JP2021146431A - ロボットの制御方法及びロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ダイレクト教示における作業を簡単にできるロボットの制御方法を提供する。【解決手段】マニピュレーター、及びマニピュレーターに作用する外力を互いに直交する３つの検出軸において検出する力検出器を備えるロボットの制御方法において、力検出器によって外力の方向を検出し、外力の方向に基づいて、外力に応じたマニピュレーターに設定されるツールセンターポイントの運動の自由度を制限する。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの制御方法及びロボットシステムに関する。

従来、特許文献１に示すように、作業者がロボットに直接力を加えて教示するダイレクト教示において、ロボットに並進移動、または回転移動させるかの移動方法の設定を切り替える技術が知られている。

特開２０１２−１５７９４６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるダイレクト教示では、移動方法の設定を切り替えるためには、スイッチのような操作部に対する操作が必要となるので、作業が煩雑になる問題があった。

一態様は、マニピュレーター及び前記マニピュレーターに作用する外力を互いに直交する３つの検出軸において検出する力検出器を備えるロボットの制御方法であって、前記力検出器によって前記外力の方向を検出し、前記外力の方向に基づいて、前記外力に応じた前記マニピュレーターに設定されるツールセンターポイントの運動を１自由度に制限することを含むロボットの制御方法である。

他の一態様は、マニピュレーター及び前記マニピュレーターに作用する外力を互いに直交する３つの検出軸によって検出する力検出器を備えたロボットの制御方法であって、前記力検出器によって前記外力の方向を検出し、前記外力の方向に基づいて、前記外力に応じた前記マニピュレーターに設定されるツールセンターポイントの運動を２自由度に制限することを含むロボットの制御方法である。

他の一態様は、マニピュレーター及び前記マニピュレーターに作用する外力を互いに直交する３つの検出軸において検出する力検出器を備えるロボットと、前記力検出器によって前記外力の方向を検出し、前記外力の方向に基づいて、前記外力に応じた前記マニピュレーターに設定されるツールセンターポイントの運動を１自由度に制限する制御装置と、を備えるロボットシステムである。

他の一態様は、マニピュレーター及び前記マニピュレーターに作用する外力を互いに直交する３つの検出軸によって検出する力検出器を備えるロボットと、前記力検出器によって前記外力の方向を検出し、前記外力の方向に基づいて、前記外力に応じた前記マニピュレーターに設定されるツールセンターポイントの運動を２自由度に制限する制御装置と、を備えるロボットシステムである。

ロボットシステムの概略構成を説明する斜視図。 力を検出する装置の一例を説明する図。 制御装置の一例を説明するブロック図。 制御装置を説明する機能ブロック図。 ベクトルを使って１自由度制限を判断する一例を説明する図。 力成分の割合を使って１自由度制限を判断する一例を説明する図。 ベクトルを使って２自由度制限を判断する一例を説明する図。 力成分の割合を使って２自由度制限を判断する一例を説明する図。 動作制限方向を決定するフローチャート。 動作制限方向を決定するフローチャート。 ロボットシステムの他の実施形態の概略構成を説明する斜視図。 他の実施形態において動作制限方向を決定するフローチャート。 他の実施形態において動作制限方向を決定するフローチャート。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。図面において、同一又は類似の要素には同一又は類似の符号がそれぞれ付され、重複する説明は省略される。

図１に示すように、本実施形態に係るロボットシステム１００は、例えば、ロボット１、制御装置４０及び教示装置４５を備える。ロボット１は、マニピュレーター１０、マニピュレーター１０を支持するベース１１、エンドエフェクター２０及び力検出器３０を備える。ロボット１として、例えば、教示装置４５の教示により各種作業が可能な汎用ロボットが採用され得る。

マニピュレーター１０は、例えば複数の相互連結されたリンク及び関節を有することにより複数自由度で運動するロボティックアームである。図１に示す例において、マニピュレーター１０は、６つの関節Ｊ１〜Ｊ６を備える６軸アームである。図１に示す例において、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。エンドエフェクター２０は、例えば、スクリュードライバー、グリッパー、グラインダー等のツールである。エンドエフェクター２０は、例えば、ねじ締め、把持、加工等の種々の作業を行う。エンドエフェクター２０は、マニピュレーター１０の先端部において、メカニカルインターフェイスを介して関節Ｊ６に装着される。マニピュレーター１０は、制御装置４０に駆動されることにより、エンドエフェクター２０の位置及び姿勢を決定する。

マニピュレーター１０は、例えば、先端近傍の所定位置において、エンドエフェクター２０の位置の基準であるツールセンターポイント（ＴＣＰ）を設定される。ＴＣＰは任意に設定可能であり、例えば、関節Ｊ６の回転軸上に設定される。エンドエフェクター２０としてグリッパーが使用される場合には、グリッパーの中心をＴＣＰとして設定可能である。なお、本実施形態において、マニピュレーター１０は、６自由度を有するが、例示である。マニピュレーター１０は、ＴＣＰの運動を３自由度以上で実現可能なロボットであれば、どのような関節機構を有してもよい。ベース１１は、マニピュレーター１０の第１リンク、即ち、最もベース１１に近い１つのリンクを位置決めする。

力検出器３０は、例えばエンドエフェクター２０を介して、マニピュレーター１０に作用する外力を互いに直交する３つの検出軸において検出する力覚センサーである。より詳細には、力検出器３０は、固有の３次元直交座標系である力検出器座標系において、ＴＣＰに作用する３つの検出軸の力及び３つの検出軸回りのトルクを計測する。図１に示す例において、力検出器３０はマニピュレーター１０の先端に取り付けられているが、ロボット１の他の箇所に取り付けられてもよい。

図２に示すように、力検出器３０は、一例として、ケース３１と、ケース３１に接続される基板収容部材３１ｅと、基板収容部材３１ｅに接続される接続部材３１ｄと、ケース３１内に収容される１つ以上のセンサーデバイス３２とを有する。ケース３１は、例えば、上面として円形の第１取付面３１ａ、底面として円形の第２取付面３１ｂ、及び、上面と底面を繋ぐ円筒状の側壁部３１ｃにより円柱形を成す。これらは一体型の構造をとってもよい。例えば、第２取付面３１ｂがマニピュレーター１０の先端に取り付けられ、エンドエフェクター２０が第１取付面３１ａに取り付けられる。力覚センサーの形状は限定されず、直方体や他角柱であってもよい。

第１取付面３１ａ、第２取付面３１ｂ、側壁部３１ｃ及び接続部材３１ｄの構成材料は、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼などの金属材料、セラミックス等が挙げられる。また、これらはすべて同一または同種の材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。

センサーデバイス３２は、１又は複数の素子により、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の３つの検出軸のそれぞれに沿う方向の並進力成分と、３つの検出軸回りの力のモーメント（トルク）を検出する。センサーデバイス３２は、例えば、水晶圧電方式である。水晶圧電方式を採用することにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等において優れた特性を有する力検出器３０が実現される。

図１に示すｘｙｚ座標系は、ロボット１が配置される床面に対して設定されるワールド座標系である。ワールド座標系は、水平面に沿って互いに直交するｘ軸及び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。ｚ軸における負の方向は概ね重力方向と一致する。ｘ軸回りの回転角をＲｘで表し、ｙ軸回りの回転角をＲｙで表し、ｚ軸回りの回転角をＲｚで表す。ｘ，ｙ，ｚ軸の座標により３次元空間における任意の位置を表現でき、回転角Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚにより３次元空間における任意の姿勢を表現できる。エンドエフェクター２０、マニピュレーター１０、ベース１１等の位置及び姿勢は、ワールド座標系において定義され得る。以下において「位置」は、ポーズ、即ち位置及び姿勢を意味する場合がある。同様に、以下において「力」は、負荷、即ち力及びトルクを意味する場合がある。制御装置４０は、マニピュレーター１０を駆動することによってワールド座標系におけるＴＣＰの位置を制御する。

制御装置４０は、例えば、力検出器３０によって、マニピュレーター１０に作用する外力の方向を検出し、外力の方向に基づいて、外力に応じたＴＣＰの運動を１自由度に制限する。例えば、ワールド座標系のｘ軸に沿う外力が人によってＴＣＰに作用する場合、制御装置４０は、ワールド座標系のｘ軸のみに沿ってＴＣＰが運動するようにマニピュレーター１０を制御する。

制御装置４０は、外力の方向に基づいて、外力に応じたＴＣＰの運動を２自由度に制限してもよい。例えば、ワールド座標系のｘ軸及びｙ軸に平行なｘｙ平面に沿う外力が人によってＴＣＰに作用する場合、制御装置４０は、ｘｙ平面に沿ってＴＣＰが運動するようにマニピュレーター１０を制御する。或いは、制御装置４０は、ＴＣＰの位置を変化させずに姿勢のみを変化させるようにマニピュレーター１０を制御してもよい。

図３に示すように、制御装置４０は、コンピューターシステムを構成するプロセッサー４０ａ及びメモリー４０ｂを備える。制御装置４０は、例えば汎用のコンピューターによって構成可能である。プロセッサー４０ａは、制御プログラムに応じた指令を実行することによりロボット１を制御する。プロセッサー４０ａは、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）等の処理回路を有する。メモリー４０ｂは、ロボット１の制御に必要なプログラムや各種データ等を記憶する、コンピューターにより読み取り可能な記憶媒体である。メモリー４０ｂは、例えばランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリー（ＲＯＭ）等である。制御装置４０の構成要素の一部又は全部は、ロボット１の筐体の内側に配置されてもよい。

図１に示すように、制御装置４０は、通信リンクを介してロボット１及び教示装置４５とそれぞれ通信する。通信リンクは、有線、無線のいずれであってもよく、有線及び無線の組み合わせであってもよい。制御装置４０は、エンドエフェクター２０を制御し得る。例えば、エンドエフェクター２０がグリッパーである場合、制御装置４０は、エンドエフェクター２０を駆動することにより物体の把持を行うことができる。また、制御装置４０は、力検出器３０が取得した値に基づいて、ＴＣＰに加えられている力を取得する。

制御装置４０は、複数のプロセッサーにより構成されてもよい。即ち、図３に示す例において、制御装置４０は、ネットワーク４５０を介して制御装置４０に接続されたパーソナルコンピューター（ＰＣ）４００，４１０と、サービスサーバーであるクラウド５００と共に、ロボット１を制御する制御装置を構成可能である。ＰＣ４００は、プロセッサー４００ａ及びメモリー４００ｂを備え、ＰＣ４１０は、プロセッサー４１０ａ及びメモリー４１０ｂを備える。クラウド５００は、プロセッサー５００ａ及びメモリー５００ｂを備える。制御装置４０は、プロセッサー４００ａ，４１０ａ，５００ａ及びメモリー４００ｂ，４１０ｂ，５００ｂ等の他の装置のハードウェア資源を利用して、ロボット１を制御する制御装置を実現してもよい。

教示装置４５は、制御装置４０を介してロボット１にプログラムを教示するコンピューターである。教示装置４５は、教示ペンダント等の専用のコンピューターであってもよく、ロボット１を教示する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。教示装置４５は、制御装置４０と別個の筐体を備えてもよく、制御装置４０とハードウェア資源を共有してもよい。

図４に示すように、マニピュレーター１０の関節Ｊ１〜Ｊ６は、アクチュエーターとしてのモーターＭ１〜Ｍ６と、角度センサーとしてのエンコーダーＥ１〜Ｅ６とをそれぞれ備える。モーターＭ１〜Ｍ６は、制御装置４０の制御によりそれぞれ駆動され、関節Ｊ１〜Ｊ６をそれぞれ回転させる。エンコーダーＥ１〜Ｅ６は、モーターＭ１〜Ｍ６の回転角を検出し、制御装置４０に出力する。

図４に示すように、制御装置４０は、力制御部４１と、位置制御部４２と、指令統合部４３とを論理構造として有する。力制御部４１、位置制御部４２及び指令統合部４３は、制御装置４０が予めインストールされた制御プログラムを実行することにより実現される。力制御部４１、位置制御部４２及び指令統合部４３は、それぞれ複数の処理回路により構成されてもよく、互いに一体の処理回路により構成されてもよい。

制御装置４０は、予め記憶する対応関係に基づいて、モーターＭ１〜Ｍ６の各回転角の組み合わせと、ワールド座標系におけるＴＣＰの位置との間を双方向に変換する第１変換部Ｕ１を有する。例えば、第１変換部Ｕ１は、ワールド座標系における位置Ｓを、モーターＭ１〜Ｍ６の各回転角Ｄａに変換する。位置Ｓは、ワールド座標系を規定する６軸（ｘ，ｙ，ｚ，Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ）における位置及び姿勢を表し得る。制御装置４０がモーターＭ１〜Ｍ６に出力する制御信号は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）された信号である。

制御装置４０は、ワールド座標系におけるＴＣＰの位置Ｓ毎のセンサー座標系の姿勢を示す対応関係に基づいて、力検出器３０により検出される信号をワールド座標系における力ｆ_Spに変換する第２変換部Ｕ２を有する。第２変換部Ｕ２は、力ｆ_Spの力成分と、ＴＣＰから力検出器３０までの距離から、力ｆ_Spのトルク成分を算出してもよい。

力制御部４１は、目標力算出部４１ａ、力検出部４１ｂ、動作制限決定部４１ｃ及び力制御補正量算出部４１ｄを論理構造として有する。力制御部４１は、ＴＣＰに作用する外力ｆ_Sを所定の目標力ｆ_Stに制御するための機能を有する。具体的には、力制御部４１は、動作制限コマンドＬ１に沿って、外力ｆ_Sを目標力ｆ_Stにするように目標位置を補正する力制御補正量ΔＳを算出し、指令統合部４３に出力する。

目標力算出部４１ａは、例えば教示装置４５の教示に応じて制御装置４０が記憶したコマンドＣ１に基づいて、目標力ｆ_Stを算出する。目標力算出部４１ａは、ダイレクト教示をする場合は、作業者がマニピュレーター１０の先端に取り付けられたエンドエフェクター２０を把持し、エンドエフェクター２０に力を加えるため、マニピュレーター１０のＴＣＰに加えられる力を０にする倣い制御を実行するための目標力ｆ_Stを算出する。

力検出部４１ｂは、力検出器３０によって、ＴＣＰに作用する外力ｆ_Sを互いに直交する３つの検出軸において検出する。詳細には、力検出部４１ｂは、第２変換部Ｕ２を介して力検出器３０から取得される力ｆ_Spに対して、重力に起因する成分を除去する重力補償を施すことにより、重力の影響を有しない、ＴＣＰに作用する外力ｆ_Sを検出する。力検出部４１ｂの３つの検出軸は、第２変換部Ｕ２を介して、力検出器３０の３つの検出軸と相互に変換可能である。つまり、力検出器３０の検出軸を基準とするＴＣＰに作用する外力ｆ_Sと、力検出部４１ｂの検出軸を基準とするＴＣＰに作用する外力ｆ_Sは互いに同様に取り扱うことができる。力検出部４１ｂは、力検出器３０の検出軸として、ワールド座標系、ツール座標系、ローカル座標系等の任意の座標系を指定可能である。

動作制限決定部４１ｃは、力検出部４１ｂにより検出される外力ｆ_Sの方向に基づいて、マニピュレーター１０の先端の外力ｆ_Sに応じた運動の自由度を制限する。本実施形態において、マニピュレーター１０の先端は、厳密にはＴＣＰを意味する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが第１条件を満たす場合において、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動を１自由度に制限する動作制限コマンドＬ１を生成する。第１条件は、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動が１自由度であると判定するための条件である。

例えば、図５に示すように、第１条件は、外力ｆ_Sの方向ベクトルと、力検出器３０の３つの検出軸のうち最大の外力ｆ_Sの成分を有する検出軸とのなす角が、第１値θ_thより小さいことである。以下、教示装置４５の教示に応じて制御装置４０が記憶したコマンドＣ２により、運動の基準とする座標系としてワールド座標系が指定される場合を仮定する。図５に示す例では、ワールド座標系における最大の外力ｆ_Sの成分を有する検出軸がｘ軸であり、ｘ軸の単位ベクトルがベクトルｖ１である。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_sとｘ軸とのなす角が第１値θ_thより小さい場合において、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動方向をワールド座標系のｘ軸方向のみに制限する。第１値θ_thは、例えば教示装置４５を用いて０［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］の任意の値に設定され得る。コマンドＣ２により指定される座標系として、ツール座標系、ローカル座標系が採用可能である。

或いは、図６に示すように、第１条件として、力検出器３０の３つの検出軸における外力ｆ_Sの各成分の大きさのうち、最大の値が２番目に大きな値と第１定数ｋ₁との積より大きいことを採用してもよい。この場合、ベクトルを用いた計算が不要である。動作制限決定部４１ｃは、３つの検出軸における外力ｆ_Sの各成分の大きさの分布に基づいて、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動の自由度を制限し得る。図６に示す例において、外力ｆ_Sの各成分のうち最大の値がｘ₁［Ｎ］、２番目に大きな値がｙ₁［Ｎ］である。この場合、動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが（ｘ₁／ｙ₁）＞ｋ₁を満たす場合において、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動方向をｘ軸方向に制限する。

更に、動作制限決定部４１ｃは、第２条件を満たす場合において、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動を２自由度に制限する動作制限コマンドＬ１を生成し得る。第２条件は、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動が２自由度であると判定するための条件である。

例えば、図７に示すように、第２条件は、外力ｆ_Sの方向ベクトル、及び、力検出器３０の３つの検出軸のうち最大の外力ｆ_Sの成分を有する検出軸の単位ベクトルの外積と、３つの検出軸のうち最小の外力ｆ_Sの成分を有する検出軸の単位ベクトルと、のなす角が、第２値θ_thより小さいことである。図７に示す例において、ワールド座標系における最大の外力ｆ_Sの成分を有する検出軸がｘ軸であり、ｘ軸の単位ベクトルがベクトルｖ１である。同様に、最小の外力ｆ_Sの成分を有する検出軸がｚ軸であり、ｚ軸の単位ベクトルがベクトルｖ２である。外力ｆ_Sの方向ベクトル及びベクトルｖ１の外積がベクトルｖ３であるとき、動作制限決定部４１ｃは、ベクトルｖ３とベクトルｖ２のなす角が第２値θ_thより小さい場合において、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動方向をワールド座標系のｘｙ平面に沿う方向に制限する。第２値θ_thは、例えば教示装置４５を用いて０［ｄｅｇ］から１８０［ｄｅｇ］の任意の値に設定され得る。第２値θ_thは、第１値θ_thと同一の値であってもよく、異なる値であってもよい。

或いは、図８に示すように、第２条件として、力検出器３０の３つの検出軸における外力ｆ_Sの各成分の大きさのうち、最大の値が２番目に大きな値と第２定数ｋ₂との積より小さく、且つ、２番目に大きな値が最小の値と第３定数ｋ₃との積より大きいことを採用してもよい。この場合、ベクトルを用いた計算が不要である。図８に示す例において、外力ｆ_Sの各成分のうち最大の値がｘ₂［Ｎ］、２番目に大きな値がｙ₂［Ｎ］、最小の値がｚ₂［Ｎ］である。この場合、動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが（ｘ₂／ｙ₂）＜ｋ₂及び（ｙ₂／ｚ₂）＞ｋ₃を同時に満たす場合において、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動方向をｘｙ平面に沿う方向に制限する。

動作制限コマンドＬ１により１自由度に制限されるＴＣＰの他の運動として、ｙ、ｚのそれぞれの軸に沿う方向の並進運動、ｘ、ｙ、ｚのそれぞれの軸回りの回転運動の何れかの運動が挙げられる。また、動作制限コマンドＬ１により２自由度に制限されるＴＣＰの他の運動として、ｙｚ平面に沿う運動、ｘｚ平面に沿う運動が挙げられる。その他、動作制限コマンドＬ１により制限されるＴＣＰの運動として、姿勢変化のみの運動、位置及び姿勢を自由自在に変化させる運動等がある。ＴＣＰの運動の制限は、コマンドＣ２と動作制限コマンドＬ１の組み合わせにより変更される。

動作制限決定部４１ｃは、力検出部４１ｂが検出した外力ｆ_Sが所定の閾値を超える場合において動作制限コマンドＬ１を生成し、出力する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値以下になるまで、同様の動作制限コマンドＬ１の出力を継続する。

力制御補正量算出部４１ｄは、目標力ｆ_St、外力ｆ_S及び動作制限コマンドＬ１から、外力ｆ_Sを目標力ｆ_Stにするように目標位置Ｓ_tを補正する力制御補正量ΔＳを算出する。力制御補正量ΔＳは、ＴＣＰが機械的インピーダンスを受けた場合において、目標力ｆ_Stと外力ｆ_Sとの力偏差Δｆ_Sを解消するために、ＴＣＰが位置Ｓから移動すべき量を意味する。力制御補正量算出部４１ｄは、例えば、仮想の機械的インピーダンスをモーターＭ１〜Ｍ６によって実現する能動インピーダンス制御により力制御補正量ΔＳを算出する。例えば、動作制限コマンドＬ１によってＴＣＰの運動がワールド座標系のｘ軸に沿う方向に制限される場合、ΔＳのｘ軸成分以外の値は０になる。

位置制御部４２は、ワールド座標系におけるＴＣＰの目標位置Ｓ_tを算出する。位置制御部４２は、ロボットシステム１００においてダイレクト教示が行われる場合、ＴＣＰの現在位置をそのまま目標位置Ｓ_tとして算出する。その他、位置制御部４２は、例えば、教示装置４５により生成される制御プログラムや対象物の位置を検出するセンサーの出力等を用いてＴＣＰの目標位置Ｓ_tを算出し得る。

指令統合部４３は、フィードバック制御部４３ａ及び力制御補正量加算部４３ｂを論理構造として有する。指令統合部４３は、位置制御部４２により算出された制御指令である目標位置Ｓ_tと、力制御部４１により算出された制御指令である力制御補正量ΔＳとを統合する。指令統合部４３は、統合した制御指令に応じた目標値を達成するように、ロボット１に操作量を出力する。

力制御補正量加算部４３ｂは、目標位置Ｓ_tに力制御補正量ΔＳを加算する。力制御補正量加算部４３ｂは、マニピュレーター１０のモーターＭ１〜Ｍ６に適用される指令位置Ｓ_ttを算出する。指令位置Ｓ_ttは、ワールド座標系における最終的なＴＣＰの目標値を意味する。第１変換部Ｕ１は、ワールド座標系における指令位置Ｓ_ttを、モーターＭ１〜Ｍ６の各回転角の目標値である目標角Ｄ_tに変換する。

フィードバック制御部４３ａは、モーターＭ１〜Ｍ６の実際の回転角Ｄ_aを制御量として、目標角Ｄ_tに制御するフィードバック制御を行う。フィードバック制御部４３ａは、エンコーダーＥ１〜Ｅ６の出力から回転角Ｄ_aを取得する。フィードバック制御部４３ａは制御量Ｄ_a、目標角Ｄ_tから操作量Ｄ_cを算出して、モーターＭ１〜Ｍ６を制御する。

図９及び図１０のフローチャートを参照して、ロボットシステム１００におけるロボット１の制御方法として、制御装置４０の処理の一例について説明する。

先ず、ステップＳ４１において、制御装置４０は、例えば教示装置４５からダイレクト教示を開始するコマンドを入力されることにより、ダイレクト教示モードに移行し、ダイレクト教示が開始される。制御装置４０は、ダイレクト教示を開始するコマンドを、教示装置４５以外から入力されてもよい。制御装置４０は、例えばロボット１に取り付けられたスイッチが押されることにより、ダイレクト教示を開始するコマンドを入力されてもよい。

ステップＳ４２において、動作制限決定部４１ｃは、力検出部４１ｂにおいて検出される外力ｆ_S及び外力ｆ_Sのトルクを、外力情報として取得する。即ち、外力情報は、力検出部４１ｂの３つの検出軸の力及び３つの検出軸回りのトルクを含む。

ステップＳ４３において、動作制限決定部４１ｃは、ステップＳ４２で取得した外力ｆ_Sのトルクの大きさが、所定の閾値より大きいか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、トルクの大きさが閾値より大きい場合、ステップＳ４４に処理を進め、トルクの大きさが閾値以下の場合、ステップＳ５２に処理を進める。

ステップＳ４４において、動作制限決定部４１ｃは、ステップＳ４２で取得した外力ｆ_Sの各成分のトルクの大きさのうち、最大の値が、２番目に大きな値の定数倍より大きいか否か判定する。動作制限決定部４１ｃは、定数倍より大きい場合は、ステップＳ４５に処理を進め、定数倍以下の場合は、ステップＳ４７に処理を進める。

ステップＳ４５において、動作制限決定部４１ｃは、ステップＳ４２で取得した外力ｆ_Sの各成分のトルクの大きさのうち、最大の値を有する検出軸の回りにＴＣＰの運動を制限する動作制限コマンドＬ１を生成し、力制御補正量算出部４１ｄに出力する。例えば、外力ｆ_Sの各トルクのうち、ｘ軸回りのトルクが２番目に大きなトルクの定数倍より大きい場合、動作制限決定部４１ｃは、ＴＣＰの運動をｘ軸回りのみの１自由度に制限する。

ステップＳ４６において、動作制限決定部４１ｃは、力検出部４１ｂにおいて検出された外力ｆ_Sが所定の閾値より小さいか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値より小さい場合、ロボット１に作用される外力ｆ_Sが低下したとして、ステップＳ４５で生成された動作制限コマンドＬ１の出力を停止し、ステップＳ６１に処理を進める。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値以上である場合、ステップＳ４５の処理を繰り返す。

ステップＳ４７において、動作制限決定部４１ｃは、ステップＳ４２で取得した外力ｆ_Sが所定の閾値以上か否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値以上の場合、ステップＳ４８に処理を進め、外力ｆ_Sが閾値より小さい場合、ステップＳ５０に処理を進める。

ステップＳ４８において、動作制限決定部４１ｃは、ＴＣＰの６自由度の運動を許可する動作制限コマンドＬ１を生成し、力制御補正量算出部４１ｄに出力する。即ち、この場合、動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動を制限しない。

ステップＳ４９において、動作制限決定部４１ｃは、力検出部４１ｂにおいて検出された外力ｆ_Sが所定の閾値より小さいか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値より小さい場合、ロボット１に作用される外力ｆ_Sが低下したとして、ステップＳ４８で生成された動作制限コマンドＬ１の出力を停止し、ステップＳ６１に処理を進める。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値以上である場合、ステップＳ４８の処理を繰り返す。

ステップＳ５０において、動作制限決定部４１ｃは、ＴＣＰの運動を姿勢のみの３自由度に制限する動作制限コマンドＬ１を生成し、力制御補正量算出部４１ｄに出力する。即ち、動作制限決定部４１ｃは、ＴＣＰの３つの検出軸回りの姿勢が変化する運動を許可し、３つの検出軸における位置が変化する運動を禁止する。

ステップＳ５１において、動作制限決定部４１ｃは、力検出部４１ｂにおいて検出された外力ｆ_Sが所定の閾値より小さいか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値より小さい場合、ロボット１に作用される外力ｆ_Sが低下したとして、ステップＳ５０で生成された動作制限コマンドＬ１の出力を停止し、ステップＳ６１に処理を進める。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値以上である場合、ステップＳ５０の処理を繰り返す。

ステップＳ５２において、動作制限決定部４１ｃは、ステップＳ４２で取得した外力ｆ_Sが、所定の閾値以上か否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値以上の場合、ステップＳ５３の処理に進め、外力ｆ_Sが閾値より小さい場合、ステップＳ４２に処理を戻す。

ステップＳ５３において、動作制限決定部４１ｃは、ステップＳ４２で取得した外力ｆ_Sが、第１条件を満たすか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが第１条件を満たす場合、ステップＳ５４に処理を進め、外力ｆ_Sが第１条件を満たさない場合、ステップＳ５６に処理を進める。第１条件は、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動を１自由度に制限するかを判定するための条件である。

ステップＳ５４において、動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動を、最大の外力ｆ_Sの成分を有する検出軸回りの１自由度に制限する動作制限コマンドＬ１を生成し、力制御補正量算出部４１ｄに出力する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sがｘ軸方向の力である場合、ＴＣＰの運動をｘ軸方向の１自由度に制限する動作制限コマンドＬ１を生成する。

ステップＳ５５において、動作制限決定部４１ｃは、力検出部４１ｂにおいて検出された外力ｆ_Sが所定の閾値より小さいか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値より小さい場合、ロボット１に作用される外力ｆ_Sが低下したとして、ステップＳ５４で生成された動作制限コマンドＬ１の出力を停止し、ステップＳ６１に処理を進める。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値以上である場合、ステップＳ５４の処理を繰り返す。

ステップＳ５６において、動作制限決定部４１ｃは、ステップＳ４２で取得した外力ｆ_Sが、第２条件を満たすか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが第２条件を満たす場合、ステップＳ５７に処理を進め、外力ｆ_Sが第２条件を満たさない場合、ステップＳ５９に処理を進める。第２条件は、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動を２自由度に制限するかを判定するための条件である。

ステップＳ５７において、動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動を、最大の外力ｆ_Sの成分を有する検出軸及び２番目の外力ｆ_Sの成分を有する検出軸により定義される平面に沿う２自由度に制限する動作制限コマンドＬ１を生成し、力制御補正量算出部４１ｄに出力する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sがｘｙ平面に沿う方向の力である場合、ＴＣＰの運動をｘｙ平面の２自由度に制限する動作制限コマンドＬ１を生成する。

ステップＳ５８において、動作制限決定部４１ｃは、力検出部４１ｂにおいて検出された外力ｆ_Sが所定の閾値より小さいか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値より小さい場合、ロボット１に作用される外力ｆ_Sが低下したとして、ステップＳ５７で生成された動作制限コマンドＬ１の出力を停止し、ステップＳ６１に処理を進める。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値以上である場合、ステップＳ５７の処理を繰り返す。

ステップＳ５９において、ＴＣＰの運動を位置のみの３自由度に制限する動作制限コマンドＬ１を生成し、力制御補正量算出部４１ｄに出力する。即ち、動作制限決定部４１ｃは、ＴＣＰの３つの検出軸における位置が変化する運動を許可し、３つの検出軸回り姿勢が変化する運動を禁止する。

ステップＳ６０において、動作制限決定部４１ｃは、力検出部４１ｂにおいて検出された外力ｆ_Sが所定の閾値より小さいか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値より小さい場合、ロボット１に作用される外力ｆ_Sが低下したとして、ステップＳ５９で生成された動作制限コマンドＬ１の出力を停止し、ステップＳ６１に処理を進める。動作制限決定部４１ｃは、外力ｆ_Sが閾値以上である場合、ステップＳ５９の処理を繰り返す。

ステップＳ６１において、動作制限決定部４１ｃは、例えば教示装置４５に対する作業者の操作に応じて、ダイレクト教示を終了するか否かを判定する。動作制限決定部４１ｃは、ダイレクト教示を終了する場合、ステップＳ６２に処理を進め、ダイレクト教示を終了しない場合、ステップＳ４２に処理を戻す。このとき、動作制限コマンドＬ１の出力は停止しており、ＴＣＰは動作していない。即ち、ＴＣＰに対する位置制御のみが制御装置４０により実行されている。

ステップＳ６２において、制御装置４０は、例えば教示装置４５からダイレクト教示を終了するコマンドを入力されることにより、ダイレクト教示モードを終了し、ダイレクト教示が終了される。なお、図９及び図１０に示す一連の処理に使用される複数の定数は、任意に設定され得る。したがって、定数は、互いに同一の値に設定されてもよく、互いに異なる値に設定されてもよい。複数の閾値についても同様である。

以上のように、ロボットシステム１００によれば、作業者がダイレクト教示を行う場合、エンドエフェクター２０に作用する外力ｆ_Sに基づいて、動作制限決定部４１ｃによって自動的に動作制限コマンドＬ１が生成される。これにより、例えば教示装置４５を用いる、ＴＣＰの運動の制限を設定する作業者の操作が不要となり、ダイレクト教示に必要な時間が短縮される。従来のダイレクト教示では、例えばＴＣＰをｘｙ平面上に制限して動かし、続いてｘ軸に沿って動かすプログラムを、教示装置のＧＵＩ等で制限する自由度を作業者が選択しなければ生成できなかった。これに対して、ロボットシステム１００によれば、エンドエフェクター２０に加える外力ｆ_Sが変更されることにより、自動的にＴＣＰの運動の自由度が制限される。このように、ロボットシステム１００によれば、ダイレクト教示における作業を簡単にすることができる。

以上のように実施形態を説明したが、本発明はこれらの開示に限定されるものでない。各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成に置換されてよく、また、本発明の技術的範囲内において、各実施形態における任意の構成が省略されたり追加されたりしてもよい。このように、これらの開示から当業者には様々な代替の実施形態が明らかになる。

例えば、ロボット１は、６軸アームである１つのマニピュレーター１０を備えるロボットに限らない。ロボット１が備えるマニピュレーター及びエンドエフェクターの数、マニピュレーターの自由度等は、任意に変更され得る。例えば、ロボット１は、直交ロボット、水平多関節ロボット、垂直多関節ロボット、双腕ロボット等であり得る。同様に、力検出器３０の位置は、マニピュレーター１０の先端に限るものでない。

例えば、図１１に示すように、他の実施形態に係るロボットシステム１０１は、ロボット２と、制御装置４０と、教示装置４５と、を備える。ロボット２は、ベース２１、マニピュレーター２２、エンドエフェクター２０及び力検出器３００を備える水平多関節ロボットである。図１１に示す例において、力検出器３００は、例えば直方体形状を有し、ベース２１の下部に取り付けらる。

マニピュレーター２２は、第１リンク２２１及び第２リンク２２２を有するアームである。マニピュレーター２２は、ワールド座標系のｚ軸に沿う軸をそれぞれ有する４つの関節Ｊ１〜Ｊ４を有する。３つの関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ４は、それぞれ回転関節であり、関節Ｊ３は、直進関節である。即ち、マニピュレーター２２の先端に相当するＴＣＰは、４自由度を有する。ロボット２は、ロボット１の力検出器３０と同様に、マニピュレーター２２の先端に、マニピュレーター２２に作用する外力ｆ_Sを検出する力検出器を更に備え得る。ロボットシステム１０１の機能ブロックの構成は、図４のブロック図から関節Ｊ５，Ｊ６を取り除いた構成と概略として同様であるため重複する説明を省略する。

図１２及び図１３のフローチャートにより、ロボットシステム１０１におけるロボット２の制御方法として、制御装置４０の処理の一例について説明する。但し、図１２及び図１３のフローチャートにおける、ステップＳ７１〜Ｓ７６，Ｓ７７，Ｓ７８，Ｓ７９，Ｓ８０〜Ｓ８９は、この順で、図９及び図１０のフローチャートにおける、ステップＳ４１〜Ｓ４６，Ｓ５２，Ｓ４８，Ｓ４９，Ｓ５３〜Ｓ６２に相当する。つまり、図１２及び図１３のフローチャートは、図９及び図１０のフローチャートからステップＳ４７，Ｓ５０，Ｓ５１を取り除いたものである。このため、図１２及び図１３のフローチャートの各ステップの詳しい説明は省略する。

例えば、ステップＳ７４において、動作制限決定部４１ｃは、ステップＳ７２で取得した外力ｆ_Sの各成分のトルクの大きさのうち、最大の値が、２番目に大きな値の定数倍より大きいか否か判定する。ＴＣＰに作用する外力ｆ_Sのトルクは、主としてワールド座標系におけるｚ軸回りのトルクであると考えられる。このため、ステップＳ７５において生成される動作制限コマンドＬ１は、ＴＣＰをｚ軸回りの１自由度に制限するコマンドとなる。一方、ステップＳ７８において動作制限決定部４１ｃは、ＴＣＰの４自由度の運動を許可し、外力ｆ_Sに応じたＴＣＰの運動を制限しない。

ロボット２が力覚センサーとして力検出器３００のみ有する場合、外力ｆ_Sのトルクの検出が困難であるため、主として図１３のステップＳ８０〜Ｓ８７の処理が実行され得る。ステップＳ８０及びＳ８３における第１条件及び第２条件も、上述の実施形態と同様である。例えば、ロボットシステム１０１において、作業者がエンドエフェクター２０にワールド座標系のｘ軸に沿う外力ｆ_Sを加えた場合、ＴＣＰの運動は、ワールド座標系のｘ軸に沿う１自由度に制限される。即ち、外力ｆ_Sに応じて、ＴＣＰは、ワールド座標系におけるｘ軸に沿って並進運動する。

その他、上述の各構成を相互に応用した構成等、本発明は以上に記載しない様々な実施形態を含むことは勿論である。本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１，２…ロボット、１０，２２…マニピュレーター、１１，２１…ベース、２０…エンドエフェクター、３０，３００…力検出器、４０…制御装置、４１…力制御部、４２…位置制御部、４３…指令統合部、４５…教示装置、１００，１０１…ロボットシステム。

Claims (8)

1. マニピュレーター及び前記マニピュレーターに作用する外力を互いに直交する３つの検出軸において検出する力検出器を備えるロボットの制御方法であって、
   前記力検出器によって前記外力の方向を検出し、
   前記外力の方向に基づいて、前記外力に応じた前記マニピュレーターに設定されるツールセンターポイントの運動を１自由度に制限する
   ことを含むロボットの制御方法。
2. 請求項１に記載のロボットの制御方法であって、前記外力の方向ベクトルと、前記３つの検出軸のうち最大の前記外力の成分を有する検出軸とのなす角が、第１値より小さい場合において、前記ツールセンターポイントの運動を１自由度に制限する、ロボットの制御方法。
3. 請求項１に記載のロボットの制御方法であって、前記３つの検出軸における前記外力の各成分の大きさのうち、最大の値が２番目に大きな値と第１定数との積より大きい場合において、前記ツールセンターポイントの運動を１自由度に制限する、ロボットの制御方法。
4. マニピュレーター及び前記マニピュレーターに作用する外力を互いに直交する３つの検出軸によって検出する力検出器を備えたロボットの制御方法であって、
   前記力検出器によって前記外力の方向を検出し、
   前記外力の方向に基づいて、前記外力に応じた前記マニピュレーターに設定されるツールセンターポイントの運動を２自由度に制限する
   ことを含むロボットの制御方法。
5. 請求項４に記載のロボットの制御方法であって、前記外力の方向ベクトル、及び、前記３つの検出軸のうち最大の前記外力の成分を有する検出軸の単位ベクトルの外積と、前記３つの検出軸のうち最小の前記外力の成分を有する検出軸と、のなす角が、第２値より小さい場合において、前記ツールセンターポイントの運動を２自由度に制限することを含むロボットの制御方法。
6. 請求項４に記載のロボットの制御方法であって、前記３つの検出軸における前記外力の各成分の大きさのうち、最大の値が２番目に大きな値と第２定数との積より小さく、且つ、２番目に大きな値が最小の値と第３定数との積より大きい場合において、前記ツールセンターポイントの運動を２自由度に制限することを含むロボットの制御方法。
7. マニピュレーター及び前記マニピュレーターに作用する外力を互いに直交する３つの検出軸において検出する力検出器を備えるロボットと、
   前記力検出器によって前記外力の方向を検出し、前記外力の方向に基づいて、前記外力に応じた前記マニピュレーターに設定されるツールセンターポイントの運動を１自由度に制限する制御装置と、
   を備えるロボットシステム。
8. マニピュレーター及び前記マニピュレーターに作用する外力を互いに直交する３つの検出軸によって検出する力検出器を備えるロボットと、
   前記力検出器によって前記外力の方向を検出し、前記外力の方向に基づいて、前記外力に応じた前記マニピュレーターに設定されるツールセンターポイントの運動を２自由度に制限する制御装置と、
   を備えるロボットシステム。

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