JP2024510677A - ロボット支援表面加工のための力制御されたハンドリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】力制御において指定された加工力をほぼ確実に維持することを可能にする。【解決手段】マニピュレータに接続可能な第１のフランジと、工具または工具を有する工作機械を取り付け可能な第２のフランジとの間に作用するリニアアクチュエータを有し、制御変数に応じて、第２のフランジ又はエンドストップに力を及ぼすハンドリング装置と、第２のフランジと工具との間に結合され、工具と表面との接触時にハンドリング装置によって工具に及ぼされる力を測定する力センサと、ハンドリング装置によって工具に及ぼされる力の推定値を制御変数に基づいて決定する状態オブザーバを有する制御ユニットと、を有し、制御ユニットは、さらに、工具と表面との接触が検出されていない間は、推定値及び目標値に基づいて制御変数を設定し、接触が検出されている間は、測定された力と目標値に基づいて制御変数を設定するシステム。【選択図】図３

Description

本発明は、自動化されたロボット支援表面加工用の力制御されたハンドリング装置に関する。このようなハンドリング装置は、特にマニピュレータ（ロボット）と工作機械の間のインターフェースとして機能することができる。

ロボット支援表面処理では、工作機械（例えば、研削機械、穴開け機械、フライス機械、研磨機械等）をマニピュレータ、例えば産業用ロボットでガイドする。その際に、工作機械とマニピュレータのいわゆるＴＣＰ（Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ）とを、さまざまな方法で結合することができる。マニピュレータは通常、ＴＣＰの位置と姿勢を実質的に自由に調整し、工作機械を例えばワークの表面に平行な軌道で動かすことができる。産業用ロボットは通常、位置制御を行い、目的の軌道に沿ってＴＣＰを正確に移動させることができる。

ロボット支援の研削、研磨又は他の表面処理工程において良好な結果を得るためには、多くの場合で加工力（研削力）の制御が必要となるが、従来の産業用ロボットでは十分な精度を得ることが困難な場合が多い。産業用ロボットはアームが大きく重いため、慣性質量が大きく、制御器（クローズドループ制御）では加工力の変動に素早く反応することができない。この問題を解決するために、マニピュレータのＴＣＰと工作機械の間にマニピュレータのＴＣＰと工作機械を結合させることができる、産業用ロボットに比べて小型の（そして、軽い）ハンドリング装置を配置することができる。表面加工では、ハンドリング装置は、特にリニアアクチュエータを有し、加工力（工具とワークの接触力）のみを制御する一方、マニピュレータは位置制御されてリニアアクチュエータとともに工作機械を目的の軌道に沿って移動させる。力制御により、加工するワークの位置や形状の不正確さ、マニピュレータの軌道の不正確さを（一定の範囲内で）リニアアクチュエータの助けによりハンドリング装置が補正することができる。

ＵＳ２０１４００５８３１Ａ１

多くの表面加工プロセスでは、加工結果の品質は、加工プロセス中に加工力が所望の指定範囲内に保たれるかどうかに大きく依存する。例えば、研削加工中に（たとえ短時間であっても）過大な研削力（加工力）が加わると、加工物に深刻な損傷を与えたり、破壊したり、あるいは高い修理費が発生したりする可能性がある。

本発明者は、指定された加工力をほぼ確実に維持することを可能にする力制御を備えた改良型のハンドリング装置を開発するという課題を自らに課した。

上記の問題は、請求項１に記載の装置および請求項７に記載の方法によって解決される。様々な実施形態とさらなる発展が、従属特許請求の範囲の主題である。一実施形態は、マニピュレータに接続可能な第１のフランジと、工具または工具を有する工作機械を取り付け可能な第２のフランジとの間に作用するリニアアクチュエータを有するハンドリング装置である。リニアアクチュエータは、制御変数に応じて、第２のフランジ又はエンドストップに力を及ぼす。この装置は、さらに、第２のフランジと工具との間に結合され、工具と表面との接触時にハンドリング装置によって工具に及ぼされる力を測定するように構成された力センサを有する。制御ユニットは、ハンドリング装置によって工具に及ぼされる力の推定値を制御変数に基づいて決定する状態オブザーバを有する。制御ユニットは、さらに工具と表面との接触を検出し、接触が検出されていない間は、推定値及び目標値に基づいて制御変数を設定し、接触が検出されている間は、測定された力と目標値に基づいて制御変数を設定する。

他の実施形態は、ハンドリング装置を制御する方法である。
この装置は、マニピュレータに接続可能な第１のフランジと、工具又は工具を有する工作機械を取り付け可能な第２のフランジとの間に作用するリニアアクチュエータを有するハンドリング装置。この方法の一実施形態は、リニアアクチュエータを制御変数により制御し、リニアアクチュエータが制御変数に応じて第２のフランジ又はエンドストップに力を作用させるステップを有する。
さらに、この一実施形態は、工具と表面との間の接触を検出するステップと、工具と表面との接触時に、第２のフランジと工具との間に結合された力センサによって、ハンドリング装置が工具に及ぼす力を測定するステップとを有する。制御変数に基づいて、ハンドリング装置によって工具に及ぼされる力の推定値が決定される。接触が検出されていない間は推定値及び目標値に基づいて制御変数が設定され、接触が検出されている間は測定された力及び目標値に基づいて制御変数が設定される。

力制御において指定された加工力をほぼ確実に維持することを可能にする。

産業用ロボット、力制御付きハンドリング装置、および研削機械を備えたロボット支援研削システムの一般的な例を示す図である。

ハンドリング装置の例示的な実施態様を示す図である（これに含まれる制御ユニットの図示はされていない）。

力制御が実現されるハンドリング装置の制御装置の一例を示す図である。

ロボット支援表面処理のためのハンドリング装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。

以下、図示の例を用いて、各種の実施態様をより詳細に説明する。図示は必ずしも縮尺通りではなく、本発明は図示された態様に限定されるものではない。むしろ、発明の根底にある原理を説明することに重点が置かれている。

本発明の各種実施形態を詳細に説明する前に、まず、ロボット支援型研削装置の一般的な一例について説明する。ここで説明した概念は、他のタイプの表面仕上げ（例えば、研磨、フライス加工、穴開け）にも転用可能であり、研削に限定されない。

図１によれば、ロボット支援研削装置は、例えば産業用ロボットであるマニピュレータ８０と、回転する研削工具５１を備えた研削機械５０とを有する。研削機械５０は、本実施形態では、全体がハンドリング装置と呼ばれるリニアアクチュエータ１００を介してマニピュレータ１のいわゆるツールセンターポイント（ＴＣＰ）に結合される。厳密に言えば、ＴＣＰは点ではなくベクトルであり、例えば３つの空間座標（位置）と３つの角度（方向）で記述することができる。ロボット工学では、ＴＣＰの位置を記述するために、構成空間における一般化された座標（通常はロボットの６つの関節角度）が用いられることがある。ＴＣＰの位置及び向きを「姿勢」と呼ぶことがある。ＴＣＰの位置（向きを含む）は時間の関数として研削工具の動きを定義し、この動きは軌跡と呼ばれる。ＴＣＰはロボットのエンドエフェクタフランジの中心と定義されることが多いが、必ずしもそうではない場合もある。ＴＣＰは、ロボットが位置と姿勢を調整できる任意の点（理論的にはロボットの外側も可能）とすることができる。また、ＴＣＰは工具座標系の原点を定義することができる。

また、６自由度を有する産業用ロボットの場合、マニピュレータ８０は、それぞれジョイントＧ_１１、Ｇ_１２、Ｇ_１３によって接続された４つのセグメント８２、８３、８４、８５から構成され得る。第１セグメント８２は、通常、基礎８１に固定的（剛体的）に連結されている（これは必ずしもそうでなくても良い）。ジョイントＧ_１１は、セグメント８２とセグメント８３とを連結している。ジョイントＧ_１１は、２軸的であってもよく、セグメント８３が水平方向の回転軸（仰角）と垂直方向の回転軸（方位角）を中心に回転できるようにしてもよい。ジョイントＧ_１２は、セグメント８３とセグメント８４とを連結し、セグメント８３の位置に対してセグメント８４の旋回運動を可能にする。ジョイントＧ_１３はセグメント８４とセグメント８５とを連結している。ジョイントＧ_１３は２軸的とすることができ、したがって（ジョイントＧ_１１と同様に）２方向への旋回運動を可能にする。ＴＣＰは、セグメント８５に対して固定された相対位置を有しており、セグメント８５は、通常、セグメント８５に配置されたエンドエフェクトフランジ８６の、長手方向軸Ａ（図１において一点鎖線で示され、図示された例において研削工具の回転軸に対応）を中心とした旋回運動を可能にする回転ジョイント（図示せず）を含んでいる。ジョイントの各軸には、アクチュエータ（例えば、電気モータ）が割り当てられ、これらのアクチュエータにより、それぞれのジョイントの軸を中心とした回転運動が引き起こされ得る。ジョイントのアクチュエータは、ロボット制御部７０によってロボットプログラムに従って制御される。様々な産業用ロボット/マニピュレータとそれに関連した制御が知られており、ここではこれ以上の説明はしない。

マニピュレータ８０は、通常、位置制御されており、すなわち、ロボット制御部は、ＴＣＰの姿勢（位置及び向き）を決定し、ＴＣＰを予め定義された軌跡に沿って移動させることができる。図１において、ＴＣＰが配置されているセグメント８５の長手方向の軸をＡと表記している。ハンドリング装置１００のリニアアクチュエータがエンドストップにある場合、ＴＣＰの姿勢は、研削機械５０（及び研削ディスク５１）の姿勢も規定する。最初に述べたように、ハンドリング装置１００は、研削加工中に工具（例えば、研削ディスク５１）とワークピース６０との間の接触力（加工力）を所望の値に設定する。マニピュレータ８０による直接的な力の制御は、通常、研削用途にはあまりにも不正確である。それは、マニピュレータ８０のセグメント８３～８５の高い質量慣性により、力のピークの迅速な補正（例えば、研削工具をワークピース６０上に配置するとき）が、従来のマニピュレータでは実質的に不可能であるからである。このため、ロボット制御部７０は、マニピュレータ８０のＴＣＰの姿勢（位置及び向き）を制御し、力の制御はもっぱらハンドリング装置１００が行うように構成されている。

既に述べたように、研削加工の間、研削工具（研削機械５０の研削板５１）とワークピース６０との間の接触力Ｆ_Ｋは、研削板５１とワークピース６０との間の（長手方向軸Ａの方向の）接触力Ｆ_Ｋが所定の値に対応するように、ハンドリング装置１００と力制御（これは、例えば、制御部７０において実現することができる）とにより設定することができる。その際の接触力Ｆ_Ｋは、ハンドリング装置１００がワークピースの表面を押すアクチュエータ力Ｆ_Ａに対する反作用である。ワークピース６０と工具５１との間に接触がない場合、ハンドリング装置１００に含まれるアクチュエータ（図２参照）は、ワークピース６０への接触力の欠落によりエンドストッパ（アクチュエータ２に一体化されているため図示せず）へ移動し、所定の力で押し付ける。この際に、力制御は休み無くアクティブである。したがって、この状況（非接触）では、アクチュエータの変位が最大になり、ハンドリング装置１００は終端に位置する。（ハンドリング装置１００に含まれる）（リニア）アクチュエータがエンドストッパを押す力は、ワークピース表面との最も滑らかな接触を可能にするために、非常に小さく、または（理論的には）ゼロに規制することも可能である。

マニピュレータ８０の位置制御（これも制御部７０で実現可能）は、ハンドリング装置１００の力制御とは完全に独立して実行され得る。ハンドリング装置１００は、研削機械５０の位置決めのために用いられるのではなく、研削プロセス中に所望の接触力Ｆ_Ｋを設定および維持すること、ならびに工具５１とワークピース６０との間の接触を検出することのみに用いられる。この接触は、例えば、ハンドリング装置に含まれるリニアアクチュエータが終端の位置から離れて移動してことによって簡単に認識される（アクチュエータの偏位ａは終端の最大偏位ａ_ＭＡＸよりも小さい）。

図２は、ハンドリング装置１００の一例を概略的に示す図である。当業者には公知であり、以下の議論には必要のない部品（バルブ、リニアガイドなど）は、図を複雑にしないために図２からは省略してある。ハンドリング装置１００に含まれるアクチュエータ１５３は、空気圧アクチュエータ、例えば複動空気圧シリンダとすることができる。しかし、ベローズシリンダやエアマッスルなど、他の空気圧アクチュエータを使用することもできる。また、電動ダイレクトドライブ（ギアレス）を使用することもできる。

アクチュエータ／ハンドリング装置１００の動作方向と研削機械５０の回転軸は、必ずしもマニピュレータ８０のセグメント８５の長手方向軸Ａと一致する必要はない。空気圧アクチュエータの場合、力制御は、制御弁、調整装置（例えば制御ユニット７０に実装）、圧縮空気アキュムレータまたはコンプレッサを用いて既知の方法で実現することができる。重力（すなわち研削機械５０の重量）を考慮するためには、垂直に対する傾きが関係するので、アクチュエータ２は傾きセンサ（図示せず）を含むか、あるいは垂直に対する傾きの情報がマニピュレータ８０のジョイント角度に基づいて決定され得る。決定された傾きは、力調整装置によって考慮される（図３の説明も参照）。ハンドリング装置１００は、マニピュレータ８０とワークピース６０との間の確実な機械的切り離しを可能にするだけでなく、ＴＣＰの位置決めの不正確さを補正することもできる。

ハンドリング装置は、リニアアクチュエータ１５３（空気圧シリンダ）の隣に、例えば誘導センサまたはポテンショメータとして構成することができる偏位センサを備える。基本的に、偏位センサはリニアアクチュエータ１５３の偏位を測定するように構成されている。最大偏位（ａ＝ａ_ＭＡＸ）で、リニアアクチュエータはエンドストップを押す。リニアアクチュエータは、２つのフランジ１０１と１０２を結合している。２つのフランジ１０１、１０２間の距離の変化は、リニアアクチュエータ１５３の偏位の変化に対応する。上部のフランジ１０２（図２）は、ロボットのエンドエフェクタフランジ（図１、エンドエフェクタフランジ８６参照）に（例えばネジによって）接続することができる。工作機械５０は下部のフランジ１０１に（直接または間接的に）取り付けることができ、図示の例では力センサ１５０がハンドリング装置と工作機械５０の間に配置されている。この力センサ１５０は、例えばロードセルとして構成することができ、ハンドリング装置と工作機械５０との間に作用する力を直接測定することを可能にする。

ベローズ１２１は、ハンドリング装置内の部品を埃などから保護すると同時に、空気圧シリンダ１５３の作動方向への移動を可能にしている。ベローズ１２１はバネのような働きをし、その特性曲線は力制御において考慮され得る。ベローズ１２１による（バネ）力成分は、例えば、偏位センサ１５１によって測定された偏位ａに基づいて決定することができる。最も単純なケースでは、ベローズ１２１による（バネ）力成分は、偏位に比例する（線形バネ特性を持つ）。いくつかの実施形態では、ベローズ１２１の実際のバネ特性は、校正測定によって決定される。

ロードセル１５０による直接的な力測定に加えて、空気圧シリンダ１５３の圧縮空気ラインに空気圧により結合することができる圧力センサ１５２を用いて、空気圧シリンダ１５３内の圧力ｐを測定することによって間接的な力測定が行われる。この力は、圧力ｐにシリンダ内の有効ピストン面積Ａを乗じて得られる（Ｆ_Ａ＝Ｐ×Ａ）。空気圧アクチュエータの代わりに電気機械式アクチュエータを使用する場合、電気機械式アクチュエータの消費電流から力を決定することもできる。この場合、圧力測定の代わりに電流測定が行われる。アクチュエータの力は、測定された電流値から計算することができる。

既知のシステムでは、一般的に、ロードセルのような直接力センサを使用した冗長的な力計測は用いられていない。これは、シリンダ圧力（電気機械式アクチュエータの場合は電流）が、制御された空気圧システムにおいて計測値として利用できるからである。この関連において、ここで説明する例では、力センサ１５０による直接力測定（力Ｆ_Ｍ）は、単に間接力測定（力ｐ×Ａ）に対して冗長な測定値を提供するものではない。間接的な力測定（圧力測定または電流測定を使用する）を、ロードセルを使用する直接的な力測定に置き換える場合、それぞれの力センサは、ハンドリング装置１００のフランジ１０１にアクチュエータ（空気圧シリンダ）によって及ぼされるアクチュエータ力を測定するように配置されなければならない。フランジ１０１の（フランジ１０２に対する）移動が、例えばエンドストップによって妨げられる場合、力センサは、この場合、ワークピースとの接触がなくても、エンドストップに対して作用するアクチュエータ力を測定することになる。しかし、図２の例ではそうではない。力センサ１５０は、ハンドリング装置１００の内部（空気圧シリンダ１５３とフランジ１０１の間）ではなく、フランジ１０１の外側にあるため、力センサは工作機械５０とハンドリング装置の間に作用する力Ｆ_Ｍのみを測定する。ワークピースとの接触がない場合、図示の例では、力センサ１５０は、空気圧シリンダ１５３がエンドストップに押し付けられているか、及び、どのような力Ｆ_Ａでエンドストップに押し付けられているかに関係なく、工作機械５０の重量のみを測定することになる。すなわち、ここで説明する例（接触がない場合）では、直接力測定（力Ｆ_Ｍ）と間接力測定（力ｐ×Ａ）は冗長ではなく、原理的には異なる力が測定される。

間接的な力測定（空気圧シリンダの場合はＦ_Ａ＝Ｐ×Ａ）によって決定されたアクチュエータ力Ｆ_Ａと直接測定された力Ｆ_Ｍとの相関関係は、ワークピースと工作機械との間に接触がある場合にのみ定式化することができる。この状況（接触あり）においてのみ、接触力Ｆ_Ｋ（プロセス力）がハンドリング装置に作用し、Ｆ_Ｋ＝Ｆ_Ｍ＋Ｆ_Ｇが適用される。ここで、Ｆ_Ｇはワークピース表面に作用する工作機械の重量力であり、Ｆ_Ｍはハンドリング装置が工作機械を押圧する直接測定された力である。研削機械が逆さまで駆動された場合、加重力Ｆ_Ｇが負にもなる可能性があることに、この時点で留意すべきである。接触の場合、直接測定される力はやはりＦ_Ｍ＝Ｆ_Ａ＋ΔＦ＝ｐ×Ａ＋ΔＦであり、オフセットΔＦはすべての干渉力（摩擦、ヒステリシス効果など）を含む。接触力／プロセス力については、Ｆ_Ｋ＝Ｆ_Ａ＋Ｆ_Ｇ＋ΔＦ＝Ｆ_Ｍ＋Ｆ_Ｇであり、これによりハンドリング装置の状態に依存するオフセットΔＦは、動作中に（例えば、数学的モデル及び／又は較正測定に基づいて）決定することができる。

図３は、ハンドリング装置１００の駆動に使用できる制御装置の一例を示すブロック図である。図３の制御ユニットは、状態推定器としても知られる状態オブザーバ１６０で構成され、このオブザーバに制御変数が供給され、この制御変数は、本実施例では、シリンダ圧力の目標値または測定された実測値を表す。状態オブザーバ１６０は、また、（例えば、ハンドリング装置１００の測定された偏位ａ、ハンドリング装置の加速度、垂直に対するハンドリング装置の傾斜などの）センサデータ及び（例えば、ハンドリング装置に搭載された工作機械の重さなど）システムパラメータを受け取り、供給された情報（センサデータおよび制御変数）からハンドリング装置の状態、特に、アクチュエータ（空気圧シリンダ）によって効果的に供給される、エンドストップ（接触がない場合）またはワークピース（接触がある場合）のいずれかに作用する力ＦＡ＋ΔＦ（推定された実際のプロセス力）を推定するように構成されている。状態推定のために、状態オブザーバは、ハンドリング装置の物理的挙動（例えば、ベローズのバネ特性、摩擦など）をモデル化する数学的モデルを含み得る。

状態オブザーバ１６０は、工作機械と工具の接触を検出して信号を送るようにも構成されている。アクチュエータ(空気圧シリンダ)は、無接触時にエンドストップに押し付けられるので、例えば、アクチュエータがエンドストップから離れること(エンドストップでの最大偏位ａ_ＭＡＸより小さい偏位となること）により、接触を検出することができる。

図３に示す制御装置の他の構成要素は、プロセス制御・監視ユニット１６１である。ここでプロセス力の調整が行われる。この目的のために、プロセス制御・監視ユニット１６１は、推定された実際のプロセス力及び状態オブザーバ１６０からの接触に関する情報並びにシステムパラメータ（例えば、工作機械５０の重量）、目標プロセス力Ｆ_Ｓ及び力センサ１５０によって直接測定され、上述したように、接触が存在する場合にのみ意味のある測定変数となる実際のプロセス力Ｆ_Ｍを受け取る。目標プロセス力Ｆ_Ｓと、直接測定及び／又は推定された実際の力Ｆ_Ｍ又はＦ_Ａ＋ΔＦに基づき、重量力Ｆ_Ｇを考慮して、アクチュエータが制御される制御変数（空気圧アクチュエータの場合、これは前述のようにシリンダ圧力ｐである）が制御アルゴリズムにより計算される。適切な制御アルゴリズムはすでに知られているので、ここではこれ以上説明しない。理論制御偏差がゼロの場合、制御変数（例えば、空気式アクチュエータの場合は圧力、電気機械式アクチュエータの場合はアクチュエータ電流）は、接触時のプロセス力Ｆ_Ｋに対して以下のように適用されるように設定される：Ｆ_Ｋ＝Ｆ_Ｍ＋Ｆ_Ｇ＝Ｆ_Ｓ。これは、プロセス力（接触力）が（場合によっては変化する）目標の力に対応することを意味する。

プロセス制御・監視ユニット１６１はさらに、接触が検出されたか否かに応じて、実際のプロセス力（力センサ１５０、状態オブザーバ１６０）の「ソース」を選択するように構成されている。接触がなければ状態オブザーバ１６０が選択され、接触が検出されれば力センサ１５０が選択される。理想的には、接触が検出された場合、両方のソースが同じ力値を提供するはずであるが、推定値Ｆ_Ａ＋ΔＦは、時間とともに変化する可能性のある、較正による特定の影響パラメータを含むのに対し、直接測定値Ｆ_Ｍは常に実際の力を測定するので（力センサ１５０が正常に動作していると仮定して）、異なる可能性がある。

妥当性チェック：プロセス制御・監視ユニット１６１は、さらに、直接測定された力値Ｆ_Ｍ及び状態オブザーバによって供給された力値Ｆ_Ａ＋ΔＦに基づいて、表面処理プロセス中に（すなわち、接触時に）妥当性チェックを実行するように構成することができる。この目的のために、プロセス制御・監視ユニット１６１は、２つの値Ｆ_Ａ＋ΔＦとＦ_Ｍを比較し、例えば、これらが相違している場合にエラーを報告することができる。状況によっては、２つの値Ｆ_Ａ＋ΔＦとＦ_Ｍの間の偏差、およびそれらの経時的な推移に基づき、更には場合によって、測定された偏位ａのような他の測定値を考慮して、偏差の（可能性の高い）原因を決定することも可能である。例えば、直接測定された力値Ｆ_Ｍが、もはや状態オブザーバにより推定された値に従わない場合、１つの可能性の高い原因は、ハンドリング装置内のリニアガイドが詰まっているか、または摩擦が大きく増加していることである。直接測定された値Ｆ_Ｍがより小さい偏差で推定値Ｆ_Ａ＋ΔＦに追従する場合、空圧シリンダ（アクチュエータ１５３）又はリニアガイド（図示せず）の摩擦がわずかに増加している可能性があり、メンテナンスを実施する必要がある。

次に、ここで説明する実施形態のいくつかの側面と特徴を以下に要約する。以下は決定的なリストではなく、単なる例示的な要約である。本実施形態は、第１フランジと第２フランジとを備え、第１フランジと第２フランジとの間に作用するリニアアクチュエータを備えたハンドリング装置を制御するためのシステムおよび方法に関する。第１のフランジは、動作時にマニピュレータに取り付けられ（例えばエンドエフェクターのフランジに取り付けられる、図１参照）、工具（または工具を備えた工作機械）は、動作時に第２のフランジに取り付けられる。リニアアクチュエータは、第１のフランジに支持されている間、制御変数に応じて第２のフランジに力を及ぼすことができる（図２、フランジ１０１および１０２、リニアアクチュエータ１５２参照）。空気圧アクチュエータ（空気圧シリンダ）の場合、制御変数は空気圧であり、電気機械アクチュエータの場合、制御変数はアクチュエータを流れる電流である。

一実施形態では、力センサが、工具と表面との接触時にハンドリング装置によって工具に及ぼされる力Ｆ_Ｍを測定するように、第２のフランジと工具との間に配置される。工具と表面間の接触力は、力Ｆ_Ｍと、工作機械と工具の重量が表面に及ぼす（角度位置に依存する）重量力Ｆ_Ｇの重ね合わせに対応する。

接触がない場合、工作機械はハンドリング装置にぶら下がり、力センサはその重量の力Ｆ_Ｇのみを測定し、リニアアクチュエータ（力制御）はエンドストップを押す。このような状況では、前述の力センサを力制御に使用することはできない。したがって、例えば、制御ユニットに実装可能な状態オブザーバを用いて制御変数（例えば、目標圧力または実際の圧力）に基づいて、リニアアクチュエータによって提供される力Ｆ_Ａ＋ΔＦの推定値が決定される。制御ユニットは、工具と表面との接触を検出するように構成することもできる。さらに、制御ユニットは、接触が検出されなければ、推定値Ｆ_Ａ＋ΔＦと目標値に基づいて、リニアアクチュエータの制御変数（例えば圧力ｐ）を設定し、接触が検出されれば（すぐに、そして接触が検出されている間）、測定された力Ｆ_Ｍと目標値に基づいて制御変数を設定するように構成されている。つまり、力制御に使用される力情報は、接触が検出されたか否かに依存する。

ここで説明するコンセプトの一例を、図４のフロー図を用いて以下にまとめる。図４は、リニアアクチュエータ（図２参照、空気圧シリンダ１５４）を備えたハンドリング装置を制御する方法に関するもので、このアクチュエータは、マニピュレータに接続可能な第１のフランジ（図１参照、フランジ１０２）と、工具または工具を備えた工作機械が取り付けられる第２のフランジ（図１参照、フランジ１０１）との間に作用する。この方法は、リニアアクチュエータを制御変数（例えば空気圧ｐ）で制御して、リニアアクチュエータが（制御変数に応じた）力を第２のフランジ（工具と表面との間に接触がある場合）又はエンドストップ（接触がない場合）に及ぼすようにするステップを有する（図４、ステップＳ１参照）。本方法はさらに、工具と表面との接触を検出すること（図４、ステップＳ２参照）と、工具と表面とが接触する場合に第２のフランジと工具との間にハンドリング装置によって工具に及ぼされる力Ｆ_Ｍを機械的に結合された力センサを用いて測定するステップ（図４、ステップＳ３参照）を含む。

本方法はさらに、制御変数に基づいて、ハンドリング装置によって工具に及ぼされる力Ｆ_Ｍの推定値Ｆ_Ａ＋ΔＦを（表面との接触の有無にかかわらず）決定するステップを含む（図４、ステップＳ４参照）。制御変数は、接触が検出されない場合及び接触が検出されない限り、推定値と目標値とに基づいて設定され（図４、ステップＳ６参照）、接触が検出される場合及び接触が検出される限り、測定された力と目標値とに基づいて設定される（図４、ステップＳ５参照）。なお、図４に示したステップは、部分的に並行して行われ得る。また、フローチャートの矢印は、必ずしも時系列順序を意味するものではない。

特に、ステップＳ４は、接触が検出されたか否かに関係なく実行される。接触がない場合は、リニアアクチュエータがエンドストップを押す力を設定するために力の推定値が必要となる。穏やかな接触のためには、この力はできる限り小さくすべきである（理想的にはゼロか数ニュートン）。工具が表面に触れると、アクチュエータはエンドストップから離れ、力の制御は、直接測定された力Ｆ_Ｍに基づいて行なわれ得る。それにもかかわらず、推定値Ｆ_Ａ＋ΔＦは、プロセスの検証と欠陥の検出のために、表面処理プロセス中（接触時）にも決定される。接触が行われる前に、アクチュエータは可能な限り小さな（最小の）力でエンドストップを押す。理論的には、この最小力はゼロニュートンに調整し得る。実際には、表面を非常に穏やかに接触させるために、１０ニュートン以下、あるいは１ニュートン以下の値が使用される。接触が行われるとすぐに、目的の加工力（研削力）に達するまで、定義された割合で目標力を増加させることができる。

制御変数（空気圧アクチュエータの場合の圧力）に加えて、アクチュエータ及び／又はハンドリング装置の状態に関連する他のセンサデータ、例えば、アクチュエータに結合された電位差計または誘導変位センサを使用して測定することができるアクチュエータの変位などを、推定値の決定に含めることができる（図３、状態オブザーバ１６０を参照）。この重量の力Ｆ_Ｇ＝ｍ×ｇ×ｃｏｓ（θ）は、例えば力制御（図３、プロセス制御ユニット１６１参照）において、目標力から重量力Ｆ_Ｇを差し引くことで考慮することができる（ｍは工具を含む工作機械の質量、ｇは重力加速度、θは垂直からの角度偏差（傾斜角、チルト）を示す）。あるいは、重力の力は、直接及び間接的な力の測定にも考慮に入れることができる。傾斜角θは、マニピュレータのＴＣＰの（一般化された）座標から測定又は計算することができる。ロボット制御装置はＴＣＰの角度位置を「知っている」ので、ハンドリング装置と工具の角度位置も「知っている」ことになる。

一実施形態によれば、表面処理プロセスの妥当性を自動的にチェックし、プロセス終了時に妥当であることを確認することも可能である。例えば、表面処理プロセス中に、（力センサによって直接）測定された力Ｆ_Ｍと（状態オブザーバによって決定された）推定値Ｆ_Ａ＋ΔＦを比較し、特定の表面処理プロセスに関する測定値と推定値との間の偏差を記録することができる。プロセスの終了時またはプロセス中に、記録されたデータを分析し、プロセスの妥当性をチェックし、エラーを示すことができる。例えば、具体的なエラーは、直接測定された力と推定値（及び場合によってはアクチュエータの偏差などの他のセンサデータ）との間の偏差に基づいて決定することができる。例えば、表面と接触し、推定値が高い状態において、測定された力が同様に高くならない場合には、リニアガイド（例えばアクチュエータと平行に配置されている）又はアクチュエータ自体が動かないか、少なくともリニアアクチュエータ内又はリニアガイド内の摩擦が異常に大きい可能性が非常に高い。この場合、次に表面を触るときには、もはや穏やかな接触は保証されない。追加的に、又は、代替的に、目標力値と測定された力との偏差を分析することもできる。

５０…工作機械
５１…工具
８０…マニピュレータ
１００…ハンドリング装置
１０１…第２のフランジ
１０２…第１のフランジ
１５０…力センサ
１５３…リニアアクチュエータ
１６０…状態オブザーバ
１６１…プロセス制御・監視ユニット

Claims (10)

1. マニピュレータに接続可能な第１のフランジ（１０２）と、工具または工具を有する工作機械を取り付け可能な第２のフランジ（１０１）との間に作用するリニアアクチュエータ（１５３）を有するハンドリング装置であって、前記リニアアクチュエータ（１５３）は、制御変数（ｐ）に応じて、前記第２のフランジ（１０１）又はエンドストップに力を及ぼすハンドリング装置と、
   前記第２のフランジ（１０１）と前記工具との間に結合され、前記工具と表面との接触時に前記ハンドリング装置によって前記工具に及ぼされる力（Ｆ_Ｍ）を測定するように構成された力センサと、
   状態オブザーバ（１６０）を有する制御ユニットであって、前記状態オブザーバ（１６０）は、前記ハンドリング装置によって前記工具に及ぼされる前記力（Ｆ_Ｍ）の推定値（Ｆ_Ａ＋ΔＦ）を前記制御変数（ｐ）に基づいて決定するように構成されている制御ユニットと、
   を有し、
   前記制御ユニットは、さらに
   前記工具と前記表面との接触を検出し、
   前記接触が検出されていない間は、前記推定値（Ｆ_Ａ＋ΔＦ）及び目標値に基づいて前記制御変数（ｐ）を設定し、
   前記接触が検出されている間は、測定された前記力（Ｆ_Ｍ）と前記目標値に基づいて前記制御変数（ｐ）を設定する
   システム。
2. 前記目標値は可変であり、前記接触の検出後に最小値から増加される請求項１に記載のシステム。
3. 前記リニアアクチュエータ（１５３）は、前記接触が検出されない間は、前記エンドストップを押す請求項１又は請求項２に記載のシステム。
4. 前記制御ユニットは、前記接触が検出される間は、測定された前記力（Ｆ_Ｍ）と前記推定値（Ｆ_Ａ＋ΔＦ）とを比較し、それらの偏差に基づいてエラーを表示又は記録するように構成されている請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のシステム。
5. 前記制御ユニットは、前記接触が検出され、表面処理プロセスが実施されている間は、測定された前記力（Ｆ_Ｍ）と前記推定値（Ｆ_Ａ＋ΔＦ）とに基づいて前記表面処理プロセスの妥当性のチェックを実施し、前記チェックが失敗した場合にエラーの可能性のある原因を決定するようにさらに構成されている請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のシステム。
6. 前記状態オブザーバ（１６０）は、前記制御変数（ｐ）と、前記リニアアクチュエータ（１５３）の状態、特に前記アクチュエータの偏位に関する更なるセンサデータとに基づいて、前記推定値（ＦＡ＋ΔＦ）を決定するように構成されている請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のシステム。
7. マニピュレータに接続可能な第１のフランジ（１０２）と、工具又は工具を有する工作機械を取り付け可能な第２のフランジ（１０１）との間に作用するリニアアクチュエータ（１５４）を有するハンドリング装置を制御する方法であって、
   前記リニアアクチュエータ（１５３）を制御変数（ｐ）により制御し、前記リニアアクチュエータ（１５３）が前記制御変数（ｐ）に応じて第２のフランジ（１０１）又はエンドストップに力を作用させるステップと、
   前記工具と表面との間の接触を検出するステップと、
   前記工具と前記表面との接触時に、前記第２のフランジ（１０１）と前記工具との間に結合された力センサによって、前記ハンドリング装置が前記工具に及ぼす力（Ｆ_Ｍ）を測定するステップと、
   前記制御変数（ｐ）に基づいて、前記ハンドリング装置によって前記工具に及ぼされる前記力（Ｆ_Ｍ）の推定値（Ｆ_Ａ＋ΔＦ）を決定するステップと、
   前記接触が検出されていない間は前記推定値（Ｆ_Ａ＋ΔＦ）及び目標値に基づいて前記制御変数（ｐ）を設定するステップと、
   前記接触が検出されている間は測定された前記力（Ｆ_Ｍ）及び前記目標値に基づいて前記制御変数（ｐ）を設定するステップと、
   を有する方法。
8. 前記推定値（Ｆ_Ａ＋ΔＦ）を決定する際に、前記リニアアクチュエータ（１５３）の状態、特に前記リニアアクチュエータの偏位に関する更なるセンサデータが考慮される請求項７に記載の方法。
9. 前記工具と表面との前記接触は、前記リニアアクチュエータが前記エンドストップから離れることにより検出される請求項７又は請求項８に記載の方法。
10. 表面処理プロセス中に、前記工具が前記表面に接触し、決定された前記推定値、及び、更に測定された前記力（Ｆ_Ｍ）に基づいて、前記表面処理プロセスの妥当性がチェックされ、測定された前記力（Ｆ_Ｍ）と前記推定値との間に偏差がある場合に、場合によってエラーの原因が決定される請求項７乃至請求項９の何れか一項に記載の方法。