JP2021194725A - 目標力上限値設定方法およびロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】対象物と把持部との間の滑りを抑制し得る目標力の上限値を、高価な機器を用いることなく、容易かつ正確に設定することができる目標力上限値設定方法およびロボットシステムを提供すること。【解決手段】対象物を把持部で把持し、作用した力を目標力に近づける力制御により動作するロボットの目標力上限値設定方法であって、対象物を把持部で把持するステップと、力制御により、把持部で把持している対象物を接触面に押し付ける押し付け動作を行うステップと、押し付け動作中に把持部に作用した力を押付力として取得する押付力取得動作を行うステップと、押付力が目標力以上にならない状態が出現するまで、目標力を大きくする設定変更動作と、押し付け動作と、押付力取得動作と、を繰り返すステップと、前記状態が出現した回の押付力取得動作で取得された押付力に基づいて、目標力の上限値を設定するステップと、を有する目標力上限値設定方法。【選択図】図４

Description

本発明は、目標力上限値設定方法およびロボットシステムに関するものである。

特許文献１には、重量が未知の把持対象物をマニピュレーターが把持する際に、把持対象物の材質および立体形状から把持対象物の重量を算出し、それに基づいて把持力を算出するマニピュレーター制御方法が開示されている。このような方法によれば、把持対象物の材質、立体形状、体積、密度、重量等の固有情報から把持力を調整することができるので、マニピュレーターから把持対象物が滑り落ちることを防止することができる。これにより、マニピュレーターは、重量が未知の把持対象物であっても、滑り落とすことなく確実に把持することができる。

特開２００８−４９４５９号公報

把持対象物の材質を計測するには、成分分析器が用いられ、把持対象物の立体形状を測定するには、形状計測センサーが用いられる。これらの計測機器は高価であるため、把持対象物が滑らない程度の把持力をあらかじめ特定するためには、マニピュレーター制御システムの高コスト化が避けられない。このように、把持対象物が滑らない程度の把持力の上限値を特定するのは容易でないという課題があった。

本発明の適用例に係る目標力上限値設定方法は、
対象物を把持部で把持し、前記把持部に作用した力を目標力に近づける力制御により動作するロボットの目標力上限値設定方法であって、
前記対象物を前記把持部で把持するステップと、
前記力制御により、前記把持部で把持している前記対象物を接触面に押し付ける押し付け動作を行うステップと、
前記押し付け動作中に前記把持部に作用した力を押付力として取得する押付力取得動作を行うステップと、
前記押付力が前記目標力以上にならない状態が出現するまで、前記目標力を大きくする設定変更動作と、前記押し付け動作と、前記押付力取得動作と、を繰り返すステップと、
前記状態が出現した回の前記押付力取得動作で取得された前記押付力に基づいて、前記力制御における前記目標力の上限値を設定するステップと、
を有することを特徴とする。

本発明の適用例に係るロボットシステムは、
ロボットアームと、
前記ロボットアームに設けられ、対象物を把持する把持部と、
前記把持部に作用する力を検出する力センサーと、
前記力センサーにより検出された力を目標力に近づける力制御により、前記ロボットアームの駆動を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記目標力を決定する目標力設定部と、
前記対象物が接触面に押し付けられたとき、前記力センサーにより検出された力を押付力として取得する押付力取得部と、
前記目標力と前記押付力とを比較し、比較結果を出力する比較部と、
前記ロボットアームを駆動する信号を出力する駆動指示部と、
前記比較結果に基づいて、前記押付力が前記目標力以上にならない状態が出現するまで、前記目標力を大きくする設定変更動作と、前記力制御により前記対象物を前記接触面に押し付ける押し付け動作と、前記押付力を取得する押付力取得動作と、を順次繰り返すか否かを判断する判断部と、
前記状態が出現したときの前記押付力に基づいて、前記力制御における前記目標力の上限値を設定する上限値設定部と、
を有し、
前記制御部は、前記上限値を踏まえた前記力制御により、前記ロボットアームの駆動を制御することを特徴とする。

第１実施形態に係るロボットシステムを示す斜視図である。 図１に示すロボットシステムの機能ブロック図である。 図１および図２に示すロボットシステムのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 実施形態に係る目標力上限値設定方法を示すフローチャートである。 所定の時間内で目標力を５Ｎずつ引き上げたとき、押付力が変化する様子を説明するための表である。 図５に示す所定の時間内で力センサーが検出した力の推移を示すグラフである。 所定の時間内で目標力を１Ｎずつ引き上げたとき、押付力が変化する様子を説明するための表である。 所定の時間内で目標力を０．１Ｎずつ引き上げたとき、押付力が変化する様子を説明するための表である。 図４に示す目標力上限値設定ステップで設定した上限値を踏まえた力制御により、ハンドで対象物を把持して行う作業ステップを示すフローチャートである。 図４に示すフローチャートから２回目以降の接触動作を省略した変形例の目標力上限値設定方法に係るフローチャートである。

以下、本発明の目標力上限値設定方法およびロボットシステムの好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係るロボットシステムについて説明する。

図１は、第１実施形態に係るロボットシステムを示す斜視図である。図２は、図１に示すロボットシステムの機能ブロック図である。図３は、図１および図２に示すロボットシステムのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

なお、本願の各図では、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定している。Ｘ軸およびＹ軸は水平面と平行であり、Ｚ軸は鉛直軸である。また、各図では、これらの軸を矢印で表しており、以下の説明では、矢印の先端側を「プラス」、基端側を「マイナス」として説明する。さらに、Ｚ軸のプラス側を「上」、Ｚ軸のマイナス側を「下」ともいう。

図１に示すロボットシステム１は、いわゆる６軸の垂直多関節ロボットを備えるシステムである。図１に示すように、ロボットシステム１は、ロボット２と、制御装置３と、を備える。

１．１．ロボット
このうち、図１に示すロボット２は、基台１１０と、基台１１０に連結されているロボットアーム１０と、を備える。

基台１１０は、例えば、床や移動可能な台車上等の被設置部９に固定される。図１では、Ｘ−Ｙ面が被設置部９である。

ロボットアーム１０は、基台１１０に対して回動可能に連結されているアーム１１と、アーム１１に対して回動可能に連結されているアーム１２と、アーム１２に対して回動可能に連結されているアーム１３と、アーム１３に対して回動可能に連結されているアーム１４と、アーム１４に対して回動可能に連結されているアーム１５と、アーム１５に対して回動可能に連結されているアーム１６と、を有する。なお、基台１１０およびアーム１１〜１６のうち、互いに連結された２つの部材同士を屈曲または回動させる部分が、それぞれ「関節部」を構成している。また、ロボットアーム１０の基台１１０側を「基端側」、ロボットアーム１０の基端とは反対側を「先端側」という。

なお、ロボットアーム１０が有するアームの数は、１〜５本または７本以上であってもよい。また、ロボット２は、スカラロボットであってもよく、２つまたはそれ以上のロボットアーム１０を備える双腕ロボットであってもよい。

ロボット２は、図２に示すように、ロボットアーム１０の各関節部を駆動する駆動部１３０と、ロボットアーム１０の各関節部の回転角度を検出する角度センサー１３１と、を有する。各駆動部１３０および各角度センサー１３１は、それぞれ制御装置３と通信可能に接続されている。

駆動部１３０は、例えばモーターおよび減速機を含んでいる。モーターとしては、例えば、ＡＣサーボモーター、ＤＣサーボモーター等が挙げられる。減速機としては、例えば、遊星ギア型の減速機、波動歯車装置等が挙げられる。

角度センサー１３１は、例えば磁気式または光学式のロータリーエンコーダーを含んでいる。

アーム１６の先端面には、ハンド１７が装着されている。
図１に示すハンド１７は、一対の指部を有し、この指部同士で対象物８を挟んで把持するチャック式のエンドエフェクターである。つまり、ハンド１７は把持部ということができる。このようなハンド１７を備えるロボットシステム１によれば、例えば、対象物８の給材、除材、移載、搬送、組立等の作業を行うことができる。

ロボット２は、ロボットアーム１０とハンド１７との間に設けられた力センサー２１を備えている。力センサー２１としては、例えば、６軸力覚センサー、３軸力覚センサー等が挙げられる。力センサー２１を設けることにより、ハンド１７やロボットアーム１０に作用する力の向きや大きさを精度よく検出することができる。力センサー２１は、制御装置３と通信可能に接続されている。なお、力センサー２１が設けられる位置は、この位置に限定されず、アーム１１〜１６のうち、互いに連結された２つのアーム同士の間、あるいは、アーム１１と基台１１０との間であってもよい。

ロボット２は、上記の他に任意の部材、機器等を備えていてもよい。任意の機器としては、例えば、対象物８やロボット２またはその周辺を撮像する撮像部、ロボット２に加わる外力を検出する感圧センサー、ロボット２の周囲に接近する物体等を検出する近接センサー等が挙げられる。

１．２．制御装置
図２に示す制御装置３は、制御部３１と、記憶部３２と、外部入出力部３３と、を有している。制御装置３は、力センサー２１や角度センサー１３１による検出結果に基づいて、駆動部１３０に駆動信号を出力し、ロボットアーム１０の駆動を制御する機能を有する。

制御部３１は、記憶部３２に記憶された各種プログラム等を実行する。これにより、制御部３１は、ロボット２の動作の制御や各種演算、各種判断等を行うことができる。具体的には、制御部３１は、力センサー２１の出力に基づいて、ロボットアーム１０の駆動を制御する機能を有する。これにより、制御部３１は、例えば被設置部９に載置されている対象物８をハンド１７で把持して持ち上げたり、ハンド１７が把持している対象物８を被設置部９に押し付けたりする作業を、ロボットアーム１０に行わせることができる。

記憶部３２には、制御部３１により実行可能な各種プログラムが保存されている。また、記憶部３２には、外部入出力部３３で受け付けた各種データも保存される。

外部入出力部３３は、制御装置３とロボット２の接続の他、外部に設けられる任意の機器類と制御装置３との接続に用いられる。

このような制御装置３のハードウェア構成は、特に限定されないが、例えば、図３に示すように、ロボット２と通信可能に接続されたコントローラー６１０と、コントローラー６１０に通信可能に接続されたコンピューター６２０と、を含んでいる。

図３に示すプロセッサーとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が挙げられる。

図３に示すメモリーとしては、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリー、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性メモリー等が挙げられる。なお、メモリーは、非着脱式に限らず、着脱式の外部記憶装置を有していてもよい。

図３に示す外部インターフェースとしては、各種の通信用技術が挙げられる。通信用技術としては、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＲＳ−２３２Ｃ、有線ＬＡＮ（Local Area Network）、無線ＬＡＮ等が挙げられる。

なお、制御装置３のハードウェア構成は、図３に示す構成に限定されない。また、制御装置３には、前述した構成に加えて、さらに他の構成が付加されていてもよい。さらに、記憶部３２に保存されている各種プログラムやデータ等は、あらかじめ記憶部３２に記憶されている他、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に格納され、この記録媒体から提供されていてもよいし、ネットワーク等を介して提供されてもよい。

次に、制御部３１について詳述する。図２に示す制御部３１は、機能部として、目標力設定部３１１と、押付力取得部３１２と、比較部３１３と、駆動指示部３１４と、判断部３１５と、上限値設定部３１６と、を有する。

目標力設定部３１１は、目標力に近づけるように押付力を高める制御、すなわち力制御を行うときの目標力を決定する。

押付力取得部３１２は、力センサー２１により検出された反力に基づいて、ハンド１７に把持された対象物８を被設置部９に押し付けるときの押付力を取得する。

比較部３１３は、押付力取得部３１２で取得された押付力と、目標力設定部３１１で決定された目標力と、を比較し、比較結果を出力する。

駆動指示部３１４は、力制御によりロボットアーム１０を駆動するための信号を出力する。これにより、ロボットアーム１０は、ハンド１７に把持されている対象物８を、例えば被設置部９に押し付ける押し付け動作を行う。

判断部３１５は、比較部３１３から出力された比較結果に基づいて、目標力設定部３１１が決定する目標力をそれ以前の目標力よりも大きくする設定変更動作、力制御により対象物８を被設置部９に押し付ける押し付け動作、押付力を取得する押付力取得動作と、を順次繰り返すか否かを判断する。

上限値設定部３１６は、力制御における目標力の上限値を設定する。前述した駆動指示部３１４は、上限値設定部３１６が設定した上限値以下の範囲内で設定された目標力に近づける力制御により、ロボットアーム１０を駆動するための信号を出力する。

１．３．ロボットシステムの制御方法
次に、ロボットシステム１の制御方法について説明する。

ロボットシステム１の制御方法は、例えば、ハンド１７で対象物８を把持し、被嵌合物に押し付けることにより、対象物８と図示しない被嵌合物とを嵌合させる作業を行うときの、制御装置３の処理である。具体的には、ロボットシステム１の制御方法は、押し付け動作における押付力の上限値、すなわち目標力の上限値を設定する目標力上限値設定ステップＳ１と、設定した目標力の上限値に基づいて作業を行う作業ステップＳ２と、を含む。

１．３．１．目標力上限値設定ステップＳ１
目標力上限値設定ステップＳ１は、実施形態に係る目標力上限値設定方法を含んでいる。この目標力上限値設定ステップＳ１では、前述したように、ハンド１７で把持した対象物８を被嵌合物に嵌合させるといった作業を行う際、ハンド１７で把持した対象物８を被嵌合物等に押し付ける押付力の上限値を設定する。換言すれば、目標力上限値設定ステップＳ１では、目標力を変えながら押付力を実測することにより、ハンド１７と対象物８との間で滑りが発生しない押付力の上限値を探索する。なお、ハンド１７と対象物８との間で滑りが発生する状態とは、ハンド１７と対象物８との相対的な位置または姿勢が変化する状態のことである。

図４は、実施形態に係る目標力上限値設定方法を示すフローチャートである。以下、図４に基づいて、目標力上限値設定ステップに係る制御装置３の処理を説明する。

まず、ステップＳ１０１として、制御装置３は、ロボットアーム１０およびハンド１７の駆動を制御し、ハンド１７に対象物８を把持させる。これにより、対象物８を持ち上げ、移送することが可能になる。

次に、ステップＳ１０２として、ロボットアーム１０により対象物８を把持したハンド１７の位置を移動させ、対象物８を被設置部９に接触させる接触動作を行う。制御装置３による接触状態の検出は、角度センサー１３１の検出結果に基づいて行ってもよいし、力センサー２１の検出結果に基づいて行ってもよい。

次に、ステップＳ１０３として、制御装置３は、ハンド１７で把持している対象物８を被設置部９に押し付ける押し付け動作を行う。この押し付け動作は、押付力取得部３１２で取得した押付力を目標力に近づける力制御に基づいて、ロボットアーム１０を駆動し、対象物８を被設置部９に押し付けるものである。ここでは、一例として、目標力を５Ｎとする。

押し付け動作で対象物８を押し付ける面（接触面）は、被設置部９に限定されず、いかなる面であってもよいが、後述する作業ステップＳ２での作業内容を踏まえ、被設置部９の材質等を適宜選択するようにしてもよい。例えば、前述したように、対象物８と被嵌合物とを嵌合させる作業を行う場合には、押し付け動作の際、被嵌合物の構成材料と同じ材料で構成された面に対して対象物８を押し付けるのが好ましい。これにより、最終的に、対象物８と被嵌合物とを嵌合させる作業に適した上限値を精度よく求めることができる。

また、押し付け動作の前に接触動作を行うことにより、接触時の衝撃が緩和されるという効果がある。具体的には、接触動作では、対象物８を被設置部９に接触させ、その後、押し付け動作を行う。つまり、接触動作は、例えば位置制御によって、対象物８を被設置部９にゆっくりと接触させることを優先して行われ、その後、目的を切り替えて、力制御による押し付け動作を行うようにしてもよい。これにより、接触動作を行わない場合に比べて、接触時の衝撃を緩和することができる。

次に、ステップＳ１０４として、制御装置３は、押し付け動作中にハンド１７に作用した力を押付力として取得する押付力取得動作を行う。押し付け動作中には、対象物８およびハンド１７を介して力センサー２１に反力が作用する。この反力を検出することにより、押付力を取得することができる。力制御では、通常、押付力を取得し、フィードバック制御によって押付力を目標力に近づけていく。このため、通常は、目標力と等しい押付力が取得されることになる。しかしながら、何らかの環境の変化が生じた場合、例えばハンド１７と対象物８との間で滑りが発生したり、対象物８と被設置部９との間で瞬間的な衝撃が発生したりした場合には、押付力が目標力を下回ったり上回ったりすることがある。このうち、ハンド１７と対象物８との間の滑りは、ハンド１７と対象物８との間の摩擦力等に左右され、押付力が摩擦力を超えなければ、原則として滑りは発生しない。そこで、目標力上限値設定ステップＳ１では、目標力を変えながら押付力を取得し、滑りを発生させない最大の目標力を探索する。そして、探索した最大の目標力を、後述する作業ステップＳ２における目標力の上限値として設定する。

ステップＳ１０５では、制御装置３は、目標力を引き上げる必要があるか否かの判断を行う。判断部３１５は、比較部３１３から出力された比較結果に基づいて、目標力を大きくする設定変更動作と、接触動作と、押し付け動作と、押付力取得動作と、を繰り返す必要があるか否かを判断する。具体的には、押付力と目標力とを比較した結果、目標力≦押付力であった場合、つまり、押付力を目標力に近づける力制御の結果、押付力を目標力以上にすることができた場合、後述するステップＳ１０６に移行する。一方、押付力＜目標力であった場合、つまり、押付力を目標力に近づける力制御を行っても、押付力を目標力に到達させることができなかった場合、後述するステップＳ１１１に移行する。

ステップＳ１０６では、制御装置３は、新たな目標力を、それ以前の目標力よりも５Ｎ大きい値に設定する。したがって、ここでは、新たな目標力は１０Ｎとなる。その後、ステップＳ１０２に戻る。なお、ステップＳ１０６における目標力の増加幅は、５Ｎに限定されず、それ以外の値であってもよい。例えば、一般的な対象物８の機械的強度、対象物８とハンド１７との間の摩擦力等を考慮した場合、目標力の増加幅は、１Ｎ以上２０Ｎ以下程度に設定されるのが好ましい。

２回目のステップＳ１０２では、まず、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９から離した後、再び、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９に接触させる。

２回目のステップＳ１０３では、ステップＳ１０６で設定した新たな目標力を用いた力制御に基づいて、対象物８を被設置部９に押し付ける押し付け動作を行う。

２回目のステップＳ１０４では、新たな目標力に基づく押付力を取得する。
２回目のステップＳ１０５では、目標力を再び引き上げる必要があるか否かの判断を行う。そして、押付力＜目標力であった場合には、後述するステップＳ１１１に移行する。一方、目標力≦押付力であった場合には、押付力＜目標力の状態が出現するまで、換言すれば、押付力が目標力以上にならない状態が出現するまで、ステップＳ１０６およびステップＳ１０２〜Ｓ１０５を繰り返す。

押付力が目標力以上にならない状態とは、力制御により押付力を増加させようとしても、ハンド１７と対象物８との間で滑りが発生している状態である。このような滑りが発生すると、押付力を目標力に到達させることができず、結果的に、押付力＜目標力の状態が出現する。この状態の出現をきっかけとして後述するステップＳ１１１に移行する。

以上のようなステップＳ１０３〜Ｓ１０６における目標力と押付力との関係の一例を、図５および図６にまとめる。図５は、所定の時間内で目標力を５Ｎずつ引き上げたとき、押付力が変化する様子を説明するための表である。図６は、図５に示す所定の時間内で力センサー２１が検出した力の推移を示すグラフである。

図５に示す例では、目標力上限値設定ステップＳ１の開始から０〜５秒間の目標力を５Ｎに設定している。このとき、押付力も５Ｎになっているので、ハンド１７と対象物８との間には滑りが発生していないと推定できる。経過時間が５〜１０秒では目標力を１０Ｎに設定し、１０〜１５秒では目標力を１５Ｎに設定している。この間も、押付力は目標力に等しくなっているので、ハンド１７と対象物８との間には滑りが発生していないと推定できる。一方、図５に示す例では、経過時間が１５〜２０秒で目標力を２０Ｎに設定したとき、押付力が２０Ｎ未満となる。つまり、押付力＜目標力の状態が出現しているため、滑りが発生したと判定することができる。

図６では、図５に示す２０秒間において、力センサー２１が検出した力の推移を示している。図６に示すように、目標力を５Ｎ→１０Ｎ→１５Ｎ→２０Ｎと増やしていくと、約１７Ｎでそれ以上大きな力を検出することができない状態が出現している。このとき、ハンド１７と対象物８との間では滑りが発生していると推定される。

ステップＳ１１１では、前述したステップＳ１０２〜Ｓ１０６の中で押付力を到達させることができなかった目標力を基準にしたとき、それよりも５Ｎ小さい値を新たな目標力とする。つまり、ステップＳ１１１では、制御装置３は、新たな目標力として、それ以前の目標力よりも５Ｎ小さい値を設定する。したがって、ここでは、新たな目標力は１５Ｎとなる。その後、ステップＳ１１２に移行する。なお、ステップＳ１１１における目標力の減少幅は、５Ｎに限定されず、それ以外の値であってもよいが、押付力が目標値以上になった実績がある値に戻すという観点で、ステップＳ１０６における増加幅と等しい値に設定されるのが好ましい。

ステップＳ１１２〜Ｓ１１６は、目標力の増加幅が異なる以外、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６と同様である。

すなわち、まず、ステップＳ１１２では、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９から離した後、再び、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９に接触させる。

ステップＳ１１３では、ステップＳ１１１で設定した新たな目標力を用いた力制御に基づいて、対象物８を被設置部９に押し付ける押し付け動作を行う。

ステップＳ１１４では、新たな目標力に基づく押付力を取得する。
ステップＳ１１５では、目標力を引き上げる必要があるか否かの判断を行う。そして、押付力＜目標力であった場合には、後述するステップＳ１２１に移行する。一方、目標力≦押付力であった場合には、押付力＜目標力の状態が出現するまで、換言すれば、押付力が目標力以上にならない状態が出現するまで、ステップＳ１１６およびステップＳ１１２〜Ｓ１１５を繰り返す。

ステップＳ１１６では、制御装置３は、新たな目標力として、それ以前の目標力よりも１Ｎ大きい値を設定する。したがって、ここでは、新たな目標力は１６Ｎとなる。その後、ステップＳ１１２に戻る。なお、ステップＳ１１６における目標力の増加幅は、１Ｎに限定されず、ステップＳ１０６における目標力の増加幅より小さければ、これ以外の値であってもよい。一例として、ステップＳ１１６における目標力の増加幅は、ステップＳ１０６における目標力の増加幅の５％以上５０％以下程度であるのが好ましい。

２回目のステップＳ１１２では、まず、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９から離した後、再び、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９に接触させる。

２回目のステップＳ１１３では、ステップＳ１１６で設定した新たな目標力を用いた力制御に基づいて、対象物８を被設置部９に押し付ける押し付け動作を行う。

２回目のステップＳ１１４では、新たな目標力に基づく押付力を取得する。
２回目のステップＳ１１５では、新たな目標力を再び引き上げる必要があるか否かの判断を行う。そして、押付力＜目標力であった場合には、後述するステップＳ１２１に移行する。一方、目標力≦押付力であった場合には、押付力＜目標力の状態が出現するまで、換言すれば、押付力が目標力以上にならない状態が出現するまで、ステップＳ１１６およびステップＳ１１２〜Ｓ１１５を繰り返す。

以上のようなステップＳ１１２〜Ｓ１１６における目標力と押付力との関係の一例を、図７にまとめる。図７は、所定の時間内で目標力を１Ｎずつ引き上げたとき、押付力が変化する様子を説明するための表である。

図７に示す例では、目標力上限値設定ステップＳ１の開始から０〜５秒間の目標力を１５Ｎに設定し、経過時間が５〜１０秒では目標力を１６Ｎに設定する。このとき、押付力も１６Ｎになっているので、ハンド１７と対象物８との間には滑りが発生していないと推定できる。一方、図７に示す例では、経過時間が１０〜１５秒で目標力を１７Ｎに設定したとき、押付力が１７Ｎ未満になっている。つまり、押付力＜目標力の状態が出現しているため、滑りが発生したと判定することができる。

ステップＳ１２１では、前述したステップＳ１１１〜Ｓ１１６の中で押付力を到達させることができなかった目標力を基準にしたとき、それよりも１Ｎ小さい値を新たな目標力とする。つまり、ステップＳ１２１では、制御装置３は、新たな目標力として、それ以前の目標力よりも１Ｎ小さい値を設定する。したがって、ここでは、新たな目標力は１６．０Ｎとなる。その後、ステップＳ１２２に移行する。なお、ステップＳ１２１における目標力の減少幅は、１Ｎに限定されず、それ以外の値であってもよいが、押付力が目標値以上になった実績がある値に戻すという観点で、ステップＳ１１６における増加幅と等しい値に設定されるのが好ましい。

ステップＳ１２２〜Ｓ１２６は、目標力の増加幅が異なる以外、ステップＳ１１２〜Ｓ１１６と同様である。

すなわち、まず、ステップＳ１２２では、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９から離した後、再び、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９に接触させる。

ステップＳ１２３では、ステップＳ１２１で設定した新たな目標力を用いた力制御に基づいて、対象物８を被設置部９に押し付ける押し付け動作を行う。

ステップＳ１２４では、新たな目標力に基づく押付力を取得する。
ステップＳ１２５では、目標力を引き上げる必要があるか否かの判断を行う。具体的には、押付力＜目標力であった場合には、後述するステップＳ１３１に移行する。一方、目標力≦押付力であった場合には、押付力＜目標力の状態が出現するまで、換言すれば、押付力が目標力以上にならない状態が出現するまで、ステップＳ１２６およびステップＳ１２２〜１２５を繰り返す。

ステップＳ１２６では、制御装置３は、新たな目標力として、それ以前の目標力よりも０．１Ｎ大きい値を設定する。したがって、ここでは、新たな目標力は１６．１Ｎとなる。その後、ステップＳ１２２に戻る。なお、ステップＳ１２６における目標力の増加幅は、０．１Ｎに限定されず、ステップＳ１１６における目標力の増加幅より小さければ、これ以外の値であってもよい。一例として、ステップＳ１２６における目標力の増加幅は、ステップＳ１１６における目標力の増加幅の５％以上５０％以下程度であるのが好ましい。

２回目のステップＳ１２２では、まず、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９から離した後、再び、ロボットアーム１０を駆動して対象物８を被設置部９に接触させる。

２回目のステップＳ１２３では、ステップＳ１２６で設定した新たな目標力を用いた力制御に基づいて、対象物８を被設置部９に押し付ける押し付け動作を行う。

２回目のステップＳ１２４では、新たな目標力に基づく押付力を取得する。
２回目のステップＳ１２５では、新たな目標力を再び引き上げる必要があるか否かの判断を行う。そして、押付力＜目標力であった場合には、後述するステップＳ１３１に移行する。一方、目標力≦押付力であった場合には、押付力＜目標力の状態が出現するまで、換言すれば、押付力が目標力以上にならない状態が出現するまで、ステップＳ１２６およびステップＳ１２２〜Ｓ１２５を繰り返す。

以上のようなステップＳ１２２〜Ｓ１２６における目標力と押付力との関係の一例を、図８にまとめる。図８は、所定の時間内で目標力を０．１Ｎずつ引き上げたとき、押付力が変化する様子を説明するための表である。

図８に示す例では、目標力上限値設定ステップＳ１の開始から０〜５秒間の目標力を１６．０Ｎに設定し、経過時間が５〜１０秒では目標力を１６．１Ｎに設定し、経過時間が１０〜１５秒では目標力を１６．２Ｎに設定する。このとき、押付力は目標力に等しくなっているので、ハンド１７と対象物８との間には滑りが発生していないと推定できる。一方、図８に示す例では、経過時間が１５〜２０秒で目標力を１６．３Ｎに設定したとき、押付力が１６．３Ｎ未満になっている。つまり、押付力＜目標力の状態が出現しているため、滑りが発生したと判定することができる。

ステップＳ１３１では、前述したステップＳ１２１〜Ｓ１２６の中で押付力を到達させることができなかった目標力を基準にして、その目標力未満の値を、「目標力の上限値」に設定する。この目標力の上限値には、後述する作業ステップＳ２において、ハンド１７と対象物８との間で滑りを発生させない確率が高い目標力の最大値を採用することができる。図８の例では、１６．３Ｎ未満の値を目標力の上限値に設定すればよい。このようにして上限値に設定すべき値を実験的に探索することにより、力制御に必要なパラメーターを容易かつ高精度に求めることができる。その結果、後述する作業ステップＳ２において、作業効率および作業の正確性を高めることができる。

また、本実施形態では、目標力の増加幅を５Ｎ→１Ｎ→０．１Ｎと３段階で徐々に小さく変更しながら、目標力の上限値を探索している。このようにして目標力の増加幅を２回変更しながら上限値を探索することにより、上限値の探索精度を高めることができる。なお、増加幅の変更回数は、２回に限定されず、１回であってもよいし、３回以上であってもよい。

さらに、本実施形態では、上記のように、目標力を大きくする設定変更動作と、押し付け動作と、押付力取得動作と、を繰り返すサイクルを繰り返しながら、目標力の上限値を探索している。図８の例では、目標力の増加幅を０．１Ｎに設定し、ステップＳ１２６およびステップＳ１２２〜Ｓ１２５で構成される一連の動作を３回繰り返した後、目標力を１６．３Ｎに設定した回において、押付力＜目標力の状態が出現している。この場合、この回の押付力を「目標力の上限値」に設定してもよいが、より高い確率で滑りを発生させない上限値を求めるという観点から、この回よりも前の回の押付力を「目標力の上限値」に設定するのがより好ましい。これについては、後に詳述する。
なお、目標力を変化させる時間間隔は、５秒より短くてもよいし、長くてもよい。

１．３．２．作業ステップＳ２
作業ステップＳ２では、目標力上限値設定ステップＳ１で設定した上限値を踏まえた力制御により、ロボットアーム１０の駆動を制御する。

図９は、図４に示す目標力上限値設定ステップＳ１で設定した上限値を踏まえた力制御により、ハンド１７で対象物８を把持して行う作業ステップＳ２を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ２０１では、前述した目標力上限値設定ステップＳ１で設定した上限値を、力制御における目標力の上限値に設定する。

続くステップＳ２０２では、この上限値を踏まえた力制御により各種作業を開始する。作業開始後、随時、力センサー２１で検出された力に基づいて押付力をモニターする。そして、随時、ステップＳ２０３の滑り判定を行う。

滑り判定では、力制御で設定した目標力と、モニターしている押付力と、を比較する。そして、押付力が目標力以上であって、かつ、上限値以下である場合、つまり、目標力≦押付力≦上限値である場合、ステップＳ２０４に移行する。ステップＳ２０４では、滑りが発生しなかったと判定し、フローをステップＳ２０２に戻す。

一方、押付力が目標力未満である場合、または、押付力が上限値超である場合、つまり、押付力＜目標力または上限値＜押付力である場合、ステップＳ２０５に移行する。ステップＳ２０５では、ハンド１７と対象物８との間で滑りが発生したと判定する。具体的には、押付力＜目標力である場合は、押付力を目標力に近づけることができないことから、滑りが発生したと推定できる。また、上限値＜押付力である場合は、例えば通常とは異なる瞬間的な衝撃によって、過大な押付力が発生したと推定できる。これらの場合には、ステップＳ２０６に移行し、制御部３１は、必要に応じて、異常を報知したり、ロボットアーム１０の駆動を停止したりするエラー処理を実行する。これにより、安定的に作業を行うことができる。

以上のように、目標力上限値設定ステップＳ１で設定した上限値を踏まえて作業ステップＳ２を行うことで、ハンド１７と対象物８との間の滑りの発生を抑制しつつ、各種作業を行うことができる。例えば、対象物８を被嵌合物に嵌合させる作業を行うとき、滑りを発生させることなく嵌合作業を行うことができる。このため、作業不良の発生確率を下げることができる。その結果、滑りに伴う嵌合不良の発生や作業のやり直しに伴う作業効率の低下を抑制することができる。

また、目標力上限値設定ステップＳ１で上限値を高精度に探索したことにより、滑りが発生する直前まで上限値を高く設定することが可能になる。これにより、対象物８を移送するときの速度を高めたり、嵌合作業の作業範囲を広げたりすることが可能になり、作業効率を高めることができる。

さらに、上限値を精度よく求めることで、力センサー２１による検出結果に基づいて滑りの発生を推定することも可能になる。これにより、新たなセンサーを設けたり、検査員を配置したりすることなく、滑りの発生を検出することが可能なロボットシステム１を実現することができる。

以上のように、本実施形態に係る目標力上限値設定方法は、対象物８を把持部であるハンド１７で把持し、ハンド１７に作用した力を目標力に近づける力制御により動作するロボット２において、目標力の上限値を設定する方法である。

この目標力上限値設定方法は、対象物８をハンド１７で把持するステップと、力制御により、ハンド１７で把持している対象物８を接触面である被設置部９に押し付ける押し付け動作を行うステップと、押し付け動作中にハンド１７に作用した力を押付力として取得する押付力取得動作を行うステップと、を有する。また、この目標力上限値設定方法は、押付力が目標力以上にならない状態が出現するまで、目標力を大きくする設定変更動作と、押し付け動作と、押付力取得動作と、を繰り返すステップと、この状態が出現した回の押付力取得動作で取得された押付力に基づいて、力制御における目標力の上限値を設定するステップと、を有する。

このような目標力上限値設定方法によれば、力制御における目標力の上限値を、高価な機器を用いることなく、容易かつ正確に設定することができる。これにより、力制御によって作業を行う際、滑りを発生させない目標力の範囲が容易に特定されるため、目標力を実質的に最大化することができる。その結果、例えば力制御による作業の速度を高めやすくなり、効率よく作業を行うことができる。

なお、以上のような目標力上限値設定ステップＳ１は、制御装置３においてプログラムにしたがって自動または半自動で行うことができる。このため、ロボットシステム１の取り扱いに慣れていないユーザーであっても、簡単かつ正確に上限値を設定することができる。

ステップＳ１３１において目標力の上限値を設定するときには、前述したように、押付力＜目標力の状態が出現した回の押付力に基づいて上限値を設定する。この場合、特に、押付力＜目標力の状態が出現した回よりも１つ前の回の押付力取得動作で取得された押付力を、力制御における目標力の上限値に設定するのが好ましい。１つ前の回では、押付力＜目標力の状態が出現していないことが確認されていることになる。このため、目標力の上限値として、１つ前の回で取得された押付力を用いることにより、滑りが発生しない確率が特に高い上限値を設定することが可能になる。

なお、１つ前の回ではなく、２つ以上前の回で取得された押付力を用いるようにしてもよい。

また、押付力＜目標力の状態が出現した回に取得された押付力に基づいて上限値を設定する、という概念には、押付力＜目標力の状態が出現した回よりも前の回で取得された押付力を上限値に設定することや、押付力＜目標力の状態が出現した回に取得された押付力未満の値を上限値に設定することも含むものとする。

また、図６では、押付力を取得した後、一旦、対象物８を被設置部９から離す動作を行っている。この動作は、必要に応じて行えばよく、省略することもできる。例えば、図６の経過時間が０〜５秒で押付力を取得した後、対象物８を被設置部９から離すことなく、目標力を１０Ｎに引き上げるようにしてもよい。換言すれば、前述した、設定変更動作と押し付け動作と押付力取得動作とを繰り返すステップにおいて、最初の押し付け動作、つまり、１回目のステップＳ１０３の前に、対象物８を被設置部９に接触させる接触動作を行った後は、対象物８を被設置部９から離すことなく、最初の押し付け動作より後の押し付け動作を行うようにしてもよい。

このようにして離す動作を省略することにより、結果的に前述した接触動作、つまり、２回目以降のステップＳ１０２と、ステップＳ１１２およびステップＳ１２２と、がいずれも省略されるため、対象物８を被設置部９に接触させる際の衝撃の発生を回避することができる。つまり、一旦、対象物８を被設置部９に接触させた後は、対象物８を被設置部９から離すことなくステップＳ１３１まで実行することにより、瞬間的な衝撃に伴って対象物８とハンド１７との間に滑りが発生してしまうのを防止し、精度よく上限値を探索することができる。その結果、上限値の精度が低下してしまうのを防止することができる。

図１０は、図４に示すフローチャートから２回目以降の接触動作を省略した変形例の目標力上限値設定方法Ｓ１に係るフローチャートである。

図１０に示すフローチャートでは、図４に比べて、２回目以降のステップＳ１０２と、ステップＳ１１２と、ステップＳ１２２と、がいずれも省略されている。

また、本実施形態では、前述したように、目標力の増加幅を５Ｎ→１Ｎ→０．１Ｎと徐々に小さくしている。具体的には、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６（第１ステップ）では、目標力を５Ｎ（第１増加量）ごとに大きくする設定変更動作と、押し付け動作と、押付力取得動作と、を行う。また、ステップＳ１１２〜Ｓ１１６（第２ステップ）では、目標力を１Ｎ（第２増加量）ごとに大きくする設定変更動作と、押し付け動作と、押付力取得動作と、を行う。さらに、ステップＳ１２２〜Ｓ１２６（第３ステップ）では、目標力を０．１Ｎ（第３増加量）ごとに大きくする設定変更動作と、押し付け動作と、押付力取得動作と、を行う。すなわち、これらの、設定変更動作と押し付け動作と押付力取得動作とを繰り返すステップは、目標力の増加量が互いに異なる第１ステップ、第２ステップおよび第３ステップを有し、目標力の増加幅は、第１増加量＞第２増加量＞第３増加量の関係を満たしている。

このようにして目標力の増加幅を小さく変更しつつ、少なくとも第１ステップおよび第２ステップを経ることにより、探索領域を狭めながら上限値を探索することができるので、目標力の上限値をより精度よく探索することができる。

また、上述した目標力上限値設定方法は、前述したロボットシステム１により実現される。ロボットシステム１は、ロボットアーム１０と、把持部であるハンド１７と、力センサー２１と、制御部３１と、を有している。ハンド１７は、ロボットアーム１０に設けられ、対象物８を把持する。力センサー２１は、ハンド１７に作用する力を検出する。制御部３１は、力センサー２１により検出された力を目標力に近づける力制御により、ロボットアーム１０の駆動を制御する。

さらに、制御部３１は、目標力設定部３１１と、押付力取得部３１２と、比較部３１３と、駆動指示部３１４と、判断部３１５と、上限値設定部３１６と、を有する。目標力設定部３１１は、上限値を探索するにあたって目標力を決定する。押付力取得部３１２は、対象物８が接触面である被設置部９に押し付けられたとき、力センサー２１により検出された力を押付力として取得する。比較部３１３は、目標力と押付力とを比較し、比較結果を出力する。駆動指示部３１４は、ロボットアーム１０を駆動する信号を出力する。判断部３１５は、比較結果に基づいて、押付力が目標力以上にならない状態が出現するまで、目標力を大きくする設定変更動作と、力制御により対象物８を被設置部９に押し付ける押し付け動作と、押付力を取得する押付力取得動作と、を順次繰り返すか否かを判断する。上限値設定部３１６は、押付力が目標力以上にならない状態が出現したときの押付力に基づいて、力制御における目標力の上限値を設定する。

そして、制御部３１は、上限値設定部３１６により設定された上限値を踏まえた力制御により、ロボットアーム１０の駆動を制御する。

このような構成によれば、力制御における目標力の上限値を、容易かつ正確に設定可能なロボットシステム１を実現することができる。かかるロボットシステム１では、力制御によって作業を行う際、滑りを発生させない目標力の範囲が容易に特定されるため、目標力を最大化することができる。その結果、例えば力制御による作業の速度を高めやすくなり、効率よく作業を行うことができる。

また、上限値の設定にあたって、高価な計測機器等を必要としない。このため、ロボットシステム１の低コスト化を図ることができる。

なお、図１に示す力センサー２１は、前述したように、ハンド１７とロボットアーム１０との間に設けられている。力センサー２１がこの位置に設けられることにより、ハンド１７に作用した力を精度よく検出することができる。このため、目標力の上限値をより精度よく探索することができる。なお、力センサー２１の位置は、前述したように、図１に示す位置に限定されず、これ以外の位置であってもよい。

以上、本発明の目標力上限値設定方法およびロボットシステムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。

例えば、本発明のロボットシステムは、前記実施形態の各部の構成が、同様の機能を有する任意の構成に置換されたものであってもよく、前記実施形態に任意の構成が追加されたものであってもよい。

また、本発明の目標力上限値設定方法は、前記実施形態に任意の目的のステップが付加されたものであってもよい。

１…ロボットシステム、２…ロボット、３…制御装置、８…対象物、９…被設置部、１０…ロボットアーム、１１…アーム、１２…アーム、１３…アーム、１４…アーム、１５…アーム、１６…アーム、１７…ハンド、２１…力センサー、３１…制御部、３２…記憶部、３３…外部入出力部、１１０…基台、１３０…駆動部、１３１…角度センサー、３１１…目標力設定部、３１２…押付力取得部、３１３…比較部、３１４…駆動指示部、３１５…判断部、３１６…上限値設定部、６１０…コントローラー、６２０…コンピューター、Ｓ１…目標力上限値設定ステップ、Ｓ１０１…ステップ、Ｓ１０２…ステップ、Ｓ１０３…ステップ、Ｓ１０４…ステップ、Ｓ１０５…ステップ、Ｓ１０６…ステップ、Ｓ１１１…ステップ、Ｓ１１２…ステップ、Ｓ１１３…ステップ、Ｓ１１４…ステップ、Ｓ１１５…ステップ、Ｓ１１６…ステップ、Ｓ１２１…ステップ、Ｓ１２２…ステップ、Ｓ１２３…ステップ、Ｓ１２４…ステップ、Ｓ１２５…ステップ、Ｓ１２６…ステップ、Ｓ１３１…ステップ、Ｓ２…作業ステップ、Ｓ２０１…ステップ、Ｓ２０２…ステップ、Ｓ２０３…ステップ、Ｓ２０４…ステップ、Ｓ２０５…ステップ、Ｓ２０６…ステップ

Claims (6)

1. 対象物を把持部で把持し、前記把持部に作用した力を目標力に近づける力制御により動作するロボットの目標力上限値設定方法であって、
   前記対象物を前記把持部で把持するステップと、
   前記力制御により、前記把持部で把持している前記対象物を接触面に押し付ける押し付け動作を行うステップと、
   前記押し付け動作中に前記把持部に作用した力を押付力として取得する押付力取得動作を行うステップと、
   前記押付力が前記目標力以上にならない状態が出現するまで、前記目標力を大きくする設定変更動作と、前記押し付け動作と、前記押付力取得動作と、を繰り返すステップと、
   前記状態が出現した回の前記押付力取得動作で取得された前記押付力に基づいて、前記力制御における前記目標力の上限値を設定するステップと、
   を有することを特徴とする目標力上限値設定方法。
2. 前記目標力の上限値を設定する前記ステップにおいて、前記状態が出現した回よりも１つ前の回の前記押付力取得動作で取得された前記押付力を、前記力制御における前記目標力の上限値に設定する請求項１に記載の目標力上限値設定方法。
3. 前記設定変更動作と、前記押し付け動作と、前記押付力取得動作と、を繰り返す前記ステップにおいて、最初の前記押し付け動作の前に、前記対象物を前記接触面に接触させる接触動作を行った後、前記対象物を前記接触面から離すことなく、最初の前記押し付け動作より後の前記押し付け動作を行う請求項１または２に記載の目標力上限値設定方法。
4. 前記設定変更動作と、前記押し付け動作と、前記押付力取得動作と、を繰り返す前記ステップは、
   前記目標力を第１増加量ごとに大きくする前記設定変更動作と、前記押し付け動作と、前記押付力取得動作と、を繰り返す第１ステップと、
   前記第１ステップで前記押付力が前記目標力以上にならない状態が出現した後、前記目標力を前記第１増加量より小さい第２増加量ごとに大きくする前記設定変更動作と、前記押し付け動作と、前記押付力取得動作と、を繰り返す第２ステップと、
   を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の目標力上限値設定方法。
5. ロボットアームと、
   前記ロボットアームに設けられ、対象物を把持する把持部と、
   前記把持部に作用する力を検出する力センサーと、
   前記力センサーにより検出された力を目標力に近づける力制御により、前記ロボットアームの駆動を制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記目標力を決定する目標力設定部と、
   前記対象物が接触面に押し付けられたとき、前記力センサーにより検出された力を押付力として取得する押付力取得部と、
   前記目標力と前記押付力とを比較し、比較結果を出力する比較部と、
   前記ロボットアームを駆動する信号を出力する駆動指示部と、
   前記比較結果に基づいて、前記押付力が前記目標力以上にならない状態が出現するまで、前記目標力を大きくする設定変更動作と、前記力制御により前記対象物を前記接触面に押し付ける押し付け動作と、前記押付力を取得する押付力取得動作と、を順次繰り返すか否かを判断する判断部と、
   前記状態が出現したときの前記押付力に基づいて、前記力制御における前記目標力の上限値を設定する上限値設定部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記上限値を踏まえた前記力制御により、前記ロボットアームの駆動を制御することを特徴とするロボットシステム。
6. 前記力センサーは、前記把持部と前記ロボットアームとの間に設けられている請求項５に記載のロボットシステム。

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