JP2020001137A - Robot control device and robot system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、動作範囲を制限されたロボットアームの直接教示において、動作範囲制限を回避するロボット制御装置およびロボットシステムに関するものである。 The present invention relates to a robot control device and a robot system that avoid operating range limitation in direct teaching of a robot arm whose operating range is limited.
ロボットアームの動作軌跡をロボットアームに認識させるために、従来より、教示作業を実施している。教示作業とは、制御プログラムによるロボットアームの運転を行う前に、制御プログラムで使用するロボットアームの手先を移動させたい位置をロボットアームに記憶させる作業であり、この教示動作の一手法として、直接教示がある。直接教示はロボットアームを人が直接つかんで手動操作し、記憶させたい位置へ移動させることで教示を行う方法である。直接教示では、ロボットアームを人が直接つかんで動かすと、ロボットアームに発生した力を各関節軸のモータの電流値やトルクセンサなどが検知し、この検知した力からロボットアームへの時々刻々の指令を作成することができる。移動先の位置を指定するためには、作業者はロボットアームを手動操作して移動先の位置へロボットアームの手先を移動させることで、移動先の位置をロボットアームに記憶させることができる。 Conventionally, a teaching operation has been performed in order for the robot arm to recognize the motion trajectory of the robot arm. The teaching operation is a process of storing the position where the hand of the robot arm to be used in the control program is to be moved in the robot arm before the operation of the robot arm by the control program. There is teaching. The direct teaching is a method of teaching by manually grasping and manually operating a robot arm and moving the robot arm to a position to be stored. In direct teaching, when a person directly grasps and moves the robot arm, the force generated in the robot arm is detected by the motor current value of each joint axis, torque sensor, etc., and the detected force is applied to the robot arm every moment. Directives can be created. In order to specify the position of the movement destination, the operator can manually operate the robot arm to move the hand of the robot arm to the position of the movement destination, so that the position of the movement destination can be stored in the robot arm.
上記のような直接教示が可能なロボットアームにおいて、直接教示中に動作環境内にある障害物等にロボットアームを触れさせたくない場合、その対象物のエリアを動作制限領域として設定し、ロボットアームが動作制限領域に侵入しないよう、ロボットアームの動作を補正したり停止させたりして、ロボットアームを障害物に接触させないようにする技術が従来より知られている。 In the robot arm capable of direct teaching as described above, if the robot arm does not want to touch an obstacle or the like in the operating environment during the direct teaching, the area of the target object is set as the operation limited area, 2. Description of the Related Art There has been conventionally known a technique of correcting or stopping the operation of a robot arm so that the robot arm does not enter an operation restriction area so that the robot arm does not contact an obstacle.
例えば、特許文献1では教示作業時にロボットアームの手先に力が加えられると、手先が動作制限領域から離れている場合は、加えられた力情報を移動先の手先位置に変換した後、その手先位置から逆運動学により各関節軸の角度を算出し、算出した各関節軸の角度に基づいて、モータを駆動をさせることでロボットアームを駆動する。ただし、手先が動作制限領域に近づくと、手先に加えられた力情報の動作制限領域方向の成分を減少させる補正をしてから、補正した力情報を用いて先と同様にしてロボットアームを駆動する。これにより、手先が動作制限領域に近づくにつれ、動作制限領域方向の力が無視されるので、教示作業時にロボットアームの手先が動作制限領域に侵入することを防止できる。
For example, in
しかし、上記特許文献1のようなロボット制御装置は、手先に加えられた力を補正し、手先位置のみを補正するため、手先の動作に伴い動作するロボットアームの手先以外の部位が、動作制限領域へ侵入することを防ぐことができなかった。
However, the robot controller as disclosed in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、教示作業時にロボットアームの手先以外の部位も動作制限領域に侵入しないロボット制御装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and it is an object of the present invention to obtain a robot control device in which a part other than a hand of a robot arm does not enter a motion restricted area during a teaching operation.
本発明のロボット制御装置は、ロボットアームの手先に加えられた外部操作力を検知する外部操作力検知部と、ロボットアームを侵入させない領域である動作制限領域を記憶する動作制限領域記憶部と、外部操作力検知部が検知した外部操作力の情報から、手先の移動先の位置を指示する位置指令を生成する位置指令生成部と、位置指令により手先が動作制限領域に侵入する場合、位置指令の動作制限領域方向の成分を減少させて位置指令を補正する位置指令補正部と、補正された位置指令からロボットアームが有する各関節軸の角度パターンを算出する逆運動学計算部と、逆運動学計算部により算出された各関節軸の角度パターンのうち、ロボットアームが動作制限領域に侵入しない各関節軸の角度パターンを選択する角度パターン選択部と、を備える。 The robot control device of the present invention includes an external operation force detection unit that detects an external operation force applied to the tip of the robot arm, an operation restriction region storage unit that stores an operation restriction region that is a region where the robot arm does not enter, A position command generation unit that generates a position command that indicates the position of the hand's movement destination from information on the external operation force detected by the external operation force detection unit, and a position command when the hand enters the operation restricted area by the position command. A position command correction unit that corrects the position command by reducing the component in the direction of the operation restriction area, an inverse kinematics calculation unit that calculates the angle pattern of each joint axis of the robot arm from the corrected position command, and an inverse motion. Pattern selection unit that selects an angle pattern of each joint axis that does not cause the robot arm to enter the operation restriction area from among the angle patterns of each joint axis calculated by the logical calculation unit , Comprising a.
本発明に係るロボット制御装置およびロボットシステムによれば、位置指令によりロボットアームの手先が動作制限領域に侵入する場合、位置指令の動作制限領域方向の成分を減少させて補正した位置指令を生成する位置指令補正部と、補正した位置指令からロボットアームが有する各関節軸の角度パターンを算出する逆運動学計算部と、逆運動学計算部により算出された各関節軸の角度パターンのうち、ロボットアームが動作制限領域に侵入しない各関節軸の角度パターンを選択する角度パターン選択部を備えるので、教示作業時にロボットアームの手先以外の部位が動作制限領域へ侵入することを防ぐロボット制御装置およびロボットシステムを得ることができる。 According to the robot control device and the robot system according to the present invention, when the tip of the robot arm enters the operation restriction area due to the position instruction, the position instruction is generated by reducing the component of the position instruction in the operation restriction area direction and generating a corrected position instruction. A position command correction unit, an inverse kinematics calculation unit that calculates an angle pattern of each joint axis of the robot arm from the corrected position command, and a robot among the joint axis angle patterns calculated by the inverse kinematics calculation unit. Since there is provided an angle pattern selection unit for selecting an angle pattern of each joint axis in which the arm does not enter the operation restriction area, a robot control device and a robot for preventing a part other than the hand of the robot arm from entering the operation restriction area during a teaching operation You can get the system.
実施の形態1
以下、本発明の実施形態1におけるロボット制御装置について、図を用いて説明する。
Hereinafter, the robot control device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態1のロボット制御装置を備えるロボットシステムの模式図である。本発明の実施の形態1のロボットシステムはロボットアーム1とロボット制御装置3を備える。
FIG. 1 is a schematic diagram of a robot system including the robot control device according to the first embodiment of the present invention. The robot system according to the first embodiment of the present invention includes a
ロボットアーム1はロボットアーム1の手先に外部から加えられる力の大きさを検知可能なセンサ2を備えている。力の大きさを検知可能な装置はトルクセンサや力覚センサに限らず、各関節軸モータの電流値などでもよい。
The
ロボット制御装置3は外部操作力検知部4、位置指令生成部5、動作制限領域記憶部6、位置指令補正部7、逆運動学計算部8、及び角度パターン選択部9を備える。
The
外部操作力検知部4はロボットアーム1のセンサ2から取得した力情報からロボットアーム1の手先にかけられた外部操作力を検知する。
The external operation force detection unit 4 detects the external operation force applied to the hand of the
位置指令生成部5は、外部操作力検知部4から伝達される外部操作力情報に基づいてロボットアーム1の手先の移動先の位置を指示する位置指令を生成する。
The position command generation unit 5 generates a position command that indicates the position of the hand of the
動作制限領域記憶部6は3次元位置座標系で指定される動作制限領域10を記憶する。動作制限領域とは、おいてロボットアーム1の侵入を禁止する領域であり、例えば、人が存在する領域等を指す。
The operation restriction
位置指令補正部7は、位置指令生成部5が生成した位置指令に従うとロボットアーム1の手先が動作制限領域10に近づく場合に、位置指令の動作制限領域10の境界面法線方向の成分を減少させて、手先の移動先の位置指令を補正する。
When the hand of the
逆運動学計算部8は、位置指令補正部7が補正した手先の移動先の位置指令から、手先をその位置にするためのロボットアーム1が有する各関節軸の角度パターンを算出する。手先をある位置にするためには各関節軸の角度の組み合わせは複数存在し、角度パターンとは、この手先のある位置を実現する各関節軸の角度の組み合わせのことを指す。なお、本発明の説明において、ロボットアーム1の間接軸は複数であることを前提として説明しているが、これに限られず、ロボットアーム1の間接軸は1つでもよい。
The inverse
角度パターン選択部9は逆運動学計算部8により算出された各関節軸の角度パターンのうち、ロボットアーム1が動作制限領域記憶部6が記憶する動作制限領域10に侵入しない各関節軸の角度パターンを選択し、各関節軸のモータへの回転指令情報へ変換し、ロボットアーム1に伝える。なお、角度パターン選択部9は、ロボットアーム1が動作制限領域10に侵入しない各関節軸の角度パターンを選択するものとしたが、選択可能な角度パターンの候補が複数存在する場合には、このときの各関節軸の角度からの変化が最小のパターンを選択すれば良い。このように、最小のパターンを選択することで、より短時間且つ少ないロボットアーム1の動きで目的の手先位置に移動させることができるので、教示作業動作の効率を向上させると共にロボットアーム1の動作による振動によるブレを軽減できる。
The angle
次に、本実施の形態1のロボット制御装置3の動作、特に教示作業中の動作について説明する。図2は、本実施の形態1の教示作業中のロボット制御装置3の制御フローである。
Next, an operation of the
教示作業を始める前に、ロボットシステム構築者はロボットアーム1の動作制限領域10を設定する。この動作制限領域10の情報はロボット制御装置3内の3次元位置座標系において定義され、ロボット制御装置3の動作制限領域記憶部6に格納される。動作制限領域10の定義方法としては、3次元空間における位置を3点指定して3次元空間における無限平面を使用して領域を区切る方法や、平面を複数使用して3次元多面体の領域を設定する方法等がある。動作制限領域10の設定方法は動作制限領域10の表現に必要な位置情報を直接数値入力する方法や、ロボットアーム1を該当位置に動作させてロボットアーム1の手先位置情報をにより設定する方法等がある。
Before starting the teaching operation, the robot system builder sets the
動作制限領域10を設定した後、ロボット制御装置3は図2の制御フローを開始する。まず、ステップS1で、外部操作力検知部4が作業者によりロボットアーム1に力が加えられたか否かを判断する。外部操作力検知部4が外部操作力を検知しなかった場合、フローは終了し、再度ステップS1に戻り外部操作力の検知を繰り返す。
After setting the
外部操作力検知部4が外部操作力を検知した場合、ステップS2に進み、外部操作力検知部4はロボットアーム1から取得した外部操作力の情報を外部操作力情報に変換し、位置指令生成部5に伝え、位置指令生成部5が位置指令を作成する。外部操作力情報としてはロボットアーム1の手先への力のベクトル情報やロボットアーム1の各関節軸のトルク情報、ロボットアーム1の各関節軸の指令位置と実際の位置との偏差などが考えられる。位置指令生成部5はこの外部操作力情報を基にロボットアーム1の手先の位置指令を作成する。ここで作成される位置指令としてはロボットアーム1の手先位置に限らず、ロボットアーム1の関節角度やその情報を基にロボットアーム1の機構情報から順運動学計算で算出したロボットアーム1の各部位の位置情報でもよい。
When the external operation force detection unit 4 detects the external operation force, the process proceeds to step S2, where the external operation force detection unit 4 converts the information of the external operation force acquired from the
ステップS2の後、ステップS3に進み、位置指令補正部7が、動作制限領域記憶部6に格納されている動作制限領域10の情報を基に位置指令生成部5が生成した位置指令によってロボットアーム1が動作制限領域10に侵入するか否かを判定する。判定処理の一例として、動作制限領域10がロボット制御装置内の3次元座標系における平面の表側として定義されている場合、位置指令におけるロボットアーム1の制限対象の1点がその平面の表側にある場合に動作制限領域10に侵入していると判定する。
After step S2, the process proceeds to step S3, where the position command correction unit 7 uses the position command generated by the position command generation unit 5 based on the information on the
ステップS3で位置指令補正部7によりそのままの位置指令ではロボットアーム1の手先が動作制限領域10に侵入すると判定されたとき、ステップS4に進み、位置指令補正部7で、位置指令の補正処理を実施した後、逆運動学計算部8に補正した位置指令を伝えステップS5に進む。位置指令補正部7によりロボットアーム1の手先が動作制限領域10に侵入していないと判定された場合にはステップS4の補正処理は実施せず、位置指令補正部7がそのまま逆運動学計算部8に位置指令を伝えステップS5に進む。
If it is determined in step S3 that the hand of the
ステップS5で、逆運動学計算部8が位置指令補正部7からの位置指令からロボットアーム1が有する各関節軸の角度パターンを算出し、角度パターン選択部9は逆運動学計算部8により算出された各関節軸の角度パターンのうち、ロボットアーム1が動作制限領域記憶部6が記憶する動作制限領域に侵入しない各関節軸の角度パターンを選択し、各関節軸の角度パターンに変換された位置指令をロボットアーム1の各関節軸のサーボモータに送信することでロボットアーム1が動作する。
In step S5, the inverse
以上のようなステップS1〜ステップS5の動作により、ロボット制御装置3がロボットアーム1を制御する。
The
次に、本発明の実施の形態1の位置指令補正部7での補正の方法を具体的に説明する。
図3は本発明の実施の形態1の補正処理の概要図である。ここでは3次元平面によってロボットアーム1が存在しない側を動作制限領域10として設定し、ロボットアーム1の手先に対してのみ外部の作業者の手11により力を加える場合を考える。POはロボットアーム1のモータエンコーダから取得した各関節軸の回転角度から算出した実際のロボットアーム1の手先位置、Pdは位置指令生成部5により出力された位置指令、Pmodは位置指令補正部で補正された位置指令を示す。
Next, a method of correction by the position command correction unit 7 according to the first embodiment of the present invention will be specifically described.
FIG. 3 is a schematic diagram of the correction processing according to the first embodiment of the present invention. Here, it is assumed that the side on which the
図4はステップS4で行う位置指令補正部7による位置指令の補正処理の説明図である。Xdは位置指令の動作制限領域10に侵入した成分であり、上記現在のロボットアーム1の手先位置POと位置指令Pdを結んだ線分と、動作制限領域10を定義する平面との交点をPCとしたとき、上記PCから上記Pdへの位置ベクトルが上記Xdである。あらかじめ設定された補正係数α(α≧1)を用いることで、補正後の位置指令は下記式(1)によって算出される。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a position command correction process performed by the position command correction unit 7 in step S4. X d is a component that has entered the operation restricted
によって算出される。
It is calculated by
実際の位置指令補正部7での処理の流れを説明する。図3の例では、位置指令Pdが動作制限領域10内に侵入しているため、ステップS4にて位置指令補正部7が位置指令の補正を行い、動作制限領域10の外になるよう、Pmodに補正する必要がある。
The flow of processing in the actual position command correction unit 7 will be described. In the example of FIG. 3, since the position command Pd has entered the
そこでまずは図4のように、ロボットアーム1の各関節軸のモータエンコーダから取得した各関節軸の回転角度から算出した現在のロボットアーム1の手先位置POと位置指令生成部5から出力されたPdを結ぶ線分と動作制限領域記憶部6に格納されている動作制限領域10を定義する平面との交点PCを算出する。次に算出したPCと上記位置指令Pdを結ぶベクトルXdを算出して、そのXdを動作制限領域10を定義する平面と直交するベクトルXnと平面上のベクトルXtに分解する。上記で算出されたXnとあらかじめ設定された補正係数αから上記式(1)を使用して補正された位置指令Pmod を算出する。図4の例はα=1で計算した場合である。
Therefore, first, as shown in FIG. 4, the current hand position P O of the
上記により算出された補正した位置指令Pmodを位置指令補正部7が逆運動学計算部8に出力する。逆運動学計算部8は位置指令からロボットアーム1が有する各関節軸の角度パターンを算出し、角度パターン選択部9は逆運動学計算部8により算出された各関節軸の角度パターンのうち、ロボットアーム1が動作制限領域記憶部6が記憶する動作制限領域に侵入しない各関節軸の角度パターンを選択し、各関節軸の角度パターンに変換された位置指令をロボットアーム1の各関節軸のサーボモータに送信する。
The position command correction unit 7 outputs the corrected position command P mod calculated as described above to the inverse
このように、各関節軸の角度パターンに変換された位置指令を角度パターン選択部9がロボットアーム1の各関節軸のサーボモータに送信し、あとは通常の位置制御と同様に制御が行われる。
As described above, the angle
なお、図3のように、位置指令Pdが動作制限領域10内に侵入しており、ステップS3でそのままの位置指令Pdではロボットアーム1の手先が動作制限領域10に侵入すると位置指令補正部7により判定されたとき、ステップS4で、位置指令補正部7で、位置指令の補正処理を実施して逆運動学計算部8に補正した位置指令を伝えると同時に、ロボットアーム1に動作制限領域10に侵入する要因を示すアラームを発生させ、動作を停止をすることなく教示動作を継続してもよい。その場合は図5に示すように、ロボット制御装置3にアラーム発生部12を設ける。この場合、ステップS4で、位置指令補正部7で、位置指令の補正処理を実施すると同時に、位置指令補正部7からアラーム発生部12にロボットアーム1の手先が動作制限領域10に侵入するか否かの判定結果を伝える。アラーム発生部12はロボットアーム1の手先が動作制限領域10に侵入するという判定結果を受けた場合、動作制限領域10に侵入する要因を示すアラームを発生させる。
Incidentally, as shown in FIG. 3, the position command P d has entered the
または、位置指令Pdが動作制限領域10内に侵入しており、ステップS3でそのままの位置指令Pdではロボットアーム1の手先が動作制限領域10に侵入すると位置指令補正部7により判定されたとき、動作制限領域10に侵入しないように操作者が力を加えるまでロボットアームの動作を停止させてもよい。
Or has entered the position command P d is the
以上がロボット制御装置3の位置指令の補正方法である。これによりロボットアーム1に動作制限領域10内へ入るような外部操作力を加えても、動作制限領域10内へ移動する指令成分が打ち消されるため、ロボットアーム1は動作制限領域10内へ入ることはなく、動作制限領域10に沿って教示動作を続けることができる。これにより、動作制限領域10内に侵入してロボットアーム1が停止することなく、動作制限領域10付近でスムーズに教示作業を行うことができる。
The above is the method of correcting the position command of the
作業者は直接教示操作によって、目的の教示位置をロボットアーム1に認識させることができた時点で教示作業を完了する。
The operator completes the teaching work when the
以上のようにして、本発明のロボット制御装置3およびロボットシステムによれば、外部操作力情報に基づいて生成された位置指令によりロボットアーム1が動作制限領域10に侵入する場合に、位置指令の動作制限領域10の境界面法線方向の成分を減少させて、補正した位置指令を生成する位置指令補正部7を備え、補正した位置指令からロボットアーム1が有する各関節軸の角度パターンを算出する逆運動学計算部8と、逆運動学計算部8により算出された各関節軸の角度パターンのうち、ロボットアーム1が動作制限領域10に侵入しない各関節軸の角度パターンを選択する角度パターン選択部9を備えるので、ロボットアーム1の手先位置および手先位置以外の部位についても、教示作業時に動作制限領域10へ侵入することを防ぐことができる。
As described above, according to the
1 ロボットアーム
2 センサ
3 ロボット制御装置
4 外部操作力検知部
5 位置指令生成部
6 動作制限領域記憶部
7 位置指令補正部
8 逆運動学計算部
9 角度パターン選択部
10 動作制限領域
11 手
12 アラーム発生部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ロボットアームを侵入させない領域である動作制限領域を記憶する動作制限領域記憶部と、
前記外部操作力検知部が検知した前記外部操作力の情報から、前記手先の移動先の位置を指示する位置指令を生成する位置指令生成部と、
前記位置指令により前記手先が前記動作制限領域に侵入する場合、前記位置指令の前記動作制限領域の方向の成分を減少させて前記位置指令を補正する位置指令補正部と、
補正された前記位置指令から前記ロボットアームが有する各関節軸の角度パターンを算出する逆運動学計算部と、
前記逆運動学計算部により算出された前記各関節軸の角度パターンのうち、前記ロボットアームが前記動作制限領域に侵入しない前記各関節軸の角度パターンを選択する角度パターン選択部と
を備えるロボット制御装置。 An external operation force detection unit that detects an external operation force applied to the hand of the robot arm,
An operation restriction area storage unit that stores an operation restriction area that is an area where the robot arm does not enter,
From the information of the external operation force detected by the external operation force detection unit, a position command generation unit that generates a position command that indicates the position of the destination of the hand,
When the hand enters the operation restriction area by the position command, a position command correction unit that corrects the position command by reducing a component in the direction of the operation restriction area of the position command,
An inverse kinematics calculation unit that calculates an angle pattern of each joint axis of the robot arm from the corrected position command;
A robot pattern control unit comprising: an angle pattern selection unit that selects an angle pattern of each joint axis in which the robot arm does not intrude into the operation restriction area from among the angle patterns of each joint axis calculated by the inverse kinematics calculation unit. apparatus.
請求項1に記載のロボット制御装置。 The angle pattern selection unit, when there are a plurality of angle patterns of the respective joint axes in which the robot arm does not enter the operation restriction area, selects the angle pattern with the smallest change in the angle of each joint axis. The robot control device according to claim 1, wherein:
前記位置指令補正部は、前記位置指令生成部が生成した前記位置指令が前記動作制限領域内に侵入すると判断しても、前記アラーム発生部に判断結果の情報と伝えると共に、前記位置指令を補正して前記ロボットアームの動作を継続する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のロボット制御装置。 Further comprising an alarm generating unit that generates an alarm indicating a factor that enters the operation restriction area,
Even if the position command correction unit determines that the position command generated by the position command generation unit enters the operation restriction area, the position command correction unit notifies the alarm generation unit of information of the determination result and corrects the position command. The robot control device according to claim 1, wherein the operation of the robot arm is continued as a result.
前記ロボットアームに設置され、前記外部操作力を検知して前記外部操作力検知部へ伝達するセンサと、
請求項1または2に記載のロボット制御装置と、を備えるロボットシステム。 Said robot arm,
A sensor installed on the robot arm for detecting the external operation force and transmitting the external operation force to the external operation force detection unit;
A robot system comprising: the robot control device according to claim 1.
前記ロボットアームに設置され、前記外部操作力を検知して前記外部操作力検知部へ伝達するセンサと、
請求項3に記載のロボット制御装置と、を備えるロボットシステム。 Said robot arm,
A sensor installed on the robot arm for detecting the external operation force and transmitting the external operation force to the external operation force detection unit;
A robot system comprising: the robot control device according to claim 3.
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