JP2023039052A - 動作パラメーター調整方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
<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。
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。
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、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Stと目標力fSt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St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St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fSt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fSt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fStを0以外の数値とすることもできる。この目標力fSt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Stと目標力fSt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Stおよび目標力fSt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Stと目標力fSt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fSt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St=Xtとなり、目標力のX方向成分がfSt=fXt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fSをロボット座標系において特定する。
作用力fS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fS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fS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fSに対して重力補償を行う。重力補償とは、作用力fS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fS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fSに対して慣性補償を行う。慣性補償とは、作用力fS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fS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fSt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St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St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fStと作用力fS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fStとの力偏差ΔfS(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fStから現実の力fを減算した力偏差ΔfS(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fStとして一定値が設定される場合もあるし、目標力fSt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fSt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fSt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Stに向かって移動させつつ、かつ、目標力fSt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fSt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fSt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+ax、X軸回りの下限を-ax、Y軸回りの上限を+ay、Y軸回りの下限を-ay、Z軸回りの上限を+az、Z軸回りの下限を-az、U軸回りの上限を+au、U軸回りの下限を-au、V軸回りの上限を+av、V軸回りの下限を-av、W軸回りの上限を+aw、W軸回りの下限を-aw、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-ax、Y軸回りの位置姿勢を+ay、Z軸回りの位置姿勢を-az、U軸回りの位置姿勢を+au、V軸回りの位置姿勢を+av、W軸回りの位置姿勢を+aw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-ax、Y軸回りの位置姿勢を+ay、Z軸回りの位置姿勢を-az、U軸回りの位置姿勢を+au、V軸回りの位置姿勢を+av、W軸回りの位置姿勢を+aw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-ax、Y軸回りの位置姿勢を+ay、Z軸回りの位置姿勢を-az、U軸回りの位置姿勢を+au、V軸回りの位置姿勢を+av、W軸回りの位置姿勢を+aw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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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