JP2016221642A - ロボット、ロボット制御装置、ロボット制御方法およびロボットシステム - Google Patents

ロボット、ロボット制御装置、ロボット制御方法およびロボットシステム Download PDF

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Abstract

【課題】嵌合姿勢のまま嵌合させることができない部材同士を嵌合させることが可能な技術の提供。【解決手段】本発明のロボットは、複数のアーム部材と前記複数のアーム部材を駆動する駆動部と把持部とを含むアームと、力検出器と、を含むロボットであって、前記把持部が把持した前記嵌合部材を所定の接触方向に移動させて前記被嵌合部材に接触させる接触動作と、前記嵌合部材の姿勢を嵌合姿勢へと変化させる姿勢変化動作と、前記嵌合姿勢の前記嵌合部材を探り方向に移動させながら、前記嵌合部材を前記被嵌合部材に対して嵌合方向に嵌合させる嵌合動作と、を順に行い、前記接触方向と前記探り方向と前記嵌合方向とは互いに異なる方向である。【選択図】図４

Description

本発明は、ロボット、ロボット制御装置、ロボット制御方法およびロボットシステムに
関する。
互いの軸芯が一致するように、円筒状の取付部品を円筒状の取付穴に嵌合させる技術が
知られている（特許文献１、参照。）。特許文献１において、互いの軸芯が平行となる状
態で取付部品を取付穴の付近まで接近させ、その後、取付部品を傾けた状態で、取付部品
を取付穴の中心からずらして接触させながら回転させることにより、取付部品と取付穴の
軸芯を一致させている。
特開平７−２２７７２５号公報
特許文献１において、取付部品が取付穴に嵌合する際の姿勢は取付部品の軸芯が取付穴
の軸芯と平行となる姿勢であるが、部品の形状によっては必ずしも嵌合する姿勢のまま部
品同士を接近させることができない場合があった。すなわち、嵌合する際の姿勢のまま部
品同士を接近させると部品同士が干渉してしまい部品同士を接近させることができないと
いう問題があった。
本発明は、前記問題を解決するために創作されたものであって、嵌合姿勢のまま嵌合さ
せることができない部材同士を嵌合させることが可能な技術の提供を目的とする。
前記目的を達成するためのロボットは、複数のアーム部材と複数のアーム部材を駆動す
る駆動部と保持部とを含むアームと、力検出器と、を含むロボットであって、保持部が保
持した嵌合部材を所定の接触方向に移動させて被嵌合部材に接触させる接触動作と、嵌合
部材の姿勢を嵌合姿勢へと変化させる姿勢変化動作と、嵌合姿勢の嵌合部材を探り方向に
移動させながら、嵌合部材を被嵌合部材に対して嵌合方向に嵌合させる嵌合動作と、を順
に行い、接触方向と探り方向と嵌合方向とは互いに異なる方向である。
以上の構成により、嵌合動作においては嵌合姿勢の嵌合部材を被嵌合部材に対して嵌合
方向に嵌合させるのに対して、接触動作においては嵌合部材が嵌合姿勢と異なる姿勢とさ
れ、嵌合部材が嵌合方向とは異なる接触方向に接近する。すなわち、嵌合動作と接触動作
とでは、嵌合部材の姿勢と移動方向とが異なる。そのため、嵌合姿勢の嵌合部材を被嵌合
部材に対してそのまま嵌合方向に移動させると被嵌合部材と嵌合部材とが干渉する干渉構
造が設けられている場合でも、当該干渉構造を避けて嵌合部材を被嵌合部材に接触させる
ことができる。
なお請求項に記載された各手段の機能は、構成自体で機能が特定されるハードウェア資
源、プログラムにより機能が特定されるハードウェア資源、又はそれらの組み合わせによ
り実現される。また、これら各手段の機能は、各々が物理的に互いに独立したハードウェ
ア資源で実現されるものに限定されない。
（１Ａ）はロボットシステムの模式図、（１Ｂ）はエンドエフェクターの側面図である。 ロボットシステムのブロック図である。 （３Ａ）（３Ｂ）は嵌合部材の側面図、（３Ｃ）は嵌合部材の平面図である。 嵌合作業のフローチャートである。 （５Ａ）〜（３Ｃ）は嵌合部材の側面図である。
以下、本発明の実施の形態を以下の順序にしたがって添付図面を参照しながら説明する
。なお、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略さ
れる。
（１）ロボットシステムの構成：
（２）嵌合作業：
（３）他の実施形態：
（１）ロボットシステムの構成：
本発明の第一実施例にかかるロボットシステムは、図１Ａに示すように、ロボット１と
、エンドエフェクター２と、制御装置３（コントローラー）と、を備えている。制御装置
３は、本発明のロボット制御装置を構成する。制御装置３は、専用のコンピューターであ
ってもよいし、ロボット１のためのプログラムがインストールされた汎用のコンピュータ
ーであってもよい。
ロボット１は、１つのアームＡを備える単腕ロボットであり、アームＡは６つの関節Ｊ
１〜Ｊ６を備える。関節Ｊ１〜Ｊ６によって６個のアーム部材Ａ１〜Ａ６が連結される。
関節Ｊ２、Ｊ３、Ｊ５は曲げ関節であり、関節Ｊ１、Ｊ４、Ｊ６はねじり関節である。関
節Ｊ６には、嵌合部材Ｗを吸着して把持する把持部としてのエンドエフェクター２が装着
される。エンドエフェクター２の所定位置をツールセンターポイント（ＴＣＰ）と表す。
ＴＣＰの位置は各種のエンドエフェクター２の位置の基準となる。また、関節Ｊ６には、
力検出器としての力覚センサーＦＳが備えられている。力覚センサーＦＳは、６軸の力検
出器である。力覚センサーＦＳは、互いに直交する３個の検出軸上の力の大きさと、当該
３個の検出軸まわりのトルクの大きさとを検出する。
図１Ａにおいて、嵌合部材Ｗを吸着するエンドエフェクター２が関節Ｊ６の先端に装着
されている。ロボット１が設置された空間を規定する座標系をロボット座標系と表す。ロ
ボット座標系は、水平面上において互いに直交するＸ軸とＹ軸と、鉛直上向きを正方向と
するＺ軸とによって規定される３次元の直交座標系である。またＸ軸周りの回転角をＲＸ
で表し、Ｙ軸周りの回転角をＲＹで表し、Ｚ軸周りの回転角をＲＺで表す。Ｘ，Ｙ，Ｚ方
向の位置により３次元空間における任意の位置を表現でき、ＲＸ，ＲＹ，ＲＺ方向の回転
角により３次元空間における任意の姿勢（回転方向）を表現できる。姿勢が同一であると
は、ＲＸ，ＲＹ，ＲＺ方向の回転角がすべて一致していることを意味し、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向
の位置が異なっていてもよい。以下、位置と表記した場合、姿勢も意味し得ることとする
。また、力と表記した場合、ＲＸ，ＲＹ，ＲＺ方向に作用するトルクも意味し得ることと
する。制御装置３は、アームＡを駆動することによって、ロボット座標系においてＴＣＰ
の位置を制御する。
図１Ｂは、嵌合部材Ｗを吸着しているエンドエフェクター２の側面図である。エンドエ
フェクター２は、力覚センサーＦＳと接合された基部２ａと、基部２ａからアームＡの先
端側に伸びる真空チャックＰとを備えている。真空チャックＰは、弾性部Ｐ１と吸着部Ｐ
２とを備えている。弾性部材としての弾性部Ｐ１は、アームＡの長さ方向に伸縮する金属
バネによって形成されている。吸着部Ｐ２は、アームＡの先端側に開口する円柱状の内部
空間が形成された筒状のゴム製部材である。嵌合部材Ｗに吸着部Ｐ２の先端が密着するこ
とにより、吸着部Ｐ２の内部空間が閉じた空間となる。この状態で吸着ポンプ（不図示）
が駆動することにより吸着部Ｐ２の内部空間が真空となり、嵌合部材Ｗを吸着して把持す
ることができる。本実施形態において、いずれか１個の（図１Ｂでは右側）吸着部Ｐ２の
先端の位置がＴＣＰと定義されている。図１Ｂにおいては、２個の真空チャックＰを図示
したが、真空チャックＰの個数は限定されない。以下、エンドエフェクター２が嵌合部材
Ｗを吸着することを、単にアームＡが嵌合部材Ｗを把持すると表記する。なお、嵌合部材
Ｗは必ずしも吸着されなくてもよく、例えばグリッパーが掴むことによって把持されても
よい。
図２は、ロボットシステムのブロック図である。制御装置３にはロボット１の制御を行
うための制御プログラムがインストールされている。制御装置３は、プロセッサーやＲＡ
ＭやＲＯＭを含むコンピューターとしての制御部３１を備え、制御部３１のハードウェア
資源が制御プログラムと協働する。
制御部３１は、ユーザーの教示作業によって設定された目標位置と目標力とがＴＣＰに
て実現されるようにアームＡを制御する。目標力とは、力覚センサーＦＳが検出すべき力
である。Ｓの文字は、ロボット座標系を規定する軸の方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ，ＲＸ，ＲＹ，Ｒ
Ｚ）のなかのいずれか１個の方向を表すこととする。例えば、Ｓ＝Ｘの場合、ロボット座
標系にて設定された目標位置のＸ方向成分がＳt＝Ｘtと表記され、目標力のＸ方向成分が
ｆSt＝ｆXtと表記される。また、Ｓは、Ｓ方向の位置（回転角）も表すこととする。
ロボット１は、図１に図示した構成のほかに、駆動部としてのモーターＭ１〜Ｍ６と、
エンコーダーＥ１〜Ｅ６とを備える。モーターＭ１〜Ｍ６とエンコーダーＥ１〜Ｅ６とは
、関節Ｊ１〜Ｊ６のそれぞれに対応して備えられており、エンコーダーＥ１〜Ｅ６はモー
ターＭ１〜Ｍ６の駆動位置を検出する。アームＡを制御することは、モーターＭ１〜Ｍ６
を制御することを意味する。制御部３１は、ロボット１と通信可能なっている。制御部３
１は、モーターＭ１〜Ｍ６の駆動位置の組み合わせと、ロボット座標系におけるＴＣＰの
位置との対応関係Ｕを記憶している。また、制御部３１は、ロボット１が行う作業の工程
ごとに目標位置Ｓtと目標力ｆStとを記憶している。目標位置Ｓtと目標力ｆStは予め教示
作業を行うことによって制御部３１に設定されている。
制御部３１は、モーターＭ１〜Ｍ６の駆動位置Ｄaを取得すると、対応関係Ｕに基づい
て、当該駆動位置Ｄaをロボット座標系におけるＴＣＰの位置Ｓ（Ｘ，Ｙ，Ｚ，ＲＸ，Ｒ
Ｙ，ＲＺ）に変換する。制御部３１は、ＴＣＰの位置Ｓと、力覚センサーＦＳの検出値と
に基づいて、力覚センサーＦＳに現実に作用している作用力ｆSをロボット座標系におい
て特定する。なお、力覚センサーＦＳは、独自の座標系において検出値を検出するが、力
覚センサーＦＳとＴＣＰとの相対位置・方向とが既知のデータとして記憶されているため
、制御部３１はロボット座標系における作用力ｆSを特定できる。制御部３１は、作用力
ｆSに対して重力補償を行う。重力補償とは、作用力ｆSから重力成分を除去することであ
る。重力補償を行った作用力ｆSは、嵌合部材に作用している重力以外の力と見なすこと
ができる。ＴＣＰの姿勢ごとに嵌合部材に作用する作用力ｆSの重力成分が予め調査され
ており、制御部３１は、作用力ｆSからＴＣＰの姿勢に対応する重力成分を減算すること
により重力補償が実現する。
制御部３１は、目標力ｆStと作用力ｆSとをインピーダンス制御の運動方程式に代入す
ることにより、力由来補正量ΔＳを特定する。（１）式は、インピーダンス制御の運動方
程式である。
（１）式の左辺は、ＴＣＰの位置Ｓの２階微分値に仮想慣性係数ｍを乗算した第１項と
、ＴＣＰの位置Ｓの微分値に仮想粘性係数ｄを乗算した第２項と、ＴＣＰの位置Ｓに仮想
弾性係数ｋを乗算した第３項とによって構成される。（１）式の右辺は、目標力ｆStから
現実の力ｆを減算した力偏差ΔｆS（ｔ）によって構成される。（１）式における微分と
は、時間による微分を意味する。ロボット１が行う工程において、目標力ｆStとして一定
値が設定される場合もあるし、目標力ｆStとして時間に依存する関数によって導出される
値が設定される場合もある。
インピーダンス制御とは、仮想の機械的インピーダンスをモーターＭ１〜Ｍ６によって
実現する制御である。仮想慣性係数ｍはＴＣＰが仮想的に有する質量を意味し、仮想粘性
係数ｄはＴＣＰが仮想的に受ける粘性抵抗を意味し、仮想弾性係数ｋはＴＣＰが仮想的に
受ける弾性力のバネ定数を意味する。各パラメーターｍ，ｄ，ｋは方向ごとに異なる値に
設定されてもよいし、方向に拘わらず共通の値に設定されてもよい。力由来補正量ΔＳと
は、ＴＣＰが機械的インピーダンスを受けた場合に、目標力ｆStとの力偏差ΔｆS（ｔ）
を解消するために、ＴＣＰが移動すべき位置Ｓの大きさを意味する。制御部３１は、目標
位置Ｓtに、力由来補正量ΔＳを加算することにより、インピーダンス制御を考慮した補
正目標位置（Ｓt＋ΔＳ）を特定する。
そして、制御部３１は、対応関係Ｕに基づいて、ロボット座標系を規定する各軸の方向
の補正目標位置（Ｓt＋ΔＳ）を、各モーターＭ１〜Ｍ６の目標の駆動位置である目標駆
動位置Ｄtに変換する。そして、制御部３１は、目標駆動位置ＤtからモーターＭ１〜Ｍ６
の現実の駆動位置Ｄaを減算することにより、駆動位置偏差Ｄe（＝Ｄt−Ｄa）を算出する
。そして、制御部３１は、駆動位置偏差Ｄeに位置制御ゲインＫpを乗算した値と、現実の
駆動位置Ｄaの時間微分値である駆動速度との差である駆動速度偏差に、速度制御ゲイン
Ｋvを乗算した値とを加算することにより、制御量Ｄcを特定する。なお、位置制御ゲイン
Ｋpおよび速度制御ゲインＫvは、比例成分だけでなく微分成分や積分成分にかかる制御ゲ
インを含んでもよい。制御量Ｄcは、モーターＭ１〜Ｍ６のそれぞれについて特定される
。以上説明した構成により、制御部３１は、目標位置Ｓtと目標力ｆStとに基づいてアー
ムＡを制御することができる。
現実の作用力ｆSを目標力ｆStとするための制御が力制御であり、ＴＣＰの現実の位置
Ｓを目標位置Ｓtとするための制御が位置制御である。本実施形態において、制御部３１
は、動作の内容に応じて、位置制御と力制御の双方を行うことと、位置制御のみを行うこ
とができる。例えば、現実の作用力ｆSに拘わらず、図２の力由来補正量ΔＳが常時０で
あると見なすことにより、実質的に位置制御のみを行うことができる。
制御部３１は、吸着ポンプ４の動作も制御する。吸着ポンプ４は図示しないエアチュー
ブによって真空チャックＰと接続されている。制御部３１は、真空チャックＰの吸着部Ｐ
２の内部空間を真空とするように、吸着ポンプ４を動作させる。
（２）嵌合作業：
嵌合作業とは、図１Ａ，１Ｂの嵌合部材Ｗを図１Ａの被嵌合部材Ｑに嵌め合わせるため
の作業である。嵌合作業を行うにあたり、被嵌合部材Ｑの設置位置と設置方向とがロボッ
ト座標系において既知であり、制御部３１は被嵌合部材Ｑの設置位置と設置方向とを取得
できることとする。また、アームＡによって把持する前の嵌合部材Ｗの設置位置と設置方
向もロボット座標系において既知であり、制御部３１は嵌合部材Ｗを吸着した際のＴＣＰ
の位置に基づいて、嵌合部材Ｗの設置位置と設置方向とを取得できることとする。ただし
、制御部３１が取得する被嵌合部材Ｑと嵌合部材Ｗの設置位置と設置方向には誤差が含ま
れ得る。ロボットシステムは、被嵌合部材Ｑと嵌合部材Ｗとを画像認識するためのカメラ
を備えてもよい。
嵌合部材Ｗは概略矩形板状に形成されている。図１Ａに示すように、被嵌合部材Ｑ（グ
レー）には、嵌合部材Ｗよりもわずかに大きい形状の凹部Ｋが形成されており、当該凹部
Ｋに嵌合部材Ｗを嵌め合わせることが可能となっている。被嵌合部材Ｑは平面視において
概略矩形状に形成されている。以下、被嵌合部材Ｑの形状をβ軸とγ軸とδ軸とが直交す
る直交座標系によって表すこととする。被嵌合部材Ｑは嵌合部材Ｗと同様に矩形板状の部
材であり、当該矩形はβ方向の辺とγ方向の辺によって構成される。被嵌合部材Ｑ水平面
（ＸＹ平面）上に置かれており、β方向とγ方向とはほぼ水平面内の方向となる。βγ平
面に直交するδ方向は水平面上に置かれた被嵌合部材Ｑの下方を正とする方向であり、δ
軸負方向に凹部Ｋが開口している。δ方向はほぼ鉛直下方向となる。上述したように、被
嵌合部材Ｑの設置位置と設置方向とが既知であるため、制御部３１は、ロボット座標系に
おいてβ，γ,δ方向を取得できる。
嵌合作業において、制御部３１は、ロボット１に準備動作と接触動作と姿勢変更動作と
嵌合動作とを順に行わせる。まず、図３Ａ，３Ｂを用いて嵌合動作を説明する。図３Ａ，
３Ｂは、嵌合動作における嵌合部材Ｗの状態を示すα−α線（図１Ａ）矢視図である。α
−α線は、被嵌合部材Ｑの軸心を貫くβ方向の直線である。
図３Ａ，３Ｂに示すように、嵌合動作においては、嵌合部材Ｗに形成された嵌合穴Ｈに
、被嵌合部材Ｑからδ軸負方向に突出する円柱状のボスＱ３が嵌合するように、嵌合部材
Ｗを把持するアームＡを制御する。ここで、嵌合部材Ｗの面方向に対して垂直に円柱状の
嵌合穴Ｈが形成されており、ボスＱ３が嵌合穴Ｈに嵌合する際の嵌合部材Ｗの姿勢である
嵌合姿勢は面方向がβγ平面の方向（ほぼ水平方向）となる姿勢となる。具体的に、制御
部３１は、各吸着部Ｐ２の先端が存在する平面が、βγ平面と平行となるようにアームＡ
を制御する。各吸着部Ｐ２の先端がβγ平面と平行な面上に存在するため、基本的には面
方向がβγ平面と平行となる嵌合部材Ｗの姿勢が嵌合姿勢となる。しかし、嵌合部材Ｗの
重心位置や吸着部Ｐ２の吸着位置に依存して真空チャックＰの弾性部Ｐ１が不均一に伸長
する場合もあり、嵌合姿勢において嵌合部材Ｗの面方向はβγ平面の方向からずれ得る。
図３Ｃは、嵌合動作における嵌合部材Ｗと被嵌合部材Ｑとをδ軸負方向から見て示す平
面図である。図３Ａ〜３Ｃに示すように、被嵌合部材Ｑにはδ軸負方向に突出する矩形枠
状の枠部Ｑ１が形成されている。枠部Ｑ１は、β方向の辺とγ方向の辺によって矩形枠状
に形成されている。枠部Ｑ１によってβ，γ方向に囲まれた空間が凹部Ｋであり、凹部Ｋ
内に嵌合姿勢の嵌合部材Ｗが存在している。嵌合姿勢において、嵌合部材Ｗの外縁の辺の
方向がβ，γ方向となる方向である。
嵌合動作において、制御部３１は、位置制御と力制御の双方を行うことによりアームＡ
を制御する。嵌合動作における位置制御は、嵌合部材Ｗを上述した嵌合姿勢とする姿勢制
御と、嵌合位置の周辺において嵌合部材Ｗを探り方向（βγ平面内の方向）に移動させる
位置制御である。嵌合位置とは、嵌合姿勢において被嵌合部材Ｑとの嵌合が完了する嵌合
部材Ｗの位置である。嵌合が完了する位置とは、ボスＱ３と嵌合穴Ｈの軸心の位置が一致
し、かつ、嵌合部材Ｗの下面が凹部Ｋの底面に接触する嵌合部材Ｗの位置である。探り方
向に嵌合部材Ｗを移動させるとは、嵌合部材Ｗを探り方向においてランダムに移動させる
ことであってもよいし、予め決められたβγ平面内の軌道（折れ線軌道、ジグザグ軌道、
渦巻き軌道等）上を移動させることであってもよい。制御部３１は、探り方向において嵌
合位置からオフセットした位置を順次目標位置Ｓtとして設定していくことにより、嵌合
部材Ｗを探り方向に移動させることができる。なお、嵌合方向と探り方向とは互いに直交
する方向となる。
上述したように、被嵌合部材Ｑと把持前の嵌合部材Ｗの設置位置と設置方向は既知であ
る。従って、制御部３１は、被嵌合部材Ｑと把持前の嵌合部材Ｗの設置位置と設置方向に
基づいて位置制御におけるＴＣＰの目標位置Ｓt（嵌合位置等）を設定できる。ただし、
被嵌合部材Ｑと把持前の嵌合部材Ｗの設置位置と設置方向には誤差が含まれ得るため、必
ずしも位置制御によってボスＱ３と嵌合穴Ｈの軸心の位置が一致させることができるとは
限らない。従って、制御部３１は、嵌合位置の周辺において嵌合部材Ｗを探り方向に移動
させることにより、ボスＱ３と嵌合穴Ｈの軸心の位置が現実に一致するようになるように
、嵌合部材Ｗの位置を探る動作をアームＡに行わせる。
一方、嵌合動作における力制御は、嵌合方向（δ方向）において嵌合部材Ｗが被嵌合部
材Ｑから受ける力を所定の目標力ｆStとする制御である。図３Ｂ，３Ｃに示すように、ボ
スＱ３が嵌合穴Ｈに嵌合する状態においては、水平方向における嵌合部材Ｗの外縁は枠部
Ｑ１に干渉しない。従って、ボスＱ３が嵌合穴Ｈに嵌合する状態において、理想的に嵌合
部材Ｗの下面が凹部Ｋの底面からδ軸負方向の力を受けることとなる。従って、制御部３
１は、嵌合部材Ｗに対して鉛直上方に目標力ｆSが作用するように（１）式により力由来
補正量ΔＳを導出し、当該導出した力由来補正量ΔＳによってアームＡを制御する。例え
ば、図３Ａに示すように、嵌合部材Ｗを探り方向に移動させることにより嵌合部材Ｗの外
縁が枠部Ｑ１に干渉してＸＹ方向の作用力ｆSが検出された場合、当該作用力ｆSを緩和す
るような力由来補正量ΔＳが導出され、ボスＱ３と嵌合穴Ｈの軸心の位置が一致するよう
に嵌合部材Ｗの位置を探ることができる。また、ボスＱ３と嵌合穴Ｈの軸心の位置が一致
しない状態でボスＱ３が嵌合部材Ｗの下面に接触した場合、ＲＸ，ＲＹ方向の作用力ｆS
（トルク）が作用することとなり、当該作用力ｆSを緩和するような力由来補正量ΔＳが
導出され、ボスＱ３と嵌合穴Ｈの軸心の位置が一致するように嵌合部材Ｗの位置を探るこ
とができる。
なお、弾性部Ｐ１を介して嵌合部材ＷがアームＡに把持されるため、嵌合動作において
嵌合部材Ｗは鉛直方向に金属バネによる弾性インピーダンスを受けることとなる。従って
、アームＡの制御によって仮想的に弾性インピーダンスを実現しなくてもよく、制御部３
１は、（１）式の仮想弾性係数ｋを０とした上で力制御を行う。
嵌合動作において、以上説明した位置制御と力制御を行うことにより、ボスＱ３と嵌合
穴Ｈの軸心の位置を一致させた上で、嵌合部材Ｗの下面が凹部Ｋの底面から目標力ｆSを
受けるまで、確実に嵌合部材Ｗを被嵌合部材Ｑに嵌合させることができる。すなわち、被
嵌合部材Ｑと把持前の嵌合部材Ｗの設置位置と設置方向に基づいて特定された嵌合位置に
誤差が含まれても、確実に嵌合部材Ｗを被嵌合部材Ｑに嵌合させることができる。
ところで、図３Ａ〜３Ｃに示すように、被嵌合部材Ｑには抜け止め部Ｑ２が形成されて
いる。抜け止め部Ｑ２は、ボスＱ３と嵌合穴Ｈの軸心の位置が一致する位置にて嵌合姿勢
の嵌合部材Ｗが嵌合方向（δ方向）に移動する場合に、当該嵌合部材Ｗに干渉する干渉構
造である。抜け止め部Ｑ２は、枠部Ｑ１から凹部Ｋの内側に向けてβ方向に突出しており
、β方向における突出長さｃは、β方向における嵌合部材Ｗと枠部Ｑ１との間の隙間の長
さ（ａ＋ｂ）よりも大きくなっている。従って、被嵌合部材Ｑに嵌合した状態から嵌合部
材Ｗをδ軸負方向に引き抜こうとしても、抜け止め部Ｑ２が干渉して引き抜くことができ
ないようになっている。逆に、抜け止め部Ｑ２よりもδ軸負方向側の位置にある嵌合姿勢
の嵌合部材Ｗを嵌合方向（δ方向）に移動させて嵌合させようとしても、抜け止め部Ｑ２
が干渉して嵌合させることができないようになっている。そこで、本実施形態において、
制御部３１は、図３Ａ，３Ｂに示す嵌合動作を行う前に、準備動作と接触動作と姿勢変化
動作とを行う。
図４は、嵌合作業のフローチャートである。まず、制御部３１は、空中において嵌合部
材Ｗを嵌合姿勢とする（ステップＳ１００）。すなわち、制御部３１は、アームＡと吸着
ポンプ４とを制御することにより、嵌合部材Ｗをエンドエフェクター２によって把持する
とともに、当該嵌合部材Ｗの姿勢を空中にて嵌合姿勢と同一の姿勢とする。ステップＳ１
００における嵌合部材Ｗの位置は、嵌合部材Ｗに対して重力のみが作用するように、嵌合
部材Ｗに対して被嵌合部材Ｑ等の他の物体に干渉しない位置とされる。
図５Ａは、ステップＳ１００における嵌合部材Ｗの状態を示すα−α線（図１Ａ，３Ｃ
）矢視図である。同図に示すように、ステップＳ１００において嵌合部材Ｗは被嵌合部材
Ｑの近傍の位置において嵌合姿勢となる。被嵌合部材Ｑの近傍の位置とは、被嵌合部材Ｑ
よりも所定距離（例えば数センチメートル）だけδ軸負方向側の位置であってもよい。ス
テップＳ１００において、制御部３１は、位置制御のみによってアームＡを制御する。
次に、制御部３１は、力覚センサーＦＳをリセットする（ステップＳ１１０）。すなわ
ち、図５Ａに示すように、嵌合姿勢の嵌合部材Ｗに重力のみが作用している状態で力覚セ
ンサーＦＳをリセットする。力覚センサーＦＳは、互いに直交する３個の検出軸上の力の
大きさと、当該３個の検出軸まわりのトルクの大きさとを示す検出値を検出するが、制御
部３１は、嵌合姿勢の嵌合部材Ｗに重力のみが作用している状態で検出された各軸方向の
検出値を０と見なす。すなわち、嵌合姿勢の嵌合部材Ｗに重力のみが作用している状態で
の力覚センサーＦＳの検出値を基準値とすると、基準値からの検出値の増加量や減少量が
リセット後の検出値を意味することとなる。本実施形態において、制御部３１は、力覚セ
ンサーＦＳの出力信号を電気的にリセットすることにより、力覚センサーＦＳをリセット
する。すなわち、力覚センサーＦＳの信号の電圧レベルや電流レベルが０レベルであると
きに検出値が０であることを意味する構成において、リセット時の電圧レベルや電流レベ
ルを０レベルとする電気的な処置（信号線をグランドに接続する等）を行う。以上のよう
に力覚センサーＦＳをリセットすることにより、ステップＳ１２０以降においては、ＴＣ
Ｐの姿勢に基づく重力補償を行わなくても、重力由来の力やトルクが補償された作用力ｆ
Sに応じた力制御を行うことができるようになる。なお、ステップＳ１００〜Ｓ１１０が
準備動作の工程となる。
次に、制御部３１は、嵌合部材Ｗを接触姿勢へと変化させる（ステップＳ１２０）。接
触姿勢とは、嵌合姿勢と異なる姿勢であり、図５Ａの嵌合姿勢から、所定の水平回転軸（
図５Ａの黒丸）まわりに抜け止め部Ｑ２側の端部を下降させるように嵌合部材Ｗを回転さ
せることにより実現する姿勢である。むろん、現実の接触姿勢にも誤差が含まれ得る。こ
の水平回転軸は、抜け止め部Ｑ２が突出している方向であるβ方向に直交する軸である。
また、嵌合部材Ｗの抜け止め部Ｑ２側の端部の下降量は、少なくとも抜け止め部Ｑ２の厚
みよりも大きい量とされる。ステップＳ１２０において、制御部３１は、位置制御のみに
よってアームＡを制御する。
次に、制御部３１は、嵌合部材Ｗを接触方向に移動させる（ステップＳ１３０）。接触
方向とは、接触姿勢における嵌合部材Ｗの面方向であって、γ方向に直交する方向である
。図５Ｂは、ステップＳ１３０における嵌合部材Ｗの状態を示すα−α線（図１Ａ，３Ｃ
）矢視図である。図５Ａ，５Ｂにおいて、嵌合部材Ｗの厚み方向の中央線の軌跡Ｌ２を二
点鎖線で示している。ステップＳ１３０において、制御部３１は、位置制御のみによって
アームＡを制御する。ステップＳ１３０における位置制御の目標位置Ｓtは、嵌合部材Ｗ
の抜け止め部Ｑ２側の端部が、抜け止め部Ｑ２よりも下方において被嵌合部材Ｑの枠部Ｑ
１に接触する位置に設定される。
なお、ステップＳ１２０における姿勢変化後の嵌合部材Ｗの厚み方向の中央線が軌跡Ｌ
２と一致するように水平回転軸を設定しておくことにより、ステップＳ１２０〜Ｓ１３０
をスムーズに行うことができる。また、接触方向を嵌合部材Ｗの面方向とすることにより
、嵌合部材Ｗの軌道範囲を最小限に抑えることができ、嵌合部材Ｗが被嵌合部材Ｑの意図
しない部分（抜け止め部Ｑ２，ボスＱ３等）に干渉する可能性を低減できる。例えば、抜
け止め部Ｑ２とボスＱ３とを最短距離で結ぶ線分Ｌ１ａと、抜け止め部Ｑ２と枠部Ｑ１と
を最短距離で結ぶ線分Ｌ１ｂ（図５Ａの一点鎖線）のそれぞれが、軌跡Ｌ２によって二等
分されるように軌跡Ｌ２を設定することにより、嵌合部材Ｗが抜け止め部Ｑ２とボスＱ３
と枠部Ｑ１とに干渉する可能性を低減してもよい。なお、ステップＳ１２０〜Ｓ１３０が
接触動作の工程となる。
次に、制御部３１は、嵌合部材Ｗを嵌合姿勢へと変化させる（ステップＳ１４０）。す
なわち、制御部３１は、嵌合部材Ｗの面方向がβγ平面に平行な方向となり、かつ、嵌合
部材Ｗの外縁の辺の方向がβ，γ方向となるようにアームＡを制御する。ステップＳ１４
０において、制御部３１は、位置制御のみによってアームＡを制御する。ステップＳ１４
０により、嵌合部材Ｗは図３Ａに示す状態となる。ステップＳ１４０において、制御部３
１は、抜け止め部Ｑ２側の端部のβ方向の位置を変化させないように嵌合部材Ｗの姿勢を
変化させてもよい。また、ステップＳ１４０において、制御部３１は、抜け止め部Ｑ２側
の端部の位置が抜け止め部Ｑ２よりも嵌合方向（δ方向）側となった状態を維持するよう
に嵌合部材Ｗの姿勢を変化させてもよい。これにより、嵌合部材Ｗの端部が抜け止め部Ｑ
２の下方に進入した状態を維持することができる。なお、ステップＳ１４０が姿勢変化動
作の工程となる。
次に、制御部３１は、嵌合部材を探り方向に移動させながら嵌合方向（δ方向）に目標
力ｆSが作用するようにアームＡを制御する（ステップＳ１５０）。すなわち、ステップ
Ｓ１５０において制御部３１は、上述した嵌合動作をアームＡに行わせる。なお、制御部
３１は、嵌合動作において、力覚センサーＦＳが検出した作用力ｆSに基づいて力制御を
行うが、ＴＣＰの姿勢に基づく作用力ｆSにの重力補償を行わない。ステップＳ１１０に
おいて、嵌合姿勢の嵌合部材Ｗに重力のみが作用する状態で力覚センサーＦＳがリセット
されているため、実質的に重力が補償された作用力ｆSが得られており、ＴＣＰの姿勢に
基づく重力補償を行わなくても、重力の影響を排除して嵌合方向に作用する被嵌合部材Ｑ
からの反力を目標力ｆStとする力制御を実現できる。
なお、嵌合姿勢が目標の姿勢とされる嵌合動作においては、嵌合部材Ｗの姿勢が嵌合姿
勢に近い姿勢に維持されるため実質的な重力補償を実現できる。特に本実施形態では、弾
性部Ｐ１を介して嵌合部材Ｗが把持されるため、ＴＣＰの姿勢と嵌合部材Ｗの姿勢との相
関が弱くなる。すなわち、同じＴＣＰの姿勢であっても弾性部Ｐ１と嵌合部材Ｗの重心と
の相対位置のわずかな相違等によって、弾性部Ｐ１の伸長量がばらついて、結果的に嵌合
部材Ｗの姿勢がばらつく可能性がある。つまり、ＴＣＰの姿勢ごとに重量補償のオフセッ
ト値を調査した際における弾性部Ｐ１と嵌合部材Ｗの重心との相対位置が、現実の嵌合作
業の際における弾性部Ｐ１と嵌合部材Ｗの重心との相対位置と相違している場合、ＴＣＰ
の姿勢に基づく重量補償の精度が低下するおそれがある。これに対して、嵌合部材Ｗを把
持したまま、同一の嵌合姿勢で力覚センサーＦＳのリセットと嵌合動作とを行うため、Ｔ
ＣＰの姿勢に基づく重量補償よりも高い精度で実質的な重量補償を実現できる。
ここで、接触動作において力制御を行わないため、接触動作における制御を簡素化でき
る。また、接触動作においては嵌合部材Ｗが嵌合姿勢と異なる接触姿勢をとり、力覚セン
サーＦＳをリセットしただけでは実質的な重量補償が実現しないこととなるが、力制御を
行わないため重力の影響を受けることなく適切に嵌合部材Ｗを取り扱うことができる。ま
た、接触動作において力制御が行われないため、アームＡによって仮想的な弾性インピー
ダンスが実現されないが、弾性部Ｐ１を介して嵌合部材ＷがアームＡに把持されるため、
接触における衝撃を弾性部Ｐ１の機械的な弾性インピーダンスによって緩和できる。接触
における衝撃をアームＡの制御ではなく弾性部Ｐ１の機械的な応答によって緩和できるた
め、確実かつ高速に衝撃の影響を除去できる。
（２）他の実施形態
ロボット１は、必ずしも６軸の単腕ロボットでなくてもよく、ロボットが駆動すること
に応じていずれかの箇所に力が作用するロボットであればよい。例えば、ロボット１は、
双腕ロボットであってもよいし、スカラーロボットであってもよい。また、力検出器は、
力覚センサーＦＳでなくてもよく、関節Ｊ１〜Ｊ６ごとに当該関節Ｊ１〜Ｊ６に作用する
トルクを検出するトルクセンサーであってもよい。また、トルクセンサーの代わりにモー
ターＭ１〜Ｍ６の負荷に基づいてトルクが検出されてもよい。この場合、関節Ｊ１〜Ｊ６
における目標のトルクとともに、インピーダンス制御のパラメーターが教示されてもよい
。
前記実施形態においては、力覚センサーＦＳを電気的にリセットしたが、他の手法でリ
セットしてもよい。例えば、準備動作時における力覚センサーＦＳの検出値をオフセット
値として記憶しておき、以降の力制御において当該オフセット値を力覚センサーＦＳの検
出値から減算することにより力覚センサーＦＳの検出値を演算的にリセットするようにし
てもよい。また、力覚センサーＦＳの３個の検出軸方向の力と当該検出軸まわりのトルク
を示す検出値をリセットすることとしたが、ロボット座標系の力に変換後の作用力ｆSを
リセットしてもよい。さらに、準備動作（リセット）時の嵌合姿勢と、嵌合動作時の嵌合
姿勢とは、同一であることが望ましいが、ある程度類似する姿勢であれば実質的な重力補
償を実現できる。例えば、準備動作時の嵌合部材Ｗの姿勢と、嵌合動作時の嵌合部材Ｗの
姿勢とをカメラ等によって認識し、これらの姿勢の差が閾値以下である場合に、ＴＣＰの
姿勢に基づく重力補償を行わないようにしてもよい。
さらに、必ずしも力覚センサーＦＳをリセットしなくてもよい。すなわち、嵌合動作に
おいて、ＴＣＰの姿勢に基づく重力補償を行うことを前提として、準備動作における力覚
センサーＦＳのリセットを省略してもよい。
なお、前記実施形態では、嵌合動作のみが位置制御と力制御によって行われたが、接触
動作も位置制御と力制御とによって行われてもよい。例えば、制御部３１は、接触方向と
反対方向の作用力ｆSについて目標力ｆStを設定してもよい。これにより、被嵌合部材Ｑ
から目標力ｆStの反力が嵌合部材Ｗに作用している状態となるようにアームＡを制御する
ことができ、確実に嵌合部材Ｗを被嵌合部材Ｑに接触させることができる。接触動作にお
ける力制御においても、弾性部Ｐ１における弾性を考慮して、仮想弾性係数ｋを０に設定
してもよい。さらに、準備動作が位置制御と力制御によって行われてもよい。すなわち、
準備動作においては重力のみが作用している状態となるように目標力ｆStが設定されても
よい。
さらに、嵌合部材Ｗは必ずしも弾性部Ｐ１を介してアームＡに把持されなくてもよい。
すなわち、エンドエフェクター２が嵌合部材Ｗを把持することにより、エンドエフェクタ
ー２と嵌合部材Ｗとで実質的に一体の剛体が形成されてもよい。この場合、弾性部Ｐ１に
よる衝撃の緩和効果が実現しなくなるが、接触動作や嵌合動作において仮想弾性係数ｋを
０としない力制御を行うことにより、被嵌合部材Ｑに対する嵌合部材Ｗの衝撃を緩和して
もよい。
また、嵌合部材Ｗと被嵌合部材Ｑの形状は前記実施形態の形状に限られない。被嵌合部
材Ｑは、嵌合姿勢の嵌合部材Ｗが嵌合方向に移動した場合に干渉する干渉構造を有してい
ればよく、干渉構造の態様は種々考えられる。すなわち、干渉構造は、嵌合している状態
で嵌合部材Ｗと被嵌合部材Ｑとを嵌合方向の反対（δ軸負方向）側の視点から見たときに
、嵌合部材Ｗが存在する領域と重なり、かつ、嵌合部材Ｗよりも視点側に存在する被嵌合
部材Ｑの一部分であればよい。例えば、干渉構造は、嵌合部材Ｗに形成された柱状部分が
挿入される挿入構造であってもよいし、嵌合部材Ｗに形成された係止爪が係止する係止構
造であってもよい。むろん、嵌合部材Ｗと被嵌合部材Ｑとは必ずしも矩形状でなくてもよ
いし、嵌合部材Ｗは板状でなくてもよい。また、アームＡは、少なくとも嵌合部材Ｗを把
持すればよく、嵌合部材Ｗと被嵌合部材Ｑの双方を把持する双腕ロボットであってもよい
。むろん、アームＡが把持する部材が被嵌合部材Ｑの形状を有し、アームＡが把持しない
部材が嵌合部材Ｗの形状を有してもよい。
１…ロボット、２…エンドエフェクター、２ａ…基部、３…制御装置、３１…制御部、４
…吸着ポンプ、Ａ…アーム、Ａ１〜Ａ６…アーム部材、ｄ…仮想粘性係数、Ｄa…駆動位
置、Ｄc…制御量、Ｄe…駆動位置偏差、Ｄt…目標駆動位置、Ｅ１〜Ｅ６…エンコーダー
、ｆ…力、ｆS…作用力、ｆS…目標力、ＦＳ…力覚センサー、ｆSt…目標力、Ｈ…嵌合穴
、Ｊ１〜Ｊ６…関節、Ｋ…凹部、ｋ…仮想弾性係数、Ｋp…位置制御ゲイン、Ｋv…速度制
御ゲイン、ｍ…仮想慣性係数、Ｍ１〜Ｍ６…モーター、Ｐ…真空チャック、Ｐ１…弾性部
、Ｐ２…吸着部、Ｑ…被嵌合部材、Ｑ１…枠部、Ｑ２…抜け止め部、Ｑ３…ボス、Ｓt…
目標位置、Ｕ…対応関係、Ｗ…嵌合部材、ΔｆS…力偏差、ΔＳ…力由来補正量

Claims (9)

  1. 複数のアーム部材と前記複数のアーム部材を駆動する駆動部と把持部とを含むアームと
    、力検出器と、を含むロボットであって、
    前記把持部が把持した嵌合部材を所定の接触方向に移動させて被嵌合部材に接触させる
    接触動作と、
    前記嵌合部材の姿勢を嵌合姿勢へと変化させる姿勢変化動作と、
    前記嵌合姿勢の前記嵌合部材を探り方向に移動させながら、前記嵌合部材を前記被嵌合
    部材に対して嵌合方向に嵌合させる嵌合動作と、を順に行い、
    前記接触方向と前記探り方向と前記嵌合方向とは互いに異なる方向である、
    ロボット。
  2. 前記把持部が把持した前記嵌合部材の位置を目標位置へと制御する位置制御と、前記被
    嵌合部材と前記嵌合部材との間に作用する力を目標力へと制御する力制御とによって前記
    アームが制御され、
    前記接触動作は、前記位置制御によって行われる、
    請求項１に記載のロボット。
  3. 前記把持部は、弾性部材を介して前記嵌合部材を把持する、
    請求項２に記載のロボット。
  4. 前記把持部が把持した前記嵌合部材の位置を目標位置へと制御する位置制御と、前記被
    嵌合部材と前記嵌合部材との間に作用する力を目標力へと制御する力制御とによって前記
    アームが制御され、
    前記接触動作は、前記位置制御と前記力制御とによって行われる、
    請求項１に記載のロボット。
  5. 前記嵌合動作は、前記嵌合方向に作用する力を目標力へと制御する前記力制御によって
    行われる、
    請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のロボット。
  6. 前記嵌合動作は、前記接触動作を行う前において、前記嵌合部材を前記嵌合姿勢と同一
    の姿勢とした際の前記力検出器の出力を基準とした前記力制御によって行われる、
    請求項５に記載のロボット。
  7. 複数のアーム部材と前記複数のアーム部材を駆動する駆動部と把持部と、力検出器と、
    を含むロボットのロボット制御装置であって、
    前記把持部が把持した前記嵌合部材を所定の接触方向に移動させて前記被嵌合部材に接
    触させる接触動作と、
    前記嵌合部材の姿勢を嵌合姿勢へと変化させる姿勢変化動作と、
    前記嵌合姿勢の前記嵌合部材を探り方向に移動させながら、前記嵌合部材を前記被嵌合
    部材に対して嵌合方向に嵌合させる嵌合動作と、を順に前記ロボットに行わせ、
    前記接触方向と前記探り方向と前記嵌合方向とは互いに異なる方向である、
    ロボット制御装置。
  8. 複数のアーム部材と前記複数のアーム部材を駆動する駆動部と把持部と、力検出器と、
    を含むロボットのロボット制御方法であって、
    前記把持部が把持した前記嵌合部材を所定の接触方向に移動させて前記被嵌合部材に接
    触させる接触動作と、
    前記嵌合部材の姿勢を嵌合姿勢へと変化させる姿勢変化動作と、
    前記嵌合姿勢の前記嵌合部材を探り方向に移動させながら、前記嵌合部材を前記被嵌合
    部材に対して嵌合方向に嵌合させる嵌合動作と、を順に前記ロボットに行わせ、
    前記接触方向と前記探り方向と前記嵌合方向とは互いに異なる方向である、
    ロボット制御方法。
  9. 複数のアーム部材と前記複数のアーム部材を駆動する駆動部と把持部とを含むアームと
    、力検出器と、を含むロボットと、
    前記把持部が把持した前記嵌合部材を所定の接触方向に移動させて前記被嵌合部材に接
    触させる接触動作と、
    前記嵌合部材の姿勢を嵌合姿勢へと変化させる姿勢変化動作と、
    前記嵌合姿勢の前記嵌合部材を探り方向に移動させながら、前記嵌合部材を前記被嵌合
    部材に対して嵌合方向に嵌合させる嵌合動作と、を順に前記ロボットに行わせるロボット
    制御装置と、
    を備え、
    前記接触方向と前記探り方向と前記嵌合方向とは互いに異なる方向である、
    ロボットシステム。
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