JP2019217607A - ティーチング装置、ロボット制御システム及びティーチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工品質を向上できるティーチング装置を得ること。【解決手段】ティーチング装置２０は、工具６０に設置されたマーカ８０を撮影する撮像部２３と、撮像部２３が出力する画像データを処理することにより、マーカ８０の位置及び姿勢を示す位置姿勢情報を算出する画像処理装置２１と、工具６０に設置された力覚センサ７０が出力する工具６０に作用する力の大きさ及び方向を示す力覚情報と、位置姿勢情報とを関連付けた加工力同期軌跡データを含む加工プログラムを生成する加工プログラム生成装置２２とを備え、加工プログラムは、加工力同期軌跡データに基づいて、ロボット９０を制御するプログラムである。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットに加工作業の動作軌跡を教示するティーチング装置、ロボット制御システム及びティーチング方法に関する。

ロボットに加工作業を行わせる場合、実際に工具又は被加工物を動かすことにより、工具又は被加工物を動かす軌跡をロボットに教示する必要がある。

特許文献１には、ユーザが教示用ハンドルを操作してロボットを実際に動かして教示するティーチング装置が開示されている。

特開平９−７６１８３号公報

塗装作業のように工具と被加工物とが接触しない作業、又は溶接作業のように工具と被加工物とを接触させるだけで良い作業の場合は、加工品質は加工位置ごとの力加減に依存しないため、軌跡通りにロボットを動作させれば手作業と同じ高い加工品質を得ることがきる。一方、バリ取り又は研磨といった作業は、加工中の工具の位置ごとに異なる力加減が必要とされるため、ロボットに教示した軌跡をなぞって動作させても、加工に適した力を加えることができないことがある。したがって、バリ取り又は研磨といった作業をティーチングする場合は、手作業と同じ適正な力加減による高い加工品質を得ることができなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工品質を向上させることができるティーチング装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、工具及び被加工物の少なくとも一方である基準物に設置されたマーカを撮影する撮像部と、撮像部が出力する画像データを処理することにより、マーカの位置及び姿勢を示す位置姿勢情報を算出する画像処理装置と、基準物に設置された力覚センサが出力する基準物に作用する力の大きさ及び方向を示す力覚情報と、位置姿勢情報とを関連付けた加工力同期軌跡データを含む加工プログラムを生成する加工プログラム生成装置とを備え、加工プログラムは、加工力同期軌跡データに基づいて、ロボットを制御するプログラムである。

本発明によれば、加工品質を向上させることができるティーチング装置を提供できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るロボット制御システムの構成を示す図 実施の形態１に係るティーチング装置による教示の動作の流れを示すフローチャート 実施の形態１に係るティーチング装置による教示時に、ユーザが工具を把持して被加工物を加工する状態を示す図 実施の形態１に係るロボット制御システムによって被加工物を加工する動作の流れを示すフローチャート 実施の形態１に係るロボット制御システムのロボットに工具を取り付けて被加工物を加工する作業を行わせる状態を示す図 実施の形態１に係るティーチング装置による教示時に、ユーザが被加工物を把持して工具で加工する状態を示す図 実施の形態１に係るロボット制御システムのロボットに被加工物を把持させて工具による加工作業を行わせる状態を示す図 本発明の実施の形態２に係るロボット制御システムの構成を示す図 実施の形態２に係るロボット制御システムの斜視図 実施の形態１又は実施の形態２に係る画像処理装置、加工プログラム生成装置又はロボットコントローラの機能をハードウェアで実現した構成を示す図 実施の形態１又は実施の形態２に係る画像処理装置、加工プログラム生成装置又はロボットコントローラの機能をソフトウェアで実現した構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るティーチング装置、ロボット制御システム及びティーチング方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るロボット制御システムの構成を示す図である。実施の形態１に係るロボット制御システム１００は、加工プログラムを実行してロボット９０を動作させるロボットコントローラ１０と、ロボットコントローラ１０に教示するティーチング装置２０とを備える。ティーチング装置２０は、マーカ８０の３次元的な位置及び姿勢を検出し、位置姿勢情報を出力する画像処理装置２１と、画像処理装置２１が出力したマーカ８０の位置姿勢情報と、力覚センサ７０が検出した力の方向及び大きさを示す力覚情報とを関連付けた加工力同期軌跡データを含む加工プログラムを生成する加工プログラム生成装置２２とを備える。マーカ８０及び力覚センサ７０は、工具６０又は被加工物５０に設置される。実施の形態１においては、マーカ８０及び力覚センサ７０が設置される基準物は、工具６０である。

加工力同期軌跡データは、工具６０と被加工物５０との相対的な位置関係及び姿勢と、工具６０と被加工物５０との間に発生する力の大きさ及び方向とを関連付けた一連のデータとも言える。

画像処理装置２１は、撮像部２３から入力される画像データを処理することにより、マーカ８０の位置姿勢情報を算出する画像処理部２１１を備える。

マーカ８０は、画像処理によって抽出可能な複数の特徴点を有している。複数の特徴点のうちの一つが基準点となり、基準点の位置がマーカ８０の位置となる。また、撮像部２３の撮像方向に対するマーカ８０の傾きが変わると、マーカ８０を撮像した画像における各特徴点の位置関係が変化する。したがって、マーカ８０を撮像した画像における各特徴点の位置関係は、マーカ８０の姿勢を表す。画像処理部２１１は、マーカ８０の各特徴点の位置関係の基準とする基準データを保持している。画像処理部２１１は、マーカ８０を撮像した画像における各特徴点の位置関係と、基準データが示す各特徴点の位置関係とを比較することにより、マーカ８０を撮像した画像での各特徴点の位置と、基準データが示す各特徴点の位置との差分を算出する。画像処理部２１１は、基準データが示す位置関係とマーカ８０を撮像した画像での各特徴点の位置関係との差異により、マーカ８０の姿勢を特定できる。マーカ８０の姿勢は、マーカ８０に固定された座標系の慣性系に対する回転角で表すことができる。なお、マーカ８０の位置及び姿勢の定義は、上記と異なる定義であってもよい。

実施の形態１においては、マーカ８０及び力覚センサ７０が設置される基準物は、工具６０である。したがって、工具６０に設置されたマーカ８０の位置及び姿勢を表す位置姿勢情報は、工具６０の位置及び姿勢を表すとも言える。

加工プログラム生成装置２２は、画像処理部２１１から入力される位置姿勢情報と力覚情報とを関連付けて記憶部２２３に記憶させる制御部２２１と、記憶部２２３に記憶されたマーカ８０の位置姿勢情報と力覚情報とを時系列的に纏めた加工力同期軌跡データを含む加工プログラムを生成する演算部２２２とを有する。

ロボットコントローラ１０は、加工プログラムを記憶する記憶部１３と、加工プログラムに基づいてロボット９０の動きを算出する演算部１２と、ロボット９０を動作させる制御部１１とを備える。

実施の形態１に係るティーチング装置２０による教示の動作について説明する。図２は、実施の形態１に係るティーチング装置による教示の動作の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１において、ユーザが工具６０を把持して被加工物５０を加工する。図３は、実施の形態１に係るティーチング装置による教示時に、ユーザが工具を把持して被加工物を加工する状態を示す図である。画像処理装置２１は、ユーザが工具６０を把持して被加工物５０を加工する際に、撮像部２３から入力される画像データを処理することにより、マーカ８０の位置及び姿勢を示す位置姿勢情報を算出する。また、力覚センサ７０は、ユーザが工具６０を把持して被加工物５０を加工する際に、ユーザが工具６０を被加工物５０に押し付ける力の向き及び大きさを示す力覚情報を出力する。ステップＳ１２において、加工プログラム生成装置２２は、画像処理装置２１が出力した位置姿勢情報と、力覚センサ７０が出力した力覚情報とを関連付けて記憶部２２３に記憶させる。被加工物５０の加工が終了すると、ステップＳ１３において、加工プログラム生成装置２２は、記憶部２２３に記憶されている位置姿勢情報と力覚情報とを時系列的に纏めた加工力同期軌跡データを含む加工プログラムを生成する。ステップＳ１４において、加工プログラム生成装置２２は、加工力同期軌跡データを含む加工プログラムをロボットコントローラ１０に出力する。このようにしてティーチング装置２０によりロボットコントローラ１０に教示が行われる。

教示を行うにあたり、ユーザは手作業による加工作業を行うだけでよく、ティーチングペンダント又は教示用ハンドルを用いてロボット９０を操作する必要がない。したがって、教示する工具６０の軌跡及び押し付け力が実際の加工作業とは異なってしまうという問題は発生しない。

実施の形態１に係るロボット制御システム１００によって被加工物５０を加工する動作について説明する。図４は、実施の形態１に係るロボット制御システムによって被加工物を加工する動作の流れを示すフローチャートである。ロボット９０に加工作業を行わせる際には、ステップＳ２１において、マーカ８０及び力覚センサ７０が設置されたままの工具６０をロボット９０に取り付ける。図５は、実施の形態１に係るロボット制御システムのロボットに工具を取り付けて被加工物を加工する作業を行わせる状態を示す図である。ステップＳ２２において、ロボットコントローラ１０は、画像処理装置２１から現在のマーカ８０の位置姿勢情報を取得する。ステップＳ２３において、ロボットコントローラ１０は、現在のマーカ８０の位置姿勢情報と、加工プログラムとに基づいて、加工力同期軌跡データの一番目の位置姿勢情報が示す位置及び姿勢と一致する位置及び姿勢にマーカ８０が配置されるように工具６０を移動させる。ステップＳ２４において、ロボットコントローラ１０は、加工プログラムに基づいて、位置姿勢情報が示す位置及び姿勢と一致する位置及び姿勢にマーカ８０が配置されるように工具６０を順次移動させる。この際、ロボットコントローラ１０は、力覚センサ７０の出力が、加工力同期軌跡データにおいて位置姿勢情報に関連付けられた力覚情報が示す向き及び大きさとなるように、工具６０と被加工物５０とを接触させる。

マーカ８０の位置及び姿勢を加工力同期軌跡データの位置姿勢情報が示す位置に一致させ、かつ工具６０を被加工物５０に押し付ける力を加工力同期軌跡データの力覚情報が示す大きさ及び向きに一致させることで、教示作業時にユーザが行った動作をロボット９０に再現させる。

実施の形態１に係るロボットコントローラ１０は、人が工具６０を持って行う加工作業と同等の作業を、ロボット９０を操作して教示することなく、ロボット９０に再現させることができる。

上記の実施の形態１においては、力覚センサ７０は、ロボットコントローラ１０に接続されており、加工プログラム生成装置２２は、ロボットコントローラ１０を通じて力覚情報を力覚センサ７０から取得するが、加工プログラム生成装置２２と力覚センサ７０とを直接接続してもよい。

図６は、実施の形態１に係るティーチング装置による教示時に、ユーザが被加工物を把持して工具で加工する状態を示す図である。図７は、実施の形態１に係るロボット制御システムのロボットに被加工物を把持させて工具による加工作業を行わせる状態を示す図である。上記の説明においては、工具６０を移動させて被加工物５０を加工したが、グラインダ及び研磨盤といった据え付け型の工具６０で被加工物５０を加工する場合には、被加工物５０にマーカ８０及び力覚センサ７０を取り付けて教示を行うことにより、被加工物５０を把持して工具６０によって加工する作業をロボット９０に行わせることができる。

実施の形態１に係るティーチング装置２０は、教示時の工具６０又は被加工物５０の位置ごとに異なる力加減を再現することができるため、加工品質を向上させることができる。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係るロボット制御システムの構成を示す図である。図９は、実施の形態２に係るロボット制御システムの斜視図である。実施の形態２に係るロボット制御システム１００において、ロボット９０は、被加工物５０の位置及び姿勢を変更可能なポジショナ９１を備えている。また、実施の形態２に係るロボット制御システム１００においては、工具６０にマーカ８０及び力覚センサ７０が設置され、被加工物５０にマーカ８１が設置される。被加工物５０が設置されるポジショナ９１は力覚センサ７１を備えている。実施の形態２において、ロボットコントローラ１０は、ポジショナ９１を制御する機能を備えている。実施の形態１と同様に、ティーチング装置２０は、画像処理装置２１及び加工プログラム生成装置２２を備えている。

実施の形態２に係るロボット制御システム１００においては、教示中にポジショナ９１を動かした場合に、被加工物５０の位置及び姿勢の変化が画像処理装置２１によって検出される。また、ポジショナ９１を動かしたことによって被加工物５０に力が加わると、被加工物５０に加わった力が力覚センサ７１によって検出される。したがって、加工プログラム生成装置２２は、工具６０の位置及び姿勢並びに押し付け力だけでなく、被加工物５０の位置及び姿勢並びに押し付け力を再現する加工プログラムを生成することができる。

実施の形態２に係るロボット制御システム１００において、ロボットコントローラ１０は、マーカ８１及び力覚センサ７０が設置されたままロボット９０に取り付けられた工具６０及び被加工物５０に設置されているマーカ８１の現在の位置及び姿勢を画像処理装置２１から取得し、加工プログラム中の加工力同期軌跡データが示す最初の位置及び姿勢にマーカ８０，８１が配置されるように工具６０及び被加工物５０の少なくとも一方を移動させる。そして、ロボットコントローラ１０は、加工プログラムに基づいて、位置姿勢情報が示す位置及び姿勢と一致する位置及び姿勢にマーカ８０，８１が配置されるように工具６０及び被加工物５０の少なくとも一方を順次移動させ、力覚センサ７０の出力が、加工力同期軌跡データにおいて位置姿勢情報に関連付けられた力覚情報が示す向き及び大きさとなるように、工具６０と被加工物５０とを接触させる。上記の動作により、教示時の工具６０又は被加工物５０の位置ごとに異なる力加減を再現することができるため、加工品質を向上させることができる。

実施の形態１に係るロボット制御システム１００のティーチング装置２０は、工具６０が被加工物５０の陰に入って撮像部２３が撮影する画像にマーカ８０が映らなくなると、工具６０の軌跡を検出できない。このため、工具６０が撮像部２３の死角に入る場合には、被加工物５０の向きを変えて別工程で加工する必要があった。実施の形態２に係るロボット制御システム１００は、工具６０及び被加工物５０の両方の位置及び姿勢を変える加工プログラムを作成できるため、工具６０が撮像部２３の死角に入って画像処理部２１１がマーカ８０を検出できなくなる場合には、被加工物５０の位置及び姿勢を変えることで、画像処理部２１１がマーカ８０を検出可能にできる。

上記の実施の形態２においては、被加工物５０はポジショナ９１に設置されたが、工具６０を設置するロボット９０とは別のロボットに被加工物５０を設置してもよい。

上記実施の形態１又は実施の形態２に係る画像処理装置２１、加工プログラム生成装置２２及びロボットコントローラ１０の機能は、処理回路により実現される。処理回路は、専用のハードウェアであっても、記憶装置に格納されるプログラムを実行する演算装置であってもよい。

処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はこれらを組み合わせたものが該当する。図１０は、実施の形態１又は実施の形態２に係る画像処理装置、加工プログラム生成装置又はロボットコントローラの機能をハードウェアで実現した構成を示す図である。処理回路２９には、画像処理装置２１、加工プログラム生成装置２２又はロボットコントローラ１０の機能を実現する論理回路２９ａが組み込まれている。処理回路２９を実現するハードウェアには、マイクロコントローラを例示できる。

処理回路２９が演算装置の場合、画像処理装置２１、加工プログラム生成装置２２又はロボットコントローラ１０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。

図１１は、実施の形態１又は実施の形態２に係る画像処理装置、加工プログラム生成装置又はロボットコントローラの機能をソフトウェアで実現した構成を示す図である。処理回路２９は、プログラム２９ｂを実行する中央処理装置２９１と、中央処理装置２９１がワークエリアに用いるランダムアクセスメモリ２９２と、プログラム２９ｂを記憶する記憶装置２９３を有する。記憶装置２９３に記憶されているプログラム２９ｂを中央処理装置２９１がランダムアクセスメモリ２９２上に展開し、実行することにより、画像処理装置２１、加工プログラム生成装置２２又はロボットコントローラ１０の機能が実現される。ソフトウェア又はファームウェアはプログラム言語で記述され、記憶装置２９３に格納される。

処理回路２９は、記憶装置２９３に記憶されたプログラム２９ｂを読み出して実行することにより、画像処理装置２１、加工プログラム生成装置２２又はロボットコントローラ１０の機能を実現する。プログラム２９ｂは、画像処理装置２１、加工プログラム生成装置２２又はロボットコントローラ１０の機能を実現する手順及び方法をコンピュータに実行させるものであるとも言える。

なお、処理回路２９は、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。

このように、処理回路２９は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０ ロボットコントローラ、１１，２２１ 制御部、１２，２２２ 演算部、１３，２２３ 記憶部、２０ ティーチング装置、２１ 画像処理装置、２２ 加工プログラム生成装置、２３ 撮像部、２９ 処理回路、２９ａ 論理回路、２９ｂ プログラム、５０ 被加工物、６０ 工具、７０，７１ 力覚センサ、８０，８１ マーカ、９０ ロボット、９１ ポジショナ、１００ ロボット制御システム、２１１ 画像処理部、２９１ 中央処理装置、２９２ ランダムアクセスメモリ、２９３ 記憶装置。

Claims (3)

1. 工具及び被加工物の少なくとも一方である基準物に設置されたマーカを撮影する撮像部と、
   前記撮像部が出力する画像データを処理することにより、前記マーカの位置及び姿勢を示す位置姿勢情報を算出する画像処理装置と、
   前記基準物に設置された力覚センサが出力する前記基準物に作用する力の大きさ及び方向を示す力覚情報と、前記位置姿勢情報とを関連付けた加工力同期軌跡データを含む加工プログラムを生成する加工プログラム生成装置とを備え、
   前記加工プログラムは、前記加工力同期軌跡データに基づいて、ロボットを制御するプログラムであることを特徴とするティーチング装置。
2. 請求項１に記載のティーチング装置と、前記加工プログラムを実行して前記ロボットを動作させるロボットコントローラとを備え、
   前記ロボットコントローラは、
   前記マーカ及び前記力覚センサが設置されたまま前記ロボットに取り付けられた工具又は被加工物に設置されている前記マーカの現在の位置及び姿勢を前記画像処理装置から取得し、
   前記加工プログラム中の前記加工力同期軌跡データが示す最初の位置及び姿勢に前記マーカが配置されるように前記工具及び前記被加工物の少なくとも一方を移動した後、
   前記加工プログラムに基づいて、前記位置姿勢情報が示す位置及び姿勢と一致する位置及び姿勢に前記マーカが配置されるように前記工具及び前記被加工物の少なくとも一方を順次移動させ、前記力覚センサの出力が、前記加工力同期軌跡データにおいて前記位置姿勢情報に関連付けられた前記力覚情報が示す向き及び大きさとなるように、前記工具と前記被加工物とを接触させることを特徴とするロボット制御システム。
3. 工具及び被加工物の少なくとも一方である基準物にマーカ及び力覚センサを設置して、前記工具で前記被加工物を加工する際に、前記マーカの撮影により得られた画像データを処理することにより、前記マーカの位置及び姿勢を示す位置姿勢情報を算出するとともに、前記力覚センサが出力する前記基準物に作用する力の大きさ及び方向を示す力覚情報を記録する工程と、
   前記位置姿勢情報と前記力覚情報とを関連付けた加工力同期軌跡データを含み、前記加工力同期軌跡データに基づいて、ロボットを制御する加工プログラムを生成する工程と、
   前記ロボットを制御するロボットコントローラに前記加工プログラムを記憶させる工程とを備えることを特徴とするティーチング方法。