JP2023039052A - 動作パラメーター調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】力制御パラメーターを適正かつ容易に設定する動作パラメーター調整方法を提供すること。【解決手段】作業を開始する際の対象物の位置姿勢が異なる複数の位置姿勢でロボットに作業を複数回実行させて、各作業の評価値を取得し、各作業の評価値のうち、各作業の評価値を基準評価値と対比し、基準評価値以下となった作業における位置姿勢の中から、評価位置姿勢を決定する位置姿勢決定ステップと、評価位置姿勢を作業の開始位置姿勢として、仮動作パラメーターで前記ロボットを動作させ、作業に係る時間またはロボットの振動を計測し、計測結果に基づいて、仮動作パラメーターを更新する更新ステップと、計測した作業に係る時間またはロボットの振動が収束するまで、更新ステップを繰り返し行い、最新の仮動作パラメーターを実際に作業を行う際の動作パラメーターに決定する決定ステップと、を有する動作パラメーター調整方法。【選択図】図７

Description

本発明は、動作パラメーター調整方法に関する。

ロボットアームと、ロボットアームに加わる力を検出する力検出部と、を有し、力検出部の検出結果に基づいてロボットアームを駆動する力制御を行うことによって、所定の作業を行うロボットが知られている。このようなロボットにおいては、例えば、特許文献１に記載されているように、力制御を行う際に、どのようなモードでロボットアームを駆動するかを決定する力制御パラメーターを適した値に設定する必要がある。

ＷＯ２０１９／０９８０４４号公報

力制御パラメーターを適した値に設定するためには、力制御パラメーターを変えながら試験的に作業を繰り返し、どのような力制御パラメーターがその作業に適しているかを見極める工程が必要となる。しかしながら、このような方法では、ワーク数量および種類、作業時のロボットアームの位置姿勢等の諸条件が限定されて、過剰適合状態、すなわち、対象物やロボットのばらつきが無い特定条件の下でのみ、求められる性能を発揮する力制御パラメーターを得ることとなる。すなわち、上述の前記力制御パラメーターは、製造ばらつき、把持ばらつきが存在する実運用には適さないものとなってしまう。このように、力制御に求められる生産性要件として、必要とされる適切な力と、作業時間と、のバランスが取れた力制御パラメーターを設定することは、熟練者にとっても難しい。

本発明の動作パラメーター調整方法は、ロボットを動作させ、対象物を用いて作業を行う際の前記ロボットに設定される動作パラメーターを決定する動作パラメーター調整方法であって、
前記作業を開始する際の前記対象物の位置姿勢を変えて前記ロボットに前記作業を複数回実行させて、それぞれの前記作業の評価値を取得し、取得した複数の前記作業の評価値を基準評価値と対比して、前記評価値が前記基準評価値以下となった前記対象物の位置姿勢の中から、評価位置姿勢を決定する位置姿勢決定ステップと、
前記位置姿勢決定ステップにおいて決定された前記評価位置姿勢を前記作業の開始位置姿勢として、仮動作パラメーターで前記ロボットを動作させ、前記作業に係る時間または前記ロボットの振動を計測し、計測した前記作業に係る時間または前記ロボットの振動に基づいて、前記仮動作パラメーターを更新する更新ステップと、
計測した前記作業に係る時間または前記ロボットの振動が収束するまで、前記更新ステップを繰り返し行い、最新の前記仮動作パラメーターを実際に作業を行う際の動作パラメーターとして決定する決定ステップと、を有することを特徴とする動作パラメーター調整方法。

図１は、本発明の動作パラメーター調整方法を実行するロボットシステムの全体構成を示す図である。 図２は、図１に示すロボットシステムのブロック図である。 図３は、評価位置姿勢の一例を示すロボットの縦断面図である。 図４は、評価位置姿勢の一例を示すロボットの縦断面図である。 図５は、評価位置姿勢の一例を示すロボットの縦断面図である。 図６は、評価位置姿勢の一例を示すロボットの縦断面図である。 図７は、図１に示すロボットシステムが実行する制御動作を説明するためのフローチャートである。 図８は、評価位置姿勢を生成する方法を説明するためのグラフである。 図９は、評価位置姿勢を生成する方法を説明するためのグラフである。 図１０は、評価位置姿勢を生成する方法を説明するためのグラフである。 図１１は、評価位置姿勢を生成する方法を説明するためのグラフである。 図１２は、ロボットシステムについてハードウェアを中心として説明するためのブロック図である。 図１３は、ロボットシステムのハードウェアを中心とした変形例１を示すブロック図である。 図１４は、ロボットシステムのハードウェアを中心とした変形例２を示すブロック図である。

＜実施形態＞
図１は、本発明の動作パラメーター調整方法を実行するロボットシステムの全体構成を示す図である。図２は、図１に示すロボットシステムのブロック図である。図３～図６は、評価位置姿勢の一例を示すロボットの縦断面図である。図７は、図１に示すロボットシステムが実行する制御動作を説明するためのフローチャートである。図８～図１１は、評価位置姿勢を生成する方法を説明するためのグラフである。

以下、本発明の動作パラメーター調整方法を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の＋Ｚ軸方向、すなわち、上側を「上」、－Ｚ軸方向、すなわち、下側を「下」とも言う。また、ロボットアームについては、図１中の基台１１側を「基端」、その反対側、すなわち、エンドエフェクター側を「先端」とも言う。また、図１中のＺ軸方向、すなわち、上下方向を「鉛直方向」とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向、すなわち、左右方向を「水平方向」とする。

図１に示すように、ロボットシステム１００は、ロボット１と、ロボット１を制御する制御装置３と、教示装置４と、を備え、本発明の動作パラメーター調整方法を実行する。

まず、ロボット１について説明する。
図１に示すロボット１は、本実施形態では単腕の６軸垂直多関節ロボットであり、基台１１と、ロボットアーム１０と、を有する。また、ロボットアーム１０の先端部にエンドエフェクター２０を装着することができる。エンドエフェクター２０は、ロボット１の構成要件であってもよく、ロボット１の構成要件でなくてもよい。

なお、ロボット１は、図示の構成に限定されず、例えば、双腕型の多関節ロボットであってもよい。また、ロボット１は、水平多関節ロボットであってもよい。

基台１１は、ロボットアーム１０を下側から駆動可能に支持する支持体であり、例えば工場内の床に固定されている。ロボット１は、基台１１が中継ケーブル１８を介して制御装置３と電気的に接続されている。なお、ロボット１と制御装置３との接続は、図１に示す構成のように有線による接続に限定されず、例えば、無線による接続であってもよく、さらには、インターネットのようなネットワークを介して接続されていてもよい。

本実施形態では、ロボットアーム１０は、第１アーム１２と、第２アーム１３と、第３アーム１４と、第４アーム１５と、第５アーム１６と、第６アーム１７とを有し、これらのアームが基台１１側からこの順に連結されている。なお、ロボットアーム１０が有するアームの数は、６つに限定されず、例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、５つまたは７つ以上であってもよい。また、各アームの全長等の大きさは、それぞれ、特に限定されず、適宜設定可能である。

基台１１と第１アーム１２とは、関節１７１を介して連結されている。そして、第１アーム１２は、基台１１に対し、鉛直方向と平行な第１回動軸を回動中心とし、その第１回動軸回りに回動可能となっている。第１回動軸は、基台１１が固定される床の法線と一致している。

第１アーム１２と第２アーム１３とは、関節１７２を介して連結されている。そして、第２アーム１３は、第１アーム１２に対し、水平方向と平行な第２回動軸を回動中心として回動可能となっている。第２回動軸は、第１回動軸に直交する軸と平行である。

第２アーム１３と第３アーム１４とは、関節１７３を介して連結されている。そして、第３アーム１４は、第２アーム１３に対して水平方向と平行な第３回動軸を回動中心として回動可能となっている。第３回動軸は、第２回動軸と平行である。

第３アーム１４と第４アーム１５とは、関節１７４を介して連結されている。そして、第４アーム１５は、第３アーム１４に対し、第３アーム１４の中心軸方向と平行な第４回動軸を回動中心として回動可能となっている。第４回動軸は、第３回動軸と直交している。

第４アーム１５と第５アーム１６とは、関節１７５を介して連結されている。そして、第５アーム１６は、第４アーム１５に対して第５回動軸を回動中心として回動可能となっている。第５回動軸は、第４回動軸と直交している。

第５アーム１６と第６アーム１７とは、関節１７６を介して連結されている。そして、第６アーム１７は、第５アーム１６に対して第６回動軸を回動中心として回動可能となっている。第６回動軸は、第５回動軸と直交している。

また、第６アーム１７は、ロボットアーム１０の中で最も先端側に位置するロボット先端部となっている。この第６アーム１７は、ロボットアーム１０の駆動により、エンドエフェクター２０ごと回動することができる。

ロボット１は、駆動部としてのモーターＭ１、モーターＭ２、モーターＭ３、モーターＭ４、モーターＭ５およびモーターＭ６と、エンコーダーＥ１、エンコーダーＥ２、エンコーダーＥ３、エンコーダーＥ４、エンコーダーＥ５およびエンコーダーＥ６とを備える。モーターＭ１は、関節１７１に内蔵され、基台１１と第１アーム１２とを相対的に回転させる。モーターＭ２は、関節１７２に内蔵され、第１アーム１２と第２アーム１３とを相対的に回転させる。モーターＭ３は、関節１７３に内蔵され、第２アーム１３と第３アーム１４とを相対的に回転させる。モーターＭ４は、関節１７４に内蔵され、第３アーム１４と第４アーム１５とを相対的に回転させる。モーターＭ５は、関節１７５に内蔵され、第４アーム１５と第５アーム１６とを相対的に回転させる。モーターＭ６は、関節１７６に内蔵され、第５アーム１６と第６アーム１７とを相対的に回転させる。

また、エンコーダーＥ１は、関節１７１に内蔵され、モーターＭ１の位置を検出する。エンコーダーＥ２は、関節１７２に内蔵され、モーターＭ２の位置を検出する。エンコーダーＥ３は、関節１７３に内蔵され、モーターＭ３の位置を検出する。エンコーダーＥ４は、関節１７４に内蔵され、モーターＭ４の位置を検出する。エンコーダーＥ５は、関節１７５に内蔵され、モーターＭ５の位置を検出する。エンコーダーＥ６は、関節１７６に内蔵され、モーターＭ６の位置を検出する。

エンコーダーＥ１～エンコーダーＥ６は、制御装置３と電気的に接続されており、モーターＭ１～モーターＭ６の位置情報、すなわち、回転量が制御装置３に電気信号として送信される。そして、この情報に基づいて、制御装置３は、モーターＭ１～モーターＭ６を、図示しないモータードライバーを介して駆動させる。すなわち、ロボットアーム１０を制御するということは、モーターＭ１～モーターＭ６を制御することである。

また、ロボットアーム１０の先端には、制御点ＣＰが設定されている。制御点ＣＰは、ロボットアーム１０の制御を行う際の基準となる点のことである。ロボットシステム１００では、ロボット座標系で制御点ＣＰの位置を把握し、制御点ＣＰが所望の位置に移動するようにロボットアーム１０を駆動する。

また、ロボット１では、ロボットアーム１０に、力を検出する力検出部１９が着脱自在に設置される。そして、ロボットアーム１０は、力検出部１９が設置された状態で駆動することができる。力検出部１９は、本実施形態では、６軸力覚センサーである。力検出部１９は、互いに直交する３個の検出軸上の力の大きさと、当該３個の検出軸まわりのトルクの大きさとを検出する。すなわち、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の力成分と、Ｘ軸回りとなるＴｘ方向（Ｕ方向）の力成分と、Ｙ軸回りとなるＴｙ（Ｖ方向）方向の力成分と、Ｚ軸回りとなるＴｚ方向（Ｗ方向）の力成分とを検出する。なお、本実施形態では、Ｚ軸方向が鉛直方向となっている。また、各軸方向の力成分を「並進力成分」と言い、各軸回りの力成分を「回転力成分」と言うこともできる。また、力検出部１９は、６軸力覚センサーに限定されず、他の構成のものであってもよい。

本実施形態では、力検出部１９は、第６アーム１７に設置されている。なお、力検出部１９の設置箇所としては、第６アーム１７、すなわち、最も先端側に位置するアームに限定されず、例えば、他のアームや、隣り合うアーム同士の間や、基台１１の下方であってもよいし、全関節にそれぞれ設置されていてもよい。

力検出部１９には、エンドエフェクター２０を着脱可能に装着することができる。エンドエフェクター２０は、一対の爪が接近離間することにより物品を把持するハンドで構成されているが、本発明ではこれに限定されず、２本以上の爪を有していてもよい。また、吸着により物品を把持するハンドであってもよい。

また、ロボット座標系において、エンドエフェクター２０の先端の任意の位置、好ましくは各爪が接近した状態における先端にツールセンターポイントＴＣＰが設定されている。前述したように、ロボットシステム１００では、ロボット座標系で制御点ＣＰの位置を把握し、制御点ＣＰが所望の位置に移動するようにロボットアーム１０を駆動する。また、エンドエフェクター２０の種類、特に、長さを把握しておくことにより、ツールセンターポイントＴＣＰと制御点ＣＰとのオフセット量を把握することができる。このため、ツールセンターポイントＴＣＰの位置をロボット座標系で把握することができる。したがって、ツールセンターポイントＴＣＰを制御の基準とすることができる。

また、図１に示すように、ロボット１は、第１対象物であるワークＷ１を把持して、第２対象物であるワークＷ２に挿入し、嵌合する作業を行う。ここで、「嵌合」とは、狭義の嵌合のみならず、嵌入、係合等を含む広い概念で用いられる。したがって、ワークＷ１およびワークＷ２の構成によっては、「嵌合」を「嵌入」、「係合」等と読み換えることができる。なお、ワークＷ２を把持してワークＷ１をワークＷ２に挿入させる作業であってもよい。

ワークＷ１は、横断面形状が円形をなす棒状体である。なお、ワークＷ１は、横断面形状が三角形、四角形またはそれ以上の多角形であってもよく、電子機器のコネクターや、プラスチック外装品等のものであってもよい。ワークＷ２は、ワークＷ１が挿入される挿入孔２００を有するブロック状をなしている。

また、図３～図６に示すように、ワークＷ２の挿入孔２００には、ワークＷ１を挿入時の抵抗力として作用するスナッピング機構４１１が設けられる。スナッピング機構４１１は、コネクター挿入や、プラスチック部品の組立において実際の用途で部品自体が機能を持つこともある。ここでは、スナッピング機構４１１を機能部品として別に示している。

次に、制御装置３および教示装置４について説明する。
制御装置３は、ロボット１から離間して配置されており、プロセッサーの１例であるＣＰＵ（Central Processing Unit）が内蔵されたコンピューター等で構成することができる。この制御装置３は、ロボット１の基台１１に内蔵されていてもよい。

制御装置３は、中継ケーブル１８によりロボット１と通信可能に接続される。また、制御装置３は、教示装置４とケーブルで、または無線通信可能に接続される。教示装置４は、専用のコンピューターであってもよいし、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。例えばロボット１を教示するための専用装置であるティーチングペンダント等を教示装置４の代わりに用いても良い。さらに、制御装置３と教示装置４とは、別々の筐体を備えていてもよいし、一体に構成されていてもよい。

また、教示装置４には、後述する目標位置姿勢Ｓ_ｔと目標力ｆ_Ｓｔとを引数とする実行プログラムを生成して制御装置３にロードするためのプログラムがインストールされていてもよい。教示装置４は、ディスプレイ、プロセッサー、ＲＡＭやＲＯＭを備え、これらのハードウェア資源が教示プログラムと協働して実行プログラムを生成する。

図２に示すように、制御装置３は、ロボット１の制御を行うための制御プログラムがインストールされたコンピューターである。制御装置３は、プロセッサーや図示しないＲＡＭやＲＯＭを備え、これらのハードウェア資源がプログラムと協働することによりロボット１を制御する。

また、図２に示すように、制御装置３は、目標位置設定部３Ａと、駆動制御部３Ｂと、記憶部３Ｃと、パラメーター調整部３Ｄと、を有する。記憶部３Ｃ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、着脱式の外部記憶装置等で構成される。記憶部３Ｃには、本発明の動作パラメーター調整方法を実行するためのプログラム等、ロボット１を作動させるための動作プログラムが記憶されている。

目標位置設定部３Ａは、ワークＷ１に対して所定の作業を実行するための目標位置姿勢Ｓ_ｔおよび動作経路を設定する。目標位置設定部３Ａは、教示装置４から入力された教示情報等に基づいて、目標位置姿勢Ｓ_ｔおよび動作経路を設定する。

駆動制御部３Ｂは、ロボットアーム１０の駆動を制御するものであり、位置制御部３０と、座標変換部３１と、座標変換部３２と、補正部３３と、力制御部３４と、指令統合部３５と、を有する。

位置制御部３０は、予め作成されたコマンドで指定される目標位置に従って、ロボット１のツールセンターポイントＴＣＰの位置を制御する位置指令信号、すなわち、位置指令値Ｐを生成する。

ここで、制御装置３は、ロボット１の動作を力制御等で制御することが可能である。「力制御」とは、力検出部１９の検出結果に基づいて、エンドエフェクター２０の位置、すなわち、ツールセンターポイントＴＣＰの位置や、第１アーム１２～第６アーム１７の姿勢を変更したりするロボット１の動作の制御のことである。

力制御には、例えば、フォーストリガー制御と、インピーダンス制御とが含まれている。フォーストリガー制御では、力検出部１９により力検出を行い、その力検出部１９により所定の力を検出するまで、ロボットアーム１０に移動や姿勢の変更の動作をさせる。

インピーダンス制御は、倣い制御を含む。まず、簡単に説明すると、インピーダンス制御では、ロボットアーム１０の先端部に加わる力を可能な限り所定の力に維持、すなわち、力検出部１９により検出される所定方向の力を可能な限り目標力ｆ_Ｓｔに維持するようにロボットアーム１０の動作を制御する。これにより、例えば、ロボットアーム１０に対してインピーダンス制御を行うと、ロボットアーム１０は、対象物や、オペレーターから加わった外力に対し、前記所定方向について倣う動作を行う。なお、目標力ｆ_Ｓｔには、０も含まれる。例えば、倣い動作の場合の設定の１つとしては、目標値を「０」とすることができる。なお、目標力ｆ_Ｓｔを０以外の数値とすることもできる。この目標力ｆ_Ｓｔは、作業者が適宜設定可能である。

記憶部３Ｃは、モーターＭ１～モーターＭ６の回転角度の組み合わせと、ロボット座標系におけるツールセンターポイントＴＣＰの位置との対応関係を記憶している。また、制御装置３は、ロボット１が行う作業の工程ごとに目標位置姿勢Ｓ_ｔと目標力ｆ_Ｓｔとの少なくとも一方をコマンドに基づいて記憶部３Ｃに記憶する。目標位置姿勢Ｓ_ｔおよび目標力ｆ_Ｓｔを引数、すなわち、パラメーターとするコマンドは、ロボット１が行う作業の工程ごとに設定される。

駆動制御部３Ｂは、設定された目標位置姿勢Ｓ_ｔと目標力ｆ_ＳｔとがツールセンターポイントＴＣＰにて一致するように、第１アーム１２～第６アーム１７を制御する。目標力ｆ_Ｓｔとは、第１アーム１２～第６アーム１７の動作によって達成されるべき力検出部１９の検出力およびトルクである。ここで、「Ｓ」の文字は、ロボット座標系を規定する軸の方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のいずれか１つの方向を表すこととする。また、Ｓは、Ｓ方向の位置も表すこととする。例えば、Ｓ＝Ｘの場合、ロボット座標系にて設定された目標位置のＸ方向成分がＳ_ｔ＝Ｘ_ｔとなり、目標力のＸ方向成分がｆ_Ｓｔ＝ｆ_Ｘｔとなる。

また、駆動制御部３Ｂでは、モーターＭ１～モーターＭ６の回転角度を取得すると、図２に示す座標変換部３１が、対応関係に基づいて、当該回転角度をロボット座標系におけるツールセンターポイントＴＣＰの位置姿勢Ｓ（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）に変換する。そして、座標変換部３２が、ツールセンターポイントＴＣＰの位置姿勢Ｓと、力検出部１９の検出値とに基づいて、力検出部１９に現実に作用している作用力ｆ_Ｓをロボット座標系において特定する。

作用力ｆ_Ｓの作用点は、ツールセンターポイントＴＣＰとは別に力検出原点として定義される。力検出原点は、力検出部１９が力を検出している点に対応する。なお、制御装置３は、ロボット座標系におけるツールセンターポイントＴＣＰの位置姿勢Ｓごとに、力検出部１９のセンサー座標系における検出軸の方向を規定した対応関係を記憶している。従って、制御装置３は、ロボット座標系におけるツールセンターポイントＴＣＰの位置姿勢Ｓと対応関係とに基づいて、ロボット座標系における作用力ｆ_Ｓを特定できる。また、ロボット１に作用するトルクは、作用力ｆ_Ｓと、接触点から力検出部１９までの距離とから算出することができ、回転力成分として特定される。なお、ワークＷ１に対してエンドエフェクター２０が接触して作業を行う場合、接触点は、ツールセンターポイントＴＣＰとみなすことができる。

補正部３３は、作用力ｆ_Ｓに対して重力補償を行う。重力補償とは、作用力ｆ_Ｓから重力に起因する力やトルクの成分を除去することである。重力補償を行った作用力ｆ_Ｓは、ロボットアーム１０またはエンドエフェクター２０に作用している重力以外の力と見なすことができる。

また、補正部３３は、作用力ｆ_Ｓに対して慣性補償を行う。慣性補償とは、作用力ｆ_Ｓから慣性力に起因する力やトルクの成分を除去することである。慣性補償を行った作用力ｆ_Ｓは、ロボットアーム１０またはエンドエフェクター２０に作用している慣性力以外の力と見なすことができる。

力制御部３４は、インピーダンス制御を行う。インピーダンス制御は、仮想の機械的インピーダンスをモーターＭ１～モーターＭ６によって実現する能動インピーダンス制御である。制御装置３は、このようなインピーダンス制御を、ワークの嵌合作業、螺合作業、研磨作業等、エンドエフェクター２０が対象物であるワークから力を受ける接触状態の工程や、直接教示を行う際に実行する。なお、このような工程以外であっても、例えば、人がロボット１に接触した際にインピーダンス制御を行うことにより、安全性を高めることができる。

インピーダンス制御では、目標力ｆ_Ｓｔを後述する運動方程式に代入してモーターＭ１～モーターＭ６の回転角度を導出する。制御装置３がモーターＭ１～モーターＭ６を制御する信号は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調された信号である。

また、制御装置３は、エンドエフェクター２０が外力を受けない非接触状態の工程では、目標位置姿勢Ｓ_ｔから線形演算で導出する回転角度でモーターＭ１～モーターＭ６を制御する。目標位置姿勢Ｓ_ｔから線形演算で導出する回転角度でモーターＭ１～モーターＭ６を制御するモードのことを、位置制御モードと言う。

制御装置３は、目標力ｆ_Ｓｔと作用力ｆ_Ｓとをインピーダンス制御の運動方程式に代入することにより、力由来補正量ΔＳを特定する。力由来補正量ΔＳとは、ツールセンターポイントＴＣＰが機械的インピーダンスを受けた場合に、目標力ｆ_Ｓｔとの力偏差Δｆ_Ｓ（ｔ）を解消するために、ツールセンターポイントＴＣＰが移動すべき位置姿勢Ｓの大きさを意味する。下記の式（１）は、インピーダンス制御の運動方程式である。

式（１）の左辺は、ツールセンターポイントＴＣＰの位置姿勢Ｓの２階微分値に仮想質量係数ｍ（以下、「質量係数ｍ」と言う）を乗算した第１項と、ツールセンターポイントＴＣＰの位置姿勢Ｓの微分値に仮想粘性係数ｄ（以下、「粘性係数ｄ」と言う）を乗算した第２項と、ツールセンターポイントＴＣＰの位置姿勢Ｓに仮想弾性係数ｋ（以下、「弾性係数ｋ」と言う）を乗算した第３項とによって構成される。式（１）の右辺は、目標力ｆ_Ｓｔから現実の力ｆを減算した力偏差Δｆ_Ｓ（ｔ）によって構成される。式（１）における微分とは、時間による微分を意味する。ロボット１が行う工程において、目標力ｆ_Ｓｔとして一定値が設定される場合もあるし、目標力ｆ_Ｓｔとして時間の関数が設定される場合もある。

質量係数ｍは、ツールセンターポイントＴＣＰが仮想的に有する質量を意味し、粘性係数ｄは、ツールセンターポイントＴＣＰが仮想的に受ける粘性抵抗を意味し、弾性係数ｋは、ツールセンターポイントＴＣＰが仮想的に受ける弾性力のバネ定数を意味する。

質量係数ｍの値が大きくなるにつれて、動作の加速度が小さくなり、質量係数ｍの値が小さくなるにつれて動作の加速度が大きくなる。粘性係数ｄの値が大きくなるにつれて、動作の速度が遅くなり、粘性係数ｄの値が小さくなるにつれて動作の速度が速くなる。弾性係数ｋの値が大きくなるにつれて、バネ性が大きくなり、弾性係数ｋの値が小さくなるにつれて、バネ性が小さくなる。

これら質量係数ｍ、粘性係数ｄおよび弾性係数ｋは、方向ごとに異なる値に設定されてもよいし、方向に関わらず共通の値に設定されてもよい。また、質量係数ｍ、粘性係数ｄおよび弾性係数ｋは、作業者が、作業前に適宜設定可能である。

このような質量係数ｍ、粘性係数ｄおよび弾性係数ｋは、力制御パラメーターである。力制御パラメーターは、ロボットアーム１０が実際に作業を行うのに先立って設定される値である。力制御パラメーターは、質量係数ｍ、粘性係数ｄおよび弾性係数ｋの他に、前述したような目標力ｆ_Ｓｔ等が含まれる。

このように、ロボットシステム１００では、力制御を実行中、力検出部１９の検出値、予め設定された力制御パラメーター、および、予め設定された目標力ｆ_Ｓｔから補正量を求める。この補正量は、前述した力由来補正量ΔＳのことであり、外力を受けたその位置からツールセンターポイントＴＣＰを移動すべき位置との差のことである。

そして、指令統合部３５は、位置制御部３０が生成した位置指令値Ｐに、力由来補正量ΔＳを合算する。これを随時行うことにより、指令統合部３５は、外力を受けた位置に移動させるために用いていた位置指令値Ｐから、新たな位置指令値Ｐ’を求める。

そして、この新たな位置指令値Ｐ’を座標変換部３１がロボット座標に変換し、実行部３５１が実行することにより、力由来補正量ΔＳを加味した位置にツールセンターポイントＴＣＰを移動させて、外力に対して応答し、ロボット１に接触した対象物に対し、それ以上負荷がかかるのを緩和することができる。

このような駆動制御部３Ｂによれば、ワークＷ１を把持した状態で、ツールセンターポイントＴＣＰを目標位置姿勢Ｓ_ｔに向かって移動させつつ、かつ、目標力ｆ_Ｓｔが予め設定された値になるまでツールセンターポイントＴＣＰが移動するようにロボットアーム１０を駆動することができる。具体的には、ワークＷ１がワークＷ２の挿入孔２００に挿入され、予め設定された目標力ｆ_Ｓｔを検出するまで挿入作業を行い、挿入作業を完了することができる。また、挿入過程において、上記のような力制御を行うことにより、ワークＷ１およびワークＷ２に過剰に負荷がかかるのを防止または抑制することができる。

図２に示すパラメーター調整部３Ｄは、後述するように、動作パラメーターを調整する。

ここで、作業者は、作業の内容や、ワークＷ１およびワークＷ２の種類等に応じて、作業を行う前に、適切な動作パラメーターを設定する必要がある。動作パラメーターには、力制御パラメーター、位置制御パラメーター等が含まれる。力制御パラメーターは、前述したように、質量係数ｍ、粘性係数ｄおよび弾性係数ｋ、目標力ｆ_Ｓｔ等を含む。位置制御パラメーターは、位置制御を行う際に設定されるパラメーターのことであり、ツールセンターポイントＴCＰの速度、加速度等を含む。

これらを適切な値に設定することにより、作業中のロボットアーム１０のモードを作業に適したモードとすることができ、所望の作業時間で、ワークＷ１およびワークＷ２に過剰な負荷をかけることなく正確な作業を行うことができる。

しかしながら、動作パラメーターを適切な値に設定することは難しく、従来では、試験的に作業を行い、作業時間等の作業結果に基づいて何度も力制御パラメーターを変更しながら、所望の作業結果になるまで試行錯誤しながら手探りで力制御パラメーターの適切な値を設定する必要がある。このような方法では、ワーク数量および種類、作業時のロボットアーム１０の位置姿勢等の諸条件が限定されて、過剰適合状態、すなわち、ワークやロボットのばらつきが無い特定条件の下でのみ、求められる性能を発揮する動作パラメーターを得ることとなる。すなわち、上述の動作パラメーターは、製造ばらつき、把持ばらつきが存在する実運用には適さないものとなってしまう。このように、力制御に求められる生産性要件として、必要とされる適切な力と、作業時間と、のバランスが取れた力制御パラメーターを設定することは、熟練者にとっても難しい。これに対し、本発明では、以下のようにして課題を解決することができる。

以下、本発明の動作パラメーター調整方法の一例について、図７に示すフローチャートを用いて説明する。なお、以下では、動作パラメーターの一例として、力制御パラメーターを用いて説明するが、本発明ではこれに限定されず、上述した位置制御パラメーターにも適用することができる。

以下の各ステップは、本実施形態では、制御装置３および教示装置４が分担して行うが、本発明ではこれに限定されず、制御装置３および教示装置４のうちのいずれかが実行する構成であってもよい。

ステップＳ１０１では、部品ばらつきの設定、すなわち、作業開始時のワークＷ１の位置姿勢のばらつきの設定を行う。例えば、図３に示すような作業開始時のワークＷ１の理想的な位置姿勢と、位置姿勢のばらつきの範囲をユーザーが入力する。この入力は、例えば、教示装置４を用いてなされる。

位置姿勢のばらつきの範囲とは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｕ軸、Ｖ軸およびＷ軸回りの回転角度の上限および下限のことを言う。以下では、図８に示すように、Ｘ軸回りの上限を＋ａ_ｘ、Ｘ軸回りの下限を－ａ_ｘ、Ｙ軸回りの上限を＋ａ_ｙ、Ｙ軸回りの下限を－ａ_ｙ、Ｚ軸回りの上限を＋ａ_ｚ、Ｚ軸回りの下限を－ａ_ｚ、Ｕ軸回りの上限を＋ａ_ｕ、Ｕ軸回りの下限を－ａ_ｕ、Ｖ軸回りの上限を＋ａ_ｖ、Ｖ軸回りの下限を－ａ_ｖ、Ｗ軸回りの上限を＋ａ_ｗ、Ｗ軸回りの下限を－ａ_ｗ、として入力したこととする。

次いで、ステップＳ１０２において、パラメーター調整部３Ｄは、複数評価位置姿勢の決定を行う。すなわち、ワークＷ１を把持したロボットアーム１０の作業開始位置姿勢にバラツキを付与する（図４～図６参照）。以下では、図３～図６に示す作業開始位置姿勢を評価位置姿勢とも言う。

図３に示す評価位置姿勢から、各軸の評価値が悪い位置姿勢を評価位置姿勢として決定する（図６参照）。具体的には、図９に示すように、Ｘ軸回りの位置姿勢を－ａ_ｘ、Ｙ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｙ、Ｚ軸回りの位置姿勢を－ａ_ｚ、Ｕ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｕ、Ｖ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｖ、Ｗ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｗとする。

次に、並進方向および回転方向を組み合わせた位置姿勢を評価位置姿勢として追加する。具体的には、図１０に示すように、Ｘ軸回りの位置姿勢を－ａ_ｘ、Ｙ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｙ、Ｚ軸回りの位置姿勢を－ａ_ｚ、Ｕ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｕ、Ｖ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｖ、Ｗ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｗとするような評価位置姿勢（図４参照）を追加する。また、Ｘ軸回りの位置姿勢を－ａ_ｘ、Ｙ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｙ、Ｚ軸回りの位置姿勢を－ａ_ｚ、Ｕ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｕ、Ｖ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｖ、Ｗ軸回りの位置姿勢を＋ａ_ｗとするような評価位置姿勢（図５参照）を追加する。

次に、最も難易度が低い評価位置姿勢、すなわち、Ｘ軸回りの位置姿勢を０、Ｙ軸回りの位置姿勢を０、Ｚ軸回りの位置姿勢を０、Ｕ軸回りの位置姿勢を０、Ｖ軸回りの位置姿勢を０、Ｗ軸回りの位置姿勢を０とするような評価位置姿勢（図３参照）を追加する。

このようにして、図３～図６に示す評価位置姿勢を得ることができる。図３に示す評価位置姿勢Ａは、４つの評価位置姿勢の中で、作業の難易度が最も低い位置姿勢である。図６に示す評価位置姿勢Ｄは、４つの評価位置姿勢の中で、作業の難易度が最も高い位置姿勢である。図４に示す評価位置姿勢Ｂおよび図５に示す評価位置姿勢Ｃは、作業の難易度が、図３に示す評価位置姿勢Ａよりも高く、図６に示す評価位置姿勢Ｄよりも低い。

後述するステップにおける、動作パラメーターの最適化中に、このような複数の評価位置姿勢を用いて調整を行うことによって安定した最適パラメーターを得ることができる。特に、４つの評価位置姿勢をランダムに設定するのではなく、作業の難易度を段階的に設定し、かつ、作業の難易度が高い評価位置姿勢を含むように、評価位置姿勢を設定することにより、より適正な動作パラメーターを設定することができる。

次いで、ステップＳ１０３において、パラメーター調整部３Ｄは動作パラメーターを決定する。なお、１ループ目のステップＳ１０３は、予め設定された初期動作パラメーター、すなわち、仮動作パラメーターに決定する。

次いで、ステップＳ１０４において、パラメーター調整部３Ｄは評価位置姿勢を決定する。例えば、１ループ目は、評価位置姿勢Ａ、２ループ目は、評価位置姿勢Ｂ、３ループ目は、評価位置姿勢Ｃ、４ループ目は、評価位置姿勢Ｄの順番で決定することができる。ただし、この順に限定されない。

次いで、ステップＳ１０５において、駆動制御部３Ｂはロボットアーム１０をステップＳ１０４で決定した評価位置姿勢に移動させる。すなわち、ワークＷ１を把持したロボットアーム１０の位置姿勢が、ステップＳ１０４で決定した評価位置姿勢となるようロボットアーム１０を駆動する。

次いで、ステップＳ１０６において、駆動制御部３Ｂはロボットアーム１０に力覚動作を実行させる。すなわち、指定された作業を力制御により実行する。次いで、ステップＳ１０７において、力覚動作の成功判定を行う。ステップＳ１０７において、成功したと判断した場合、ステップＳ１０８に移行し、ステップＳ１０７において、失敗したと判断した場合、ステップＳ１０３に移行する。

ステップＳ１０８では、パラメーター調整部３Ｄは作業を終了するか否かを判断する。本ステップにおける判断は、４つの評価位置姿勢の全てで作業を行ったか、すなわち、ステップＳ１０３～ステップＳ１０７を４ループ行ったか否かに基づいてなされる。ステップＳ１０８において、作業を終了すると判断した場合、ステップＳ１０９に移行し、ステップＳ１０８において、作業を終了しないと判断した場合、ステップＳ１０４に移行する。

次いで、ステップＳ１０９では、パラメーター調整部３Ｄは力制御パラメーターの最適化を行う。すなわち、４回の作業の評価値をそれぞれ取得し、各作業の評価値を基準評価値と対比する。そして、基準評価値以下となった作業における前記位置姿勢の中から、１つの位置姿勢を決定する。

評価値は、作業の良し悪しを段階的に評価するための値であり、例えば、最高から最低のｎ段階としたとき、ｎが最小（ｎ＝１）が低評価、最大（ｎ）が高評価とする。

なお、基準評価値は、予め設定された値であり、評価値の良し悪しを決定する基準となる値である。基準評価値は、例えば、１～ｎまでの間の数値とされる。

このように本ステップでは、最も良い評価値を用いず、敢えて評価値が比較的低い評価位置姿勢を選択する。このようなステップＳ１０１～ステップＳ１０９が、位置姿勢決定ステップである。

次いで、ステップＳ１１０では、パラメーター調整部３ＤはステップＳ１０９で選択した位置姿勢を開始位置姿勢として実行する作業に適した動作パラメーターを決定する。本ステップでは、例えば、開始位置姿勢と、動作パラメーターとの関係を示すテーブルや検量線に基づいてなされる。

次いで、ステップＳ１１１において、パラメーター調整部３Ｄは位置姿勢補正値を決定する。すなわち、ステップＳ１０９で選択した位置姿勢に対し、付与するばらつき量を決定し、ステップＳ１１２において、評価位置姿勢を更新する。このようなステップＳ１１１およびステップＳ１１２が、更新ステップである。

次いで、ステップＳ１１３では、最適化アルゴリズムによって算出された動作パラメーターを用いて、駆動制御部３Ｂはロボットアーム１０に力覚動作を実行させる。すなわち、ロボットアーム１０は、指定された作業を力制御により実行する。次いで、ステップＳ１１４において、力覚動作の成功判定を行う。ステップＳ１１４において、成功したと判断した場合、ステップＳ１１５に移行し、ステップＳ１１４において、失敗したと判断した場合、ステップＳ１１６に移行する。

最適化アルゴリズムとしては、Nelder-Mead法、ニュートン法、共分散行列適応進化戦略法(Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy)、粒子群最適化法(Particle Swarm Optimization)や、ベイズ最適化法等が挙げられる。

最適化アルゴリズムに対して、評価関数を構成する各入力値に対する配分比を適切に設定しつつ多目的最適化を行うことで、収束に至るまでの作業回数を少なくすることができる。

なお、ステップＳ１１３において、力覚動作実行する際、作業に係る時間またはロボット１の振動を計測する。

次いで、ステップＳ１１６では、パラメーター調整部３ＤはステップＳ１１３で取得した作業に係る時間またはロボット１の振動に基づいて、動作パラメーターを決定する。すなわち、計測した作業に係る時間またはロボット１の振動に基づいて、仮動作パラメーターを更新する。本ステップにおける決定は、例えば、計測した前記作業に係る時間またはロボット１の振動と、それに対応する動作パラメーターとの関係を示すテーブルに基づいてなされる。そして、ステップＳ１１３に戻る。

ステップＳ１１５では、パラメーター調整部３Ｄは最適化が終了したか否かを判定する。本ステップにおける判定は、計測した作業に係る時間またはロボット１の振動が収束したか否かに基づいてなされる。例えば、ｎ回目の作業にかかった時間と、ｎ－１回目の作業にかかった時間との差分が所定値以下の状態が所定回数続いた場合に、収束したとみなすことができる。

本ステップでは、ユーザーが部品ばらつきを軸ごとに入力し、その範囲を基に評価位置姿勢を決定する。

ステップＳ１１５において、最適化が終了したと判断した場合、ステップＳ１１７において、例えば、教示装置４を用いて、ユーザーに解を表示する。なお、ステップＳ１１５において、最適化が終了していないと判断した場合、ステップＳ１１１に戻り、以降のステップを順次繰り返す。このようなステップＳ１１１～ステップＳ１１６が、決定ステップである。

このように、本発明の動作パラメーター調整方法は、ロボット１を動作させ、対象物であるワークＷ１を用いて作業を行う際のロボット１に設定される動作パラメーターを決定する動作パラメーター調整方法であって、作業を開始する際のワークＷ１の位置姿勢を変えてロボット１に作業を複数回実行させて、それぞれの作業の評価値を取得し、取得した複数の作業の評価値を基準評価値と対比して、評価値が基準評価値以下となった対象物の位置姿勢の中から、評価位置姿勢を決定する位置姿勢決定ステップと、位置姿勢決定ステップにおいて決定された位置姿勢を前記作業の開始位置姿勢として、仮動作パラメーターでロボット１を動作させ、作業に係る時間またはロボット１の振動を計測し、計測した作業に係る時間またはロボット１の振動に基づいて、仮動作パラメーターを更新する更新ステップと、計測した作業に係る時間またはロボット１の振動が収束するまで、更新ステップを繰り返し行い、最新の仮動作パラメーターを実際に作業を行う際の動作パラメーターとして決定する決定ステップと、を有する。これにより、従来のように力制御パラメーターを変えながら試験的に作業を繰り返し、どのような動作パラメーターがその作業に適しているかを見極めるという作業を省略しつつ、動作パラメーターを適正かつ容易に設定することができる。特に、位置姿勢決定ステップにおいて、最も良い評価値を用いず、敢えて評価値が比較的低い位置姿勢を選択することにより、過剰適合を抑制しつつ、さらに正確な動作パラメーターを設定することができる。

また、ロボット１は、複数の関節を有するロボットアーム１０を備え、位置姿勢決定ステップでは、各関節の回転角度にばらつきを与えて複数の位置姿勢を取得する。これにより、より適正な評価位置姿勢を取得することができ、よって、より適正な動作パラメーターを設定することができる。

また、作業は力制御を用いたロボット１の動作を含み、動作パラメーターは、力制御パラメーターを含む。これにより、より適正な力制御パラメーターを設定することができる。

また、力制御パラメーターは、目標力、仮想粘性係数、仮想弾性係数、仮想質量係数の少なくとも１つを含む。これにより、より適正な力制御パラメーターを設定することができる。

＜ロボットシステムの他の構成例＞
図１２は、ロボットシステムについてハードウェアを中心として説明するためのブロック図である。

図１２には、ロボット１とコントローラー６１とコンピューター６２が接続されたロボットシステム１００Ａの全体構成が示されている。ロボット１の制御は、コントローラー６１にあるプロセッサーによりメモリーにある指令を読み出して実行されてもよいし、コンピューター６２に存在するプロセッサーによりメモリーにある指令を読み出してコントローラー６１を介して実行されてもよい。

従って、コントローラー６１とコンピューター６２とのいずれか一方または両方を「制御装置」として捉えることができる。

＜変形例１＞
図１３は、ロボットシステムのハードウェアを中心とした変形例１を示すブロック図である。

図１３には、ロボット１に直接コンピューター６３が接続されたロボットシステム１００Ｂの全体構成が示されている。ロボット１の制御は、コンピューター６３に存在するプロセッサーによりメモリーにある指令を読み出して直接実行される。
従って、コンピューター６３を「制御装置」として捉えることができる。

＜変形例２＞
図１４は、ロボットシステムのハードウェアを中心とした変形例２を示すブロック図である。

図１４には、コントローラー６１が内蔵されたロボット１とコンピューター６６が接続され、コンピューター６６がＬＡＮ等のネットワーク６５を介してクラウド６４に接続されているロボットシステム１００Ｃの全体構成が示されている。ロボット１の制御は、コンピューター６６に存在するプロセッサーによりメモリーにある指令を読み出して実行されてもよいし、クラウド６４上に存在するプロセッサーによりコンピューター６６を介してメモリーにある指令を読み出して実行されてもよい。

従って、コントローラー６１とコンピューター６６とクラウド６４とのいずれか１つ、または、いずれか２つ、または、３つを「制御装置」として捉えることができる。

以上、本発明の動作パラメーター調整方法を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。また、ロボットシステムを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。

１…ロボット、３…制御装置、３Ａ…目標位置設定部、３Ｂ…駆動制御部、３Ｃ…記憶部、３Ｄ…パラメーター調整部、４…教示装置、１０…ロボットアーム、１１…基台、１２…第１アーム、１３…第２アーム、１４…第３アーム、１５…第４アーム、１６…第５アーム、１７…第６アーム、１８…中継ケーブル、１９…力検出部、２０…エンドエフェクター、３０…位置制御部、３１…座標変換部、３２…座標変換部、３３…補正部、３４…力制御部、３５…指令統合部、３５１…実行部、６１…コントローラー、６２…コンピューター、６３…コンピューター、６４…クラウド、６５…ネットワーク、６６…コンピューター、１００…ロボットシステム、１００Ａ…ロボットシステム、１００Ｂ…ロボットシステム、１００Ｃ…ロボットシステム、１７１…関節、１７２…関節、１７３…関節、１７４…関節、１７５…関節、１７６…関節、２００…挿入孔、４１１…スナッピング機構、Ａ…評価位置姿勢、Ｂ…評価位置姿勢、Ｃ…評価位置姿勢、Ｄ…評価位置姿勢、ＣＰ…制御点、Ｅ１…エンコーダー、Ｅ２…エンコーダー、Ｅ３…エンコーダー、Ｅ４…エンコーダー、Ｅ５…エンコーダー、Ｅ６…エンコーダー、Ｍ１…モーター、Ｍ２…モーター、Ｍ３…モーター、Ｍ４…モーター、Ｍ５…モーター、Ｍ６…モーター、ＴＣＰ…ツールセンターポイント、Ｗ１…ワーク、Ｗ２…ワーク

Claims (4)

1. ロボットを動作させ、対象物を用いて作業を行う際の前記ロボットに設定される動作パラメーターを決定する動作パラメーター調整方法であって、
   前記作業を開始する際の前記対象物の位置姿勢を変えて前記ロボットに前記作業を複数回実行させて、それぞれの前記作業の評価値を取得し、取得した複数の前記作業の評価値を基準評価値と対比して、前記評価値が前記基準評価値以下となった前記対象物の位置姿勢の中から、評価位置姿勢を決定する位置姿勢決定ステップと、
   前記位置姿勢決定ステップにおいて決定された前記評価位置姿勢を前記作業の開始位置姿勢として、仮動作パラメーターで前記ロボットを動作させ、前記作業に係る時間または前記ロボットの振動を計測し、計測した前記作業に係る時間または前記ロボットの振動に基づいて、前記仮動作パラメーターを更新する更新ステップと、
   計測した前記作業に係る時間または前記ロボットの振動が収束するまで、前記更新ステップを繰り返し行い、最新の前記仮動作パラメーターを実際に作業を行う際の動作パラメーターとして決定する決定ステップと、を有することを特徴とする動作パラメーター調整方法。
2. 前記ロボットは、複数の関節を有するロボットアームを備え、
   前記位置姿勢決定ステップでは、各前記関節の回転角度にばらつきを与えて複数の前記評価位置姿勢を取得する請求項１に記載の動作パラメーター調整方法。
3. 前記作業は力制御を用いた前記ロボットの動作を含み、
   前記動作パラメーターは、力制御パラメーターを含む請求項１または２に記載の動作パラメーター調整方法。
4. 前記力制御パラメーターは、目標力、仮想粘性係数、仮想弾性係数、仮想質量係数の少なくとも１つを含む請求項３に記載の動作パラメーター調整方法。

Images