JP2021041511A

JP2021041511A - ロボットハンドの動作教示装置

Info

Publication number: JP2021041511A
Application number: JP2019167181A
Authority: JP
Inventors: 俊孝鈴木; Toshitaka Suzuki; 大介由井; Daisuke Yui
Original assignee: Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Wave Inc
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2021-03-18

Abstract

【課題】３本以上の指を有するロボットハンドの動作をユーザが教示する際に、各指がワークに加える力も考慮して容易に教示できるロボットハンドの動作教示装置を提供する。【解決手段】動作教示装置２は、３本以上の指を有するロボットハンド１を動作の教示対象とし、ユーザはディスプレイ５に表示される画面上でポインティングデバイスを用いて入力操作を行う。パソコン３はディスプレイ５に、各指の動作の始点と終点とを時間軸上でそれぞれ棒状のトラックとして表示させて設定すると共に、各指に対応するサーボモータにより発生させるトルク制限値を、前記時間軸上でその時間軸に対して二次元的に表示させて設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、３本以上の指を有するロボットハンドの動作をユーザが教示する際に使用する装置に関する。

近年、人と協働するロボットが普及するのに伴い、ロボットのハンドにも人の手と同様な自由度が求められ、３本以上の指を有するロボットハンドの需要が高くなることが予想される。しかしながら、ロボットハンドの自由度が高くなると、その動作を教示するのが難しくなる。特に、１回の動作について、複数の指の動作タイミングをプログラム上で教示するのは手間がかかる。例えば特許文献１には、実機を使用してモーション・データの任意の範囲を再生した際に、機体上に設置された各センサからのセンサ情報をモーション編集システムに転送し、その編集システム上で、モーション再生中に取得されたセンサ情報に基づきロボットの動作を評価する装置が開示されている。

特開２００４−１４８４９２号公報

しかしながら、特許文献１は人型ロボットの動作を対象としている。一方、複数の指を有するロボットハンドが取り扱うワークは、比較的繊細なものが多くなると考えられる。その場合、ハンドの各指がワークに加える力も制御する必要があるが、特許文献１ではその点は考慮されていない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、３本以上の指を有するロボットハンドの動作をユーザが教示する際に、各指がワークに加える力も考慮して容易に教示できるロボットハンドの動作教示装置を提供することにある。

請求項１記載のロボットハンドの動作教示装置によれば、３本以上の指を有するロボットハンドを動作の教示対象とし、ユーザは表示部に表示される画面上でポインティングデバイスを用いて入力操作を行う。表示制御部は表示部に、各指の動作の始点と終点とを時間軸上でそれぞれ棒状に表示させて設定可能にすると共に、各指に対応するアクチュエータにより発生させるトルク量を、前記時間軸に対して二次元的に表示させて設定する。

ここで「時間軸に対して二次元的に表示」とは、例えば時間軸がＸ軸方向に伸縮するように表示されるとすれば、トルク量をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に伸縮するように表示させることを意味する。このように構成すれば、ユーザは、各指の動作の始点と終点とが時間軸上で表示されることで、各指が動作する際の時間経過の関係を容易に把握しながら設定することができる。また、各指に発生させるトルク量についても時間軸に対して二次元的に表示されるので、ユーザはそれらを容易に把握しながら設定できる。

請求項２記載のロボットハンドの動作教示装置によれば、指の動作について棒状に表示させるものを動作表示バーとして、表示制御部は、トルク量を動作表示バーの内部に重ねて表示する。このように構成すれば、表示をコンパクトに行うことができる。

請求項３記載のロボットハンドの動作教示装置によれば、表示制御部は、トルク量を、各指の２以上の関節に対応するアクチュエータ毎に設定可能とする。そして、アクチュエータ毎にトルク量を設定する際には、トルク量を動作表示バーとは別個に表示する。このように構成すれば、ユーザは、２以上の関節毎に発生させるトルク量を個別に容易に把握しながら設定できる。

請求項４記載のロボットハンドの動作教示装置によれば、表示制御部は、各アクチュエータについて予め定められている速度関数に基づいて取得される加速時間，最大速度継続時間及び減速時間より、それぞれのアクチュエータが動作するのに必要な最小時間を求める。そして、ユーザにより設定された動作表示バーの時間幅が最小時間未満であれば、表示部にエラーメッセージを表示させる。このように構成すれば、ユーザは、各アクチュエータの仕様に応じて設定可能な範囲内で動作表示バーの時間幅を設定できる。

一実施形態であり、ディスプレイ上でロボットハンドの各指の動作時間を画面の表示させた一例を示す図（その１）ディスプレイ上でロボットハンドの各指の動作時間を画面の表示させた一例を示す図（その２）指３に関節が２つある場合に、それぞれに対応するサーボモータの動作時間及びトルク制限値を個別に表示させた一例を示す図動作教示装置を含むシステム構成を示す機能ブロック図図６及び図７に示す処理で使用されている各パラメータを説明する図各指のトラック幅を決定する処理を示すフローチャート各指のトルク制限値を決定する処理を示すフローチャート各指のトラック最小幅を決定する処理を示すフローチャートサーボモータが動作する際の速度関数及び移動最小時間を計算する式を示す図ユーザがＧＵＩ上でトラック幅を設定する操作を行った場合の画面の表示例を示す図図１０に示す操作が行われた際に実行される処理を示すフローチャート

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態の動作教示装置は、図１に示すように、３本以上の指を有するロボットハンド１を教示対象とする。人間の掌に相当する矩形状の掌部Ｐと、掌部Ｐの一方の辺側から延びる２本の指Ｆ１及びＦ３と、前記の辺に対向する辺側から延びる指Ｆ２とを有している。各指Ｆ１〜Ｆ３は、根本の部分が掌部Ｐに連結されている第１関節部Ｊ１と、指の途中部分の関節である第２関節部Ｊ２とを備えている。ロボットハンド１は、関節部Ｊ１，Ｊ２を構成するサーボモータが駆動されることで、３本の指Ｆ１〜Ｆ３を開いた状態の開始姿勢と閉じた状態の目標姿勢との間で変位させるように動作する。

図４に示すように、本実施形態の動作教示装置２は、パーソナルコンピュータ３上で動作するアプリケーションプログラムの機能として実現される。動作教示装置１は、ユーザの操作により入力された動作教示データをロボットコントローラ４に与える。ロボットコントローラ４は、与えられた動作教示データに応じて、指Ｆ１〜ＦＭの関節部Ｊを構成するサーボモータに対して、それぞれ位置指令値及びトルク制限値を出力する。サーボモータはアクチュエータに相当する。尚、図４では、Ｍを「３」以上の自然数として拡張した状態で示している。また、指を構成する関節の数も「３」以上であっても良い。

図１には、ロボットハンド１の教示を行う際に、パソコン３を構成するディスプレイ５に表示される画面を示している。図中の指１〜指３が指Ｆ１〜Ｆ３に対応しており、それぞれを「トラック」と称する。トラックは動作表示バーに相当する。横軸が時間軸［Ｓｅｃ］，タイムラインである。トラックは、ロボットハンド１が１回のＭｏｖｅ動作を行う際に、指Ｆ１〜Ｆ３の動作が始点の開始姿勢から終点に至るまでの時間を示す。図１の場合は、各指Ｆ１〜Ｆ３が何れも、始点から５秒後に終点の目標姿勢に至ることを示している。尚、図１に示す画面表示をＧＵＩ（Graphical User Interface）と称すことがある。パソコン３は表示制御部に相当し、ディスプレイ５は表示部に相当する。

また、図２に示す場合は、０秒から１秒経過までは指Ｆ２だけが始点から途中姿勢まで動作し、指Ｆ３は１秒経過時から、指Ｆ１は３秒経過時からそれぞれ動作を開始する。そして、指Ｆ１は５．５秒経過時に終点に至り、指Ｆ２及びＦ３は６秒経過時に終点に至ることで、最終的に目標姿勢となる。

これらのタイムライン上における各指Ｆ１〜Ｆ３の動作タイミング，つまりトラックの設定は、例えば画面上に表示されるカーソルをマウスでクリックすることで設定したり、キーボードから数値を入力して行う。また、パソコン３が携帯可能なタブレットである場合は、ディスプレイ５をタッチパネルで構成し、ユーザが指でタッチして設定を行っても良い。尚、トラックは、特許請求の範囲における「表示バー」に相当する。

また、図３は、各指Ｆ１〜Ｆ３の動作と共に、トルク制限値を設定した場合を示す。それぞれのトラック内にハッチングで示すように、指Ｆ１はトルク１００％，指Ｆ２はトルク５０％に設定されている。指Ｆ３については、関節部Ｊ１，Ｊ２に対応するサーボモータ３１，３２についてそれぞれトルク制限値を７０％，１０％に設定している。トルク制限値の設定は、例えばマウスにより画面上に表示されるカーソルを、対応するトラックの内部で上下させて設定する。すなわち、トラックが時間軸である横軸方向に伸縮する表示となるのに対し、トルク量は縦軸方向に伸縮する表示となることで、二次元的な表示形態となっている。

また、このように、指Ｆ３のトラックの高さ幅，つまり縦軸方向の長さよりも、サーボモータ３１，３２を示す表示の高さ幅を若干短くすることで、サーボモータ３１，３２が指Ｆ３に属するものであることを、ユーザが容易に把握できるようにしている。但し、双方の高さ幅の関係は、この表示形態に限らない。
尚、上述のように、ユーザがタッチパネルを指でタッチして設定を行う場合には、２本の指により横方向，縦方向を並行してドラッグ操作を行うことで、トラック及びトルク量の設定を同時に行っても良い。

次に、図１から図３のように画面を表示させる処理について説明する。図６は、各指のトラック幅を決定する処理を示すフローチャートである。以下に用語の定義を示す。
ＭＯＶＥ_Ｌ：Ｌ番目の動作命令
Ｆｉｎｇｅｒ_Ｌｍ：Ｌ番目の動作命令におけるｍ番目の指
Ｔｉｍｅ_{ｓｔａｒｔ}：指の動作開始時刻
Ｔｉｍｅ_ｅｎｄ：指の動作終了時刻
Ｓｅｒｖｏ_Ｌｍｉ：Ｌ番目の動作命令におけるｍ番目の指のｉ番目のサーボモータ
Ｔｉｍｅ_{ｓｔａｒｔ} ｏｆＳｅｒｖｏ_Ｌｍｉ：サーボモータの動作開始時刻
Ｔｉｍｅ_ｅｎｄｏｆＳｅｒｖｏ_Ｌｍｉ：サーボモータの動作終了時刻
Ｗｉｄｔｈ_（Ｌｍ）：Ｌ番目の動作命令におけるｍ番目の指のトラック幅

ステップＳ１〜Ｓ１１間で、Ｌ番目の動作命令について変数ｍをインクリメントしながら、指の最大本数Ｍに達するまでループを回す。ステップＳ２では、動作Ｌのｍ番目の指を構成するサーボモータ１の動作開始時刻を指の動作開始時刻の初期値とし、ステップＳ３では、同指を構成するサーボモータ１の動作終了時刻を指の動作終了時刻の初期値とする。

ステップＳ４〜Ｓ９間で、動作Ｌのｍ番目の指を構成するサーボモータについて変数ｉをインクリメントしながら、その最大数Ｉに達するまでループを回す。ステップＳ５では条件式１により、Ｓｅｒｖｏ_Ｌｍｉの動作開始時刻が指の動作開始時刻以下か否かを判断する。
Ｔｉｍｅ_{ｓｔａｒｔ} ｏｆＳｅｒｖｏ_Ｌｍｉ≦Ｔｉｍｅ_{ｓｔａｒｔ}
…［条件式１］
ここで「Ｔｒｕｅ」と判断すると、Ｓｅｒｖｏ_Ｌｍｉの動作開始時刻が指の動作開始時刻となる（Ｓ６）。動作Ｌは省略するが、例えば図５に示す指Ｆ３のケースでは、Ｓｅｒｖｏ_３１の動作開始時刻よりもＳｅｒｖｏ_３２の動作開始時刻が早いので、指の動作開始時刻がステップＳ６で決まる。

ステップＳ５で「Ｆａｌｓｅ」と判断するとステップＳ７に移行し、条件式２により、Ｓｅｒｖｏ_Ｌｍｉの動作終了時刻が指の動作終了時刻以上か否かを判断する。
Ｔｉｍｅ_ｅｎｄｏｆＳｅｒｖｏ_Ｌｍｉ≧Ｔｉｍｅ_ｅｎｄ …［条件式２］
ここで「Ｔｒｕｅ」と判断すると、Ｓｅｒｖｏ_Ｌｍｉの動作終了時刻が指の動作終了時刻となる（Ｓ８）。図５に示すケースでは、Ｓｅｒｖｏ_３１の動作終了時刻よりもＳｅｒｖｏ_３２の動作終了時刻が早いので、指の動作終了時刻はステップＳ３の初期値となる。
ステップＳ４〜Ｓ９間のループを抜けると、Ｔｉｍｅ_ｅｎｄ，Ｔｉｍｅ_{ｓｔａｒｔ}の減算結果が指のトラック幅Ｗｉｄｔｈとなる（Ｓ１０）。

図７は、トルク制限値を決定する処理を示すフローチャートである。ステップＳ２１〜Ｓ２６間で、Ｌ番目の動作命令について変数ｍをインクリメントしながら、指の最大本数Ｍに達するまでループを回す。また、ステップＳ２２〜Ｓ２５間で、動作Ｌのｍ番目の指を構成するサーボモータについて変数ｉをインクリメントしながら、その最大数Ｉに達するまでループを回す。

図５に示すＧＵＩにおいて、ユーザが設定したＳｅｒｖｏ_Ｌｍｉのトルク出力をハッチングで示している高さをＨｅｉｇｈｔ，その最大値をＨｅｉｇｈｔ_ｍａｘとする。ステップＳ２３では、それらの比をＴｏｒｑｕｅ_{ｐｅｒｃｅｎｔ}として求め、続くステップＳ２４では、出力トルクの最大値Ｔｏｒｑｕｅ_ｍａｘに、Ｔｏｒｑｕｅ_{ｐｅｒｃｅｎｔ}を乗じた値をトルク制限値として求める。トルク制限値は、コントローラ４がＳｅｒｖｏ_Ｌｍｉを制御する際に使用される。

図８は、トラック最小幅を決定する処理を示すフローチャートである。ステップＳ３１〜Ｓ４１間で、Ｌ番目の動作命令について変数ｍをインクリメントしながら、指の最大本数Ｍに達するまでループを回す。また、ステップＳ３２〜Ｓ４０間で、動作Ｌのｍ番目の指を構成するサーボモータについて変数ｉをインクリメントしながら、その最大数Ｉに達するまでループを回す。

ステップＳ３３において、Ｓｅｒｖｏ_Ｌｍｉの現在位置を取得すると、ＭＯＶＥ_Ｌの情報，すなわちトラック幅からＳｅｒｖｏ_Ｌｍｉの目標位置を取得する（Ｓ３４）。続いて、Ｓｅｒｖｏ_Ｌｍｉの速度生成パターンを取得する（Ｓ３５）。速度生成パターンは、図９に速度関数Ｖｅｌｏｃｉｔｙ（ｔ）として示している。また、速度生成パターンに付随する最大速度ｖｅｌ_ｍａｘ及び最大加速度α_ｍａｘと、ステップＳ２４で求めたトルク制限値を取得する（Ｓ３６，Ｓ３７）。

次に、動作に必要な最小時間Ｔｉｍｅ_ｍｉｎを、［計算式１］により計算する（Ｓ３８）。
Ｔｉｍｅ_ｍｉｎ＝Ｔｉｍｅ_ａｃｃ＋Ｔｉｍｅ_{ｖｅｌＭａｘ}＋Ｔｉｍｅ_ｄｅｃ
…［計算式１］
Ｔｉｍｅ_ａｃｃ：速度関数Ｖｅｌｏｃｔｙ（ｔ）で決まる加速時間
Ｔｉｍｅ_{ｖｅｌＭａｘ}：同最大速度の継続時間
Ｔｉｍｅ_ｄｅｃ：同減速時間
そして、最小時間Ｔｉｍｅ_ｍｉｎをＳｅｒｖｏ_Ｌｍｉの最小トラック幅に設定する（Ｓ３９）。

図１１は、ユーザが図１０に示すように、ポインティングデバイスによってＧＵＩ上のトラック幅を操作した際に実行される処理を示すフローチャートである。先ず、ユーザによる操作後のＳｅｒｖｏ_Ｌｍｉのトラック幅を取得すると（Ｓ５１）、そのトラック幅がステップＳ３９で設定された最小トラック幅より小さいか否かを判断する（Ｓ５２）。ここで、最小トラック幅以上であれば（Ｆａｌｓｅ）処理を終了するが、最小トラック幅未満であれば（Ｔｒｕｅ）、設定可能な最小幅未満である旨を報知するエラーメッセージをディスプレイ５に表示させる（Ｓ５３）。そして、Ｓｅｒｖｏ_Ｌｍｉのトラック幅を、ユーザによる操作前のトラック幅に戻してから（Ｓ５４）処理を終了する。

以上のように本実施形態によれば、動作教示装置２は、３本以上の指を有するロボットハンド１を動作の教示対象とし、ユーザはディスプレイ５に表示される画面上でポインティングデバイスを用いて入力操作を行う。パソコン３はディスプレイ５に、各指の動作の始点と終点とを時間軸上でそれぞれ棒状のトラックとして表示させて設定すると共に、各指に対応するサーボモータにより発生させるトルク制限値を、前記時間軸上でその時間軸に対して二次元的に表示させて設定する。

このように構成すれば、ユーザは、各指の動作の始点と終点とが時間軸上で表示されることで、各指が動作する際の時間経過の関係を容易に把握しながら設定することができる。また、各指に発生させるトルク制限値についても時間軸に対して二次元的に表示されるので、ユーザはそれらを容易に把握しながら設定できる。また、パソコン３は、トルク制限値をトラックの内部に重ねて表示するので、表示をコンパクトに行うことができる。

また、パソコン３は、トルク制限値を、各指の２以上の関節に対応するサーボモータ毎に設定可能とし、サーボモータ毎にトルク制限値を設定する際には、トルク制限値をトラックとは別個に表示する。これにより、ユーザは、２以上の関節毎に発生させるトルク制限値を個別に容易に把握しながら設定できる。

更にパソコン３は、各サーボモータについて予め定められている速度関数に基づいて取得される加速時間，最大速度継続時間および減速時間よりそれぞれのサーボモータが動作するのに必要な最小時間を求め、ユーザにより設定されたトラックの時間幅が最小時間未満であれば、ディスプレイ５にエラーメッセージを表示させる。このように構成すれば、ユーザは、各アクチュエータの仕様に応じて設定可能な範囲内でトラックの時間幅を設定できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
指の数は「４」以上でも良い。
ＧＵＩの表示形態は、図示したものに限らない。例えば、図３において、トラック内にハッチングで示している領域の境界となる線の太さを、トラックの枠線の太さと同等にしても良い。また、境界線と枠線との太さの関係を逆にしても良い。

図面中、１はロボットハンド、２は動作教示装置、３はパーソナルコンピュータ、４はロボットコントローラ、５はディスプレイを示す。

Claims

３本以上の指を有するロボットハンドを動作の教示対象として、ユーザが表示部に表示される画面上でポインティングデバイスを用いて入力操作を行うもので、
各指の動作の始点と終点とを時間軸上でそれぞれ棒状に表示させて設定可能にすると共に、各指に対応するアクチュエータにより発生させるトルク量を、前記時間軸に対して二次元的に表示させることで設定可能とした表示制御部を備えるロボットハンドの動作教示装置。
前記指の動作について棒状に表示させる画像を動作表示バーとすると、
前記表示制御部は、前記トルク量を、前記動作表示バーの内部に重ねて表示する請求項１記載のロボットハンドの動作教示装置。
前記表示制御部は、前記トルク量を、各指の２以上の関節に対応するアクチュエータ毎に設定可能とし、
前記関節に対応するアクチュエータ毎にトルク量を設定する際には、前記トルク量を、前記動作表示バーとは別個に表示する請求項１又は２記載のロボットハンドの動作教示装置。
前記指の動作について棒状に表示させる画像を動作表示バーとすると、
前記表示制御部は、各アクチュエータについて予め定められている速度関数に基づいて取得される加速時間，最大速度継続時間および減速時間よりそれぞれのアクチュエータが動作するのに必要な最小時間を求め、
ユーザの入力操作により設定された動作表示バーの時間幅が前記最小時間未満であれば、前記表示部にエラーメッセージを表示させる請求項１から３の何れか一項に記載のロボットハンドの動作教示装置。