診断方法に関し、特には、力覚センサが設けられたロボット装置及びロボット装置に設けられた力覚センサの診断方法に関する。

近年、小型で複雑な構造をしたカメラ等の組み立てに対する自動化の要求が高まっており、これらの製品は小型のロボット装置で、高速かつ微妙な力制御を伴って精密部品の組み付けを行う必要がある。同時に、海外生産との競争力確保等のためコストを抑えた生産体制の確立が必要となり、それに伴った安定して稼動するロボット装置による生産性の高い生産ラインの確立が望まれている。

ここで、ロボット装置は、アームとエンドエフェクタとを有するロボットを備えており、ロボットには、エンドエフェクタで把持した部品を正確かつ確実に組み付けるため、アームとエンドエフェクタとの間に力覚センサが設けられている。そして、ロボット装置は、力覚センサで部品を組み付ける際の接触力を検知しながらロボットの制御を行っている。

しかし、例えば、歪みや変位を力に換算する力覚センサの場合、力覚センサはアームやエンドエフェクタよりも剛性が低いため、ロボットの教示やメンテナンス作業時の衝撃等によって検知ずれを生じる場合がある。このような場合、その都度生産ラインを止めて、力覚センサが正常であるかの診断を行う必要があった。

これに対しては、ロボットアームを備え付ける架台上に診断機器を設置し、定期的若しくは何らかの異常を検知した際に、その位置に移動して所定の作業を行うことで力覚センサの診断を行うロボット装置が提案されている（特許文献１参照）。

また、一方のロボットアームの先端を他方のロボットアームの先端で押圧して一方のロボットアームの多軸力センサに既知のモーメントを加え、多軸力センサの出力値に応じて他方の力覚センサを校正するロボット装置が提案されている（特許文献２参照）。

特開平０５−９６４８８号公報 特開平０９−１１１６８号公報

しかしながら、ロボット装置の架台上には組み立てに使用する治工具類が隙間なく配置されているため、これら以外に診断機器を設置するためのスペースを確保する必要がある特許文献１に記載のロボット装置では、装置が大型化してしまうという問題がある。また、特許文献２に記載のロボット装置の場合、２台のロボットアームのエンドエフェクタ同士を押圧させて検知するため、一方の力覚センサが正しく他方が異常であるとわかっている必要がある。そのため、どちらの力覚センサに異常があるかわからない場合には、１台ごとに診断をする必要があり多くの時間を必要とするという問題がある。

そこで、本発明は、複数のロボットのそれぞれに設けられた力覚センサを容易に診断可能なロボット装置及び力覚センサの診断方法を提供することを目的とする。

本発明は、ロボット装置において、アームと、前記アームの先端でワークに対して作業を行うエンドエフェクタと、前記アーム又は前記エンドエフェクタに設けられ、加えられた力を検出する力覚センサと、を有する複数のロボットと、カメラと、前記複数のロボットの前記エンドエフェクタのそれぞれに検出マークを有する弾性変形可能な力検出治具を把持させ、前記アームを駆動して前記力検出治具を変形させた状態にて、前記複数のロボットの前記力覚センサのそれぞれから検出される検出応力値と、前記カメラで撮影された前記検出マークの変形量と、から前記複数のロボットの前記力覚センサのそれぞれが正常であるかを判断する制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数のロボットのそれぞれに設けられた力覚センサを容易に診断可能なロボット装置及び力覚センサの診断方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るロボット装置の全体構造を模式的に示す図である。 本実施形態に係るロボット装置の診断に用いる力検出治具を示す図である。 本実施形態に係るロボット装置を制御するコントローラのブロック図である。 本実施形態に係る第１ロボットの第１力覚センサ及び第２ロボットの第２力覚センサの診断プログラムを実行するフローチャートである。 本実施形態に係るロボット装置の診断時における力検出治具の変形状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るロボット装置１について、図１から図５を参照しながら説明する。まず、ロボット装置１の概略構成について、図１から図３を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るロボット装置１の全体構造を模式的に示す図である。図２は、本実施形態に係るロボット装置１の診断に用いる力検出治具５１を示す図である。図３は、本実施形態に係るロボット装置１を制御するコントローラ６のブロック図である。

図１に示すように、ロボット装置１は、部品を把持して組み立てを行う第１ロボット１０及び第２ロボット２０と、第１ロボット１０の第１力覚センサ１２及び第２ロボット２０の第２力覚センサ２２の診断を行うための力検出治具５１と、を備えている。また、ロボット装置１は、力検出治具５１を撮影するカメラ１７と、第１ロボット１０及び第２ロボット２０を制御する制御部としてのコントローラ６と、を備えている。

第１ロボット１０は、６軸多関節の第１アーム１１と、第１アーム１１の先端部に連結される第１エンドエフェクタ１３と、第１エンドエフェクタ１３に取り付けられる第１力覚センサ１２と、を備えている。

第１アーム１１は、各関節を各関節軸まわりにそれぞれ回転駆動する６つのアクチュエータを備えており、各アクチュエータのそれぞれを選択的に駆動することで第１エンドエフェクタ１３を任意の３次元位置に移動させる。第１エンドエフェクタ１３は、複数のフィンガーを有しており、複数のフィンガーでワークや部品等を把持する。第１力覚センサ１２は、第１エンドエフェクタ１３を用いて部品の組付け等を行う際に、部品同士や部品と治工具との接触で発生する力を検知する。

第２ロボット２０は、６軸多関節の第２アーム２１と、第２アーム２１の先端部に連結される第２エンドエフェクタ２３と、第２エンドエフェクタ２３に設けられる第２力覚センサ２２と、を備えている。なお、第２ロボット２０は第１ロボット１０と構成が同じであるため、第１ロボット１０の説明を援用してその説明は省略する。

図２（ａ）に示すように、力検出治具５１は、第１ロボット１０が把持する第１被把持部５２ａと、第２ロボット２０が把持する第２被把持部５２ｂと、第１被把持部５２ａと第２被把持部５２ｂとの間に設けられる弾性変形可能な弾性部５３と、を備えている。

第１被把持部５２ａは、弾性部５３に対して相対的な位置ずれを起こさないように、ネジ締め又は接着等により弾性部５３に接合されている。また、第１被把持部５２ａには、第１検出マーク５４ａが設けられており、第１検出マーク５４ａは、図２（ｂ）に示すように、力検出治具５１の長手方向中心軸に平行な直線５４ｃと、長手方向の基準となる位置を示す基準マーク５４ｄと、から構成されている。基準マーク５４ｄは、直線５４ｃと直交しており、第１検出マーク５４ａは、所謂、十字型マークとなっている。

第２被把持部５２ｂは、弾性部５３に対して相対的な位置ずれを起こさないように、ネジ締め又は接着等により弾性部５３に接合されている。また、第２被把持部５２ｂには、第２検出マーク５４ｂが設けられており、第２検出マーク５４ｂは、図２（ｂ）に示すように、力検出治具５１の長手方向中心軸に平行な直線５４ｃと、長手方向の基準となる位置を示す基準マーク５４ｄと、から構成されている。基準マーク５４ｄは、直線５４ｃと直交しており、検出マーク５４ｂは、所謂、十字型マークとなっている。

なお、第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂは、カメラ１７による撮影ミスや精度確保のため白地に黒、又は黒字に白などのコントラストを確保することが望ましい。また、第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂは、例えば、図２（ｃ）に示すように、力検出治具５１の長手方向中心軸に平行な直線上に、２つ以上の円形マーク５４ｅを配置したものであってもよい。長手方向に２点円形マークを配置することで、十字型マークと同様に、画像処理による計測を行うことができる。

力検出治具５１は、このような第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂを用いることで、第１被把持部５２ａと、第２被把持部５２ｂと、の相対位置及び相対的な傾きの検出を行うことができる。

弾性部５３は、第１被把持部５２ａのみを第１ロボット１０に把持されている状態（片持ち状態）で容易に変形しない程度の剛性をもった弾性部材であり、例えば、金属製の板ばねを組み合わせて形成される。

カメラ１７は、第１ロボット１０が第１被把持部５２ａを把持し、第２ロボット２０が第２被把持部５２ｂを把持した際に、第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂを撮影可能に第１ロボット１０及び第２ロボット２０の上方に配設されている。また、カメラ１７は、第１力覚センサ１２及び第２力覚センサ２２の診断を行わない場合には、部品の３次元位置を測定するための部品の撮影に用いられている。

図３に示すように、コントローラ６は、演算装置６０と、記憶装置６１と、を有するコンピュータ本体に、第１ロボット１０、第２ロボット２０及びカメラ１７がバスを介して接続されて構成されている。また、コンピュータ本体には、入力装置６２、ティーチングペンダント６３、ディスプレイ６４、記録メディア読取装置６６及び通信装置６７などもバスを介して接続されている。なお、図３においては、これらを接続するためのインターフェイスは不図示としている。

演算装置６０は、ＣＰＵ６０ａと、画像処理装置６０ｂと、を備えている。ＣＰＵ６０ａは、カメラ制御部６０ｄと、ロボット制御部６０ｅと、を備えている。カメラ制御部６０ｄは、記憶装置６１に記憶された各種プログラムや入力装置６２から入力される設定等に従って、部品や力検出治具５１の撮影等を行う。ロボット制御部６０ｅは、カメラ制御部６０ｄにより計測された画像、後述する診断プログラムや入力装置６２から入力される設定等に基づいて、第１ロボット１０及び第２ロボット２０の制御や第１力覚センサ１２及び第２力覚センサ２２診断等を行う。なお、カメラ制御部６０ｄによる部品や力検出治具５１の撮影、ロボット制御部６０ｅによる第１ロボット１０及び第２ロボット２０の制御についての精細な説明は省略する。

画像処理装置６０ｂは、ＣＰＵ６０ａからの描画指示に応じてディスプレイ６４を制御して、画面上に画像（例えば、カメラ１７で撮影した画像）を表示させる。記憶装置６１は、バスを介してＣＰＵ６０ａに接続されており、各種プログラムやデータ等が格納されたＲＯＭ６１ａと、ＣＰＵ６０ａの作業領域として確保されたＲＡＭ６１ｂと、を備えている。

入力装置６２は、キーボード６２ａと、マウス６２ｂと、から構成されており、第１力覚センサ１２及び第２力覚センサ２２の診断に必要な情報、ワークや部品の３次元位置の計測に必要な情報、或いはその他の指示の入力を可能としている。記録メディア読取装置６６は、第１力覚センサ１２及び第２力覚センサ２２の診断プログラム等の各種プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体６８を読み込み、ＲＯＭ６１ａに格納させるため等に用いられる。通信装置６７は、例えば、上述したような記録媒体６８を使用せずに、通信装置６７を介してインターネット等から配信される更新プログラム等をダウンロードする際に用いられる。

以上のような構成のロボット装置１の第１エンドエフェクタ１３又は第２エンドエフェクタ２３で部品を把持し、部品を組付ける際に部品同士や部品と治工具との接触で発生する応力を第１力覚センサ１２及び第２力覚センサ２２で検知する。そして、検出した応力が予め決められた応力の範囲内に収まるように、コントローラ６で第１ロボット１０及び第２ロボット２０の動作を制御する。これにより、単なる位置決め精度に頼らないバラツキを許容したフレキシブルな部品の組み立てが実現され、同時に部品の異常な接触力による不良の発生を抑え、安定した品質の組み立てを行うことができるようになる。

次に、第１ロボット１０の第１力覚センサ１２及び第２ロボット２０の第２力覚センサ２２の力検出治具５１を用いた力覚センサの診断方法について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係る第１ロボット１０の第１力覚センサ１２及び第２ロボット２０の第２力覚センサ２２の診断プログラムを実行するフローチャートである。図５は、本実施形態に係るロボット装置１の診断時における力検出治具５１の変形状態を示す図である。

まず、力検出治具５１を変形させた際の変形方向、変形させる力及び変形量との関係を予め測定（記録）すると共に、各変形方向の弾性係数Ｋを求めておき、力検出治具５１の変形量に合わせて発生する応力値の大きさ（マップ応力値）を予め求めておく。

次に、図４に示すように、第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂがカメラ１７で撮影できるように、第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂを上向きにした状態で第１エンドエフェクタ１３に第１被把持部５２ａを把持させる（ステップＳ１）。つまり、診断用の力検出治具５１を準備し、これを第１エンドエフェクタ１３に把持させる（治具把持工程）。

次に、第１アーム２１を駆動して、把持した力検出治具５１をカメラ１７の視野の下に移動させる（ステップＳ２）。力検出治具５１がカメラ１７の視野の下に移動すると、第２ロボット２０の第２エンドエフェクタ２３がカメラ１７の視野の下に入るように、第１アーム２１を駆動する（ステップＳ３）。

この状態（第２ロボット２０が力検出治具５１を把持していない状態）で、まず、力検出治具５１の第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂをカメラ１７で撮影する（ステップＳ４）。そして、第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂの相対位置を画像処理装置６０ｂによる画像処理で計測させ、ＣＰＵ６０ａを通してＲＡＭ６１ｂに記憶させておく（ステップＳ５）。同様に、この状態での第１力覚センサ１２の検出応力値Ｆｂ１及び第２力覚センサ２２の検出応力値Ｆｂ２を測定し、ＲＡＭ６１ｂに記憶させておく（ステップＳ６）。

次に、第２ロボット２０の第２エンドエフェクタ２３で力検出治具５１の第２被把持部５２ｂを把持させる（ステップＳ７、治具把持工程）。第２エンドエフェクタ２３が第２被把持部５２ｂを把持すると、第１アーム１１及び第２アーム２１を駆動して、力検出治具５１の弾性部５３を変形させる（ステップＳ８、治具変形工程）。例えば、図５（ａ）に示すように、第１被把持部５２ａと第２被把持部５２ｂとを弾性部５３に向かって押圧し、弾性部５３を変形させる。このとき、カメラ１７で第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂを撮影し（ステップＳ９）、第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂの相対位置を認識して画像処理装置６０ｂによる画像処理で計測させる。そして、これをＲＡＭ６１ｂに記憶させておく（ステップＳ１０）。同様に、この状態での第１力覚センサ１２の検出応力値Ｆａ１及び第２力覚センサ２２の検出応力値Ｆａ２を測定し、ＲＡＭ６１ｂに記憶させておく（ステップＳ１１）。

次に、第１力覚センサ１２の検出応力値の変化量（Ｆａ１−Ｆｂ１）をΔＦ１、第２力覚センサ２２の検出応力値の変化量（Ｆａ２−Ｆｂ２）をΔＦ２とし、ΔＦ１及びΔＦ２の演算を行う。

次に、変形前に撮影した第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂの相対位置と、変形後に撮影した第１検出マーク５４ａ及び第２検出マーク５４ｂの相対位置と、から力検出治具５１の変形方向（変形状態）及び変形量を求める（変形量検出工程）。そして、予め測定した変形方向、変形させる力及び変形量との関係を示す応力値のマップから、対応した第１力覚センサ１２のマップ応力値Ｆｃ１と、第２力覚センサ２２のマップ応力値Ｆｃ２を抽出する。

そして、変化量ΔＦ１とマップ応力値Ｆｃ１とを比較し（ステップＳ１２）、比較した値が所定のずれ量の範囲内であれば、第１力覚センサ１２は正常と判断し（ステップＳ１３）、所定のずれ量の範囲外であれば、異常と判断する（ステップＳ１４、判断工程）。

同様に、変化量ΔＦ２とマップ応力値Ｆｃ２とを比較し（ステップＳ１５）、比較した値が所定のずれ量の範囲内であれば、第２力覚センサ２２は正常と判断し（ステップＳ１７）、所定のずれ量の範囲外であれば、異常と判断する（ステップＳ１６、判断工程）。

以上説明したように、本実施形態に係るロボット装置１は、力検出治具５１を第１ロボット１０と第２ロボット２０とに把持させ、力検出治具５１を変形させて第１力覚センサ１２及び第２力覚センサ２２の異常診断を行う。そのため、架台上に異常診断用の専用の機器を置くスペースやそれに伴う配線を必要としない。これにより、ロボット装置を小型化することができる。

また、第１力覚センサ１２及び第２力覚センサ２２と異なる力検知センサとしての力検出治具を用いて診断することで、第１力覚センサ１２及び第２力覚センサ２２のいずれか異常があるか分からない場合でも、１台ごとに診断をしなくても診断が可能となる。そのため、一度に短時間でそれぞれの力覚センサの診断が可能となり、診断時間の短縮を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されない。

例えば、本実施形態においては、力検出治具５１の弾性部５３を図５（ａ）に示す圧縮方向に変形させたが本発明においてはこれに限定されない。例えば、図５（ｂ）に示すように、弾性部５３をせん断方向に変形させてせん断方向における変形量ΔＬ及びマップ応力値Ｆｃ１、Ｆｃ２を予め求めておき、力検出治具５１をせん断方向に変形させてＹ方向に負荷をかけて診断してもよい。力覚センサ１２のＺ方向を診断する場合は、力検出治具５１を９０°回転させて、同様に行うことで診断が可能となる。

また、例えば、図５（ｃ）に示すように、弾性部５３を曲げ方向に変形させて曲げ方向における変形量Δｄ及びマップ応力値Ｆｃ１、Ｆｃ２を予め求めておき、力検出治具５１に曲げモーメントを負荷して診断してもよい。更に、例えば、図５（ｄ）に示すように、弾性部５３をねじり方向に変形させてねじり方向における変形量ΔＬ及びマップ応力値Ｆｃ１、Ｆｃ２を予め求めておき、力検出治具５１にねじり負荷をかけて診断してもよい。

また、本実施形態においては、複数のロボットとして、第１ロボットと第２ロボットとを用いて説明したが、本発明においてはこれに限定されない。複数のロボットは、例えば、３台のロボットを用いるものであってもよい。

また、本実施形態においては、力覚センサをエンドエフェクタに設けたが、本発明においてはこれに限定されない。力覚センサは、アームに設けてもよく、エンドエフェクタとアームとの間に設けてもよい。

１ ロボット装置
６ コントローラ
１０ 第１ロボット
１１ 第１アーム
１２ 第１力覚センサ
１３ 第１エンドエフェクタ
１７ カメラ
２０ 第２ロボット
２１ 第２アーム
２２ 第２力覚センサ
２３ 第２エンドエフェクタ
５１ 力検出治具
５４ａ 第１検出マーク（検出マーク）
５４ｂ 第２検出マーク（検出マーク）

Claims (8)

1. アームと、前記アームの先端でワークに対して作業を行うエンドエフェクタと、前記アーム又は前記エンドエフェクタに設けられ、加えられた力を検出する力覚センサと、を有する複数のロボットと、
   カメラと、
   前記複数のロボットの前記エンドエフェクタのそれぞれに検出マークを有する弾性変形可能な力検出治具を把持させ、前記アームを駆動して前記力検出治具を変形させた状態にて、前記複数のロボットの前記力覚センサのそれぞれから検出される検出応力値と、前記カメラで撮影された前記検出マークの変形量と、から前記複数のロボットの前記力覚センサのそれぞれが正常であるかを判断する制御部と、を備えた、
   ことを特徴とするロボット装置。
2. 前記制御部は、前記カメラにより撮影された前記検出マークの前記変形量を画像から計測し、前記検出マークの前記変形量に応じて予め記録された前記力検出治具に生じる応力値のマップの中から、前記カメラで撮影した前記検出マークの前記変形量に対応したマップ応力値を抽出し、前記検出応力値と前記マップ応力値とを比較して、前記複数のロボットの前記力覚センサのそれぞれが正常であるかを判断する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記制御部は、前記検出応力値が前記マップ応力値に対して所定の範囲内にある場合には、前記力覚センサが正常であると判断する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
4. 制御部が、アームと、前記アームの先端でワークに対して作業を行うエンドエフェクタと、前記アームと前記エンドエフェクタとの間に設けられた力覚センサと、を有する複数のロボットの前記エンドエフェクタのそれぞれに、検出マークを有する弾性変形可能な力検出治具を把持させる治具把持工程と、
   前記制御部が、前記複数のロボットの前記アームのそれぞれを駆動して、前記力検出治具に力を加える治具変形工程と、
   前記制御部が、前記治具変形工程で変形した前記力検出治具の前記検出マークをカメラで撮影して、前記力検出治具の変形量を検出する変形量検出工程と、
   前記制御部が、前記変形量検出工程で検出した前記力検出治具の前記変形量と、前記力検出治具を変形させることにより前記複数のロボットの力覚センサのそれぞれから検出される検出応力値と、から前記複数のロボットの力覚センサのそれぞれが正常であるかを判断する判断工程と、を備えた、
   ことを特徴とする力覚センサの診断方法。
5. 前記判断工程は、前記制御部が、前記カメラにより撮影された前記検出マークの前記変形量を認識し、前記検出マークの前記変形量に応じて予め記録された前記力検出治具に生じる応力値のマップの中から、前記カメラで撮影した前記検出マークの前記変形量に対応したマップ応力値を抽出し、前記検出応力値と前記マップ応力値とを比較して、前記複数のロボットの前記力覚センサのそれぞれが正常であるかを判断する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の力覚センサの診断方法。
6. 前記判断工程は、前記制御部が、前記検出応力値が前記マップ応力値に対して所定の範囲内にある場合には、前記力覚センサが正常であると判断する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の力覚センサの診断方法。
7. 請求項４ないし６のいずれか１項に記載の各工程をコンピュータに実行させるための力覚センサの診断プログラム。
8. 請求項７に記載の力覚センサの診断プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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